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基于UG NX的锤片式粉碎机的三维建模
张乾能 宗 力
摘 要 锤片式粉碎机广泛应用于饲料加工行业。为了便于设计和仿真,利用UG NX的三维建模功能,建立粉碎机的三维模型。同时,用UG NX的模型分析和运动仿真模块,对粉碎机进行分析,提高了设计的可靠性,并对锤片进行了有限元分析,找出了锤片的危险截面。
关键词 锤片式粉碎机试验台;UG NX;三维建模
中图分类号 S817.12+2
粉碎工序是饲料厂最重要的工序之一,其主要功能在于:根据生产产品的特性要求、动物生长的需要,对饲料原料进行粒度的再分布,以达到理想的综合效应[1]。锤片式粉碎机具有结构简单、适应性强、造价低、通用性好等优点, 因而被广泛应用于饲料加工行业。锤片式粉碎机的性能与其结构和主要参数有着密切的关系,所以在设计上要求严格。粉碎机主要由机盖、机座、电机、转子、筛片等组成[2]。传统的方法是利用工程图纸或CAD制图来设计零件,抽象性强,不直观,修改不方便。UG NX以其强大的三维建模功能克服了这些困难,给锤片式粉碎机设计带来了方便。本研究将建立粉碎机模型,并对其做模型分析和运动仿真。
1 UG NX简介
UG NX是集CAD/CAE/CAM一体化的三维参数化软件,是当今世界上最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件之一,广泛用于航空、汽车、造船、通用机械、模具和家电领域。它具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能,而且可以进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟,提高了产品设计的可靠性。该软件具有以下特点[3]:①集成的产品开发环境;②产品设计相关性与并行协作;③基于知识的工程管理;④设计的客户化;⑤采用复杂的复合建模技术,可将各种建模技术融为一体;⑥用基于特征的参数驱动建模和编辑方法作为实体造型基础;⑦便捷的复杂曲面设计能力;⑧强大的工程图功能,增强了绘制工程图的实用性;⑨提供了丰富的二次开发工具。
UG NX的三维建模与Pro/E的三维建模方式相同,可以参照Pro/E的三维造型的过程[4]:首先,根据二维的设计数据来生成三维零件;然后,对三维零件进行虚拟装配,装配完毕后进行模型分析,也可以对装配体实现动画仿真,观察其运动状态;最后,根据模型分析和动态仿真结果确定修改方案。UG的锤片式粉碎机三维设计流程如图1所示。

图1 UG的锤片式粉碎机三维设计流程
2 锤片式粉碎机的三维建模
本研究是以自行设计的锤片式粉碎机(SFSP40×700)为设计原型,利用UG NX建模及分析其设计情况是否优良。粉碎机零件的结构简单,可以用简单的命令实现建模。
2.1 零部件的建模
该锤片式粉碎机的零件数量有上百个,所以在这里只是列出部分零件的建模。部件主要有机盖、机座、转子。
2.1.1 上机壳
上机壳是构成机盖的一部分,并与喂料器直接连接。在上机壳上有辅助调风孔,可以实现风量的调节。它结构比较简单,利用草图(sketch)、拉伸(extrude)及孔(hole)的功能就可以实现。上机壳的三维设计模型如图2所示。

图2 上机壳的三维设计模型
2.1.2 底座
粉碎机底座是机座的一部分,起着支撑整个粉碎机的作用。它也是物料的出口部分,与料仓相连。底座的材料是槽钢,全部采用手工在平台上焊合。底座的三维设计模型如图3所示。

图3 底座的三维设计模型
2.1.3 主轴
主轴是粉碎机转子的重要组成部分,起着传递动力的作用。电机通过皮带轮传递动力给主轴,主轴传递给锤片来达到粉碎物料的目的。主轴上有两个键槽,长键槽与锤架板和套筒配合;短键槽与带轮配合。主轴的建立方式有多种,其中通过旋转体(REVOLVED)功能比较简单,再在圆柱表面开键槽与添加螺纹。主轴的三维设计模型如图4所示。

图4 主轴的三维设计模型
2.1.4  锤架板
锤架板是转子的骨架,起着固定销轴和锤片的作用。锤架板的圆形结构可以利用草图(sketch)及拉伸(extrude)功能,再在上面挖孔(hole)及引用特征(features-modeling)进行阵列孔。锤架板的三维设计模型如图5所示。

图5 锤架板的三维设计模型
2.1.5 锤片
锤片是粉碎机的核心工作部件,起着粉碎物料的作用。粉碎机的性能与锤片的数量、排列方式、厚度有着密切的关系,该粉碎机可以实现这些参数的可调性。常用的锤片是矩形锤片,它结构简单、易于制造。锤片的排列方式有四种:螺旋排列、对称排列、交错排列、对称交错排列,本次建模使用的是对称排列。锤片的建模只需要利用草图(sketch)和拉伸(extrude)就可以完成,它的三维设计模型如图6所示。

图6 锤片的三维设计模型
2.1.6  带轮
带轮是传递动力的零件,通过三角皮带与电机上的皮带轮相连。它的建模利用草图(sketch)与旋转体(REVOLVED)实现。其三维设计模型如图7所示。

图7 带轮的三维设计模型
2.2 部件的虚拟装配
UG的装配模块不仅能快速组合零件成为产品,而且在装配中,可以参考其它部件关联设计,并可以对装配模型进行间隙分析、质量管理等相关操作。按照自上往下的装配原则,通过组件的定位和配对操作,建立对应的装配关系,装配完成部件及整机。以下图8~图11分别是机盖的虚拟装配模型、机座的虚拟装配模型、转子的虚拟装配模型、整机的虚拟装配模型。

3 模型分析
装配完成后的锤片式粉碎机可以在UG中进行结构分析、间隙分析、质量管理、有限元分析等,可以提高产品设计的可靠性。UG的菜单中有分析的功能,可以得到零部件的体积、质量、惯量、转矩的信息。现以锤片的有限元分析为例:锤片在运行过程中,主要受到离心力、重力、物料的冲击力,受力后发生形变。通过有限元分析找出易损部位(危险截面)。有限元分析的步骤:创建解法;对需要理想化的几何体(如对称结构)进行理想化;设置锤片的材料属性;给锤片施加约束与载荷;划分网格;有限元模型检查;解算;进入后处理。锤片的有限元后处理如图12、图13所示。

4 运动仿真
运动仿真模块可以进行机构的干涉分析,跟踪零件的运动轨迹,分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动仿真的分析结果可以指导修改零件的结构设计(加长或者缩短构件的力臂长度、修改凸轮型线、调整齿数比等)或调整零件的材料(减轻或加重以及增加硬度等)[5]。该模块与ADAMS的功能有着一致性,产生运动仿真的步骤有:第一步,创建连杆(Links);第二步,创建运动副(Joints);第三步,定义运动驱动(Motion Driver)。完成后可以创建动画仿真,并作出速度、加速度、力等图表,还可以导出MPEG、GIF格式等视频。
5 小结
UG NX以其强大的建模、模型分析和仿真功能应用于饲料机械的设计上,打破了传统的二维设计方式,给设计带来了便捷,提升了产品设计的可靠性。它的虚拟技术为机械设计及试验研究开创了另一个环境,可以直接在软件中仿真与分析。同时,可以利用UG NX直接生成CAD工程图纸,应用于生产。
参考文献
[1] 曹康.现代饲料加工技术[M].上海科学技术文献出版社,2003.
[2] 饶应昌,庞声海.饲料加工工艺与设备[M].中国农业出版社.
[3] 郑金.Unigraphics NX3应用与实例教程[M].人民邮电出版社,2006.
[4] 刘梅英.基于Pro/E的锤片式粉碎机转子的三维建模[J].农机化研究,2007(6):179-181.
[5] 胡小康,徐六飞.UG NX4运动分析培训教程[M].清华大学出版社,2006.
(编辑:崔成德,cuicengde@tom.com

张乾能,华中农业大学工程技术学院,430070,湖北武汉。
宗力(通讯作者),单位及通讯地址同第一作者。
收稿日期:2007-10-22
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