基于Solidworks的包餡機械成型刀盤的仿真分析

徐華俊 湯 萍（安徽水利水電職業技術學院，安徽 合肥 231603）

包餡成型機械是專門用于生產各種帶餡食品的機械，其主要部件是成型刀盤。傳統的包餡機械中成型刀盤由兩個左、右成型盤組成，生產中靠左右成型盤旋轉搓圓包餡食品的面皮和餡料，該種成型方法實際生產效率較低，如果提高生產速度則制作出的成品外觀較差，影響了成品的美觀度［1，2］。

針對此種弊端，設計一種新型包餡機械的成型刀盤，以改善生產效率，提高產品的美觀度。國內外文獻中沒有關于此種新型成型刀盤的動力學相關研究，而理論計算校核復雜、抽象，本試驗利用Solidworks軟件對其工作狀態做動力學分析，使分析過程更簡單、直觀。

1 工作原理

成型刀盤結構如圖1所示，連桿機構與滑動固定銷連接，驅動刀具旋盤做正反角度擺動，從而帶動成型刀具1、2（3把成型刀具1和6把成型刀具2）從圖2（a）所示位置轉動到圖2（b）所示位置，完成對面皮的切斷和花皺的成型。

圖1 成型刀盤結構圖Figure 1 Forming cutter structure

圖2 成型刀盤工作狀態圖Figure 2 Molding cutter state diagram

刀具旋盤旋轉時帶動成型刀具1、2做直線移動，其中成型刀具1在滑動槽中滑動，九把成型刀具的運動軌跡終點為成型孔圓心。成型旋盤材料為鑄鋁，滑動固定銷與刀具旋盤材料為不銹鋼，成型刀具材料為超高分子量聚乙烯—UPE，利用UPE的自潤滑、耐沖擊、衛生無毒的優良特性，而且其不黏性較好，制品表面與其他材料不易相附。

2 運動學仿真分析

Solidworks Motion與Solidwors Simulation具有強大的動力學仿真分析功能，可以對設計結果進行驗證、修改、優化設計方案，使得以前需要組織研究團隊、進行復雜設計計算、制造樣機驗證結果的設計過程簡化［3，4］。

在Solidworks Motion中將成型旋盤設置為固定，其他部件設定為相對運動。將9把成型刀具之間、刀具與成型盤之間、刀具與滑動固定銷之間設置為實體接觸，摩擦類型為動摩擦，驅動旋盤驅動類型設定為振蕩，驅動時間為10s，完成運動仿真分析，并且輸出仿真結果。輸出位移—時間曲線見圖3，輸出旋盤驅動力矩的力矩—時間曲線見圖4。

圖3 位移—時間曲線Figure 3 The displacement time curve

圖4 驅動馬達力矩曲線圖Figure 4 The drive motor torque curves

由圖3可知，刀具旋盤在10s內完成了5個開閉循環，在0～1s，刀具旋盤從0°～40°，成型孔打開。在1～2s，刀具旋盤從40°～0°，成型孔閉合，成型刀盤2s內完成一個包餡動作循環。

由圖4可知，刀具旋盤的啟動初始力矩為0.045N·m，最大驅動力矩為0.053N·m，在啟動時旋盤需要克服各成型刀具間的靜摩擦力，在成型刀具移動到導向槽中間位置時其驅動力矩最小，在最后完成切斷動作時，成型刀具移動到導向槽末端，成型刀具的底邊相互擠壓，力矩增大，這與成型刀具外形為三角形有關。

成型刀具1的線性速度如圖5所示，成型刀具在0.5s左右驅動力矩最小，此時刀具1運動到導向槽中點位置左右，其運動速度達到最大值73mm/s。由圖5、6可知，成型刀具1運動速度曲線振蕩循環，成型刀具在切制面坯的過程中較平穩。圖7為成型刀具2線性速度曲線圖，與圖5相同，說明在旋盤轉動切面坯的過程中成型刀具1、2運動同步，達到了切制面坯的作用。

圖5 成型刀具1線性速度Figure 5 Molding tool 1linear velocity

圖6 旋盤角加速度Figure 6 Rotary wheel angle acceleration

圖7 成型刀具2線性速度Figure 7 Molding tool 2linear velocity

3 有限元分析

將上述運動仿真輸入Solidworks Simulation中進行有限元分析，可以對運動過程中各點的受力情況進行分析。本例中將刀具旋盤一個工作循環過程分為18個瞬時分析點（即18個工作情形），利用Solidworks Simulation分析各個瞬時點成型刀具1的受力與形變情況，具體步驟［4－6］：

（1）將運動分析輸入載荷，分析起始點從0到2.0s共計18個點的受力分析；應用材料，從Solidworks Materials庫文件中選擇PE高密度；劃分網格，在網格參數下，選擇基于曲率的網格，設置最大單元大小至數值30mm附近，生成網格。

（2）運行設計算例，完成圖表結果的輸出。在整個旋轉運動過程中成型刀具1形變位移與應力圖解見圖8、9。由圖8、9可知，成型刀具1可能的變形點在刀尖位置，但整個刀尖變形處于安全值內。

（3）設計算例全局值。整個運動過程中成型刀具的全局合位移綜合值見圖10，全局應力值見圖11。由圖10可知，隨刀具旋盤運動角度的增加，成型刀具1的位移變形也線性增加，但最大變形量≤0.022mm。由圖11可知，隨刀具旋盤運動角度的增加，成型刀具1的應力值線性增加，最大應力≤3.05×105N/m2，其應力遠小于材料的屈服極限3.8×107N/m2。但是通過圖10、11能看到在啟動初某點應力有一定突變，結構設計需要優化。

圖8 位移圖解Figure 8 Displacement diagram

圖9 應力圖解Figure 9 Stress diagram

圖10 合位移Figure 10 Displacement

圖11 應力綜合值Figure 11 Stress value

4 結論

本試驗將Solidworks Motion和Solidwors Simulation結合，把Solidworks Motion的輸出結果無縫輸入到Solidworks Simulation中，對運動中的零件各瞬時位置進行有限元分析，使整個分析過程更加快捷、直觀，分析結果更接近實際工況。該種分析方法簡化了繁瑣的理論計算，縮短了產品設計周期，提高了設計效率。通過仿真分析結果可知成型刀盤結構初步達到設計要求，但在啟動時某點應力有突變，結構設計需要優化。

1 高海燕.食品加工機械與設備［M］.北京：化學工業出版社，2008：27～38.

2 張佰清，李勇.食品機械與設備［M］.鄭州：鄭州大學出版社，2012：243～247.

3 陳超祥，胡其登.Solidworks Motion運動仿真教程［M］.北京：機械工業出版社，2012：174～188.

4 陳超祥，胡其登.Solidworks Simulation基礎教程［M］.北京：機械工業出版社，2012：146～171.

5 余堅勇，郝利民，錢平，等.基于有限元分析的淺盤食品包裝容器設計［J］.食品與機械，2011，27（2）：94～97.

6 權浩.基于Solidworks的空氣壓縮機建模及仿真分析［J］.煤礦機械，2011（8）：83～85.