一種基于有限元分析的碎米分離機設計

徐莉

摘要：為了滿足人們日益增長的對食品品質的需求，設計一種碎米分離機。該機器以連桿機構加振動篩為碎米分離方案，對碎米進行分離。設計過程中分別對振動篩的極限位置進行理論分析，對主要連桿通過加約束和載荷來進行有限元分析，以確定其變形參數和應力分布情況。結果顯示連桿加載后的變形在合理范圍內，應力不超過所選用材料的許用強度的結論，證明該碎米分離機的設計合理有效。

Abstract： In order to satisfy people's demand of food， a separate machine of rice and fragment is designed. Scheme on separate of rice and fragment is link and oscillating screen. In the process of design， the limit position of oscillating screen is analyzed， the finite element analysis of main link is done by exerting the restrain and loading on it to ascertain deformation and stress. The result shows that the deformation is in reasonable range after loading， the stress is less than allowable intensity of material. It can be proved that the separate machine of rice and fragment is reasonable.

關鍵詞：碎米分離；連桿；有限元；變形；應力

Key words： separate of rice and fragment；link；finite element analysis；deformation；stress

中圖分類號：TQ051.8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）16-0122-02

0 引言

在現代社會，科學技術在不斷地進步，人們不斷地提高的生活水平使得人們對食品的要求也不再是只能解決溫飽問題，而是高質量綠色環保，同時越來越注重糧食的加工品質，成為現代農業和人類生活的重點。收獲后的糧食中有許多不需要的摻雜物，如雜草、米粒、秸稈、石子以及未成熟的、破碎的、退化的、機械損傷的糧食顆粒。因此糧食需經過分離機的分離加工處理，去除掉不需要的摻雜物，所以分離機產品具有十分重要的作用。設計出一種滿足市場要求的既經濟又實用的碎米分離機就成為一個重要的研究課題。

1 碎米分離機的發展現狀及發展趨勢

1.1 國外狀況

20世紀70年代以來米粒加工業的興起使風篩式分離機在一些發達國家有了較快的發展，其中西歐北美的一些國家在生產和使用方面均居領先地位，這些產品除滿足本國需要外還遠銷世界各地，它們在技術上各有特點。

1.2 國內狀況

我國對糧食分離機械的研究生產起步較晚。首批樣機在20世紀50年代引進，手動風車溜篩是最早的產品，分離效果不佳生產率低。60年代的產品是電動揚場機，雖提高了生產效率，但分離效果仍不理想。70年代開始了對糧食滾筒篩分離機的研制。80年代進入了新的發展階段。進入90年代，分離技術和設備都有了更好的發展。經過半個多世紀的發展，基本形成了具有我國特色適應我國廣大用戶需要、品種規格較齊全的、自行研究和生產的加工體系。

2 碎米分離機的結構分析

2.1 工作原理分析及方案確定

常規分離法是利用碎米的幾何尺寸、空氣動力學特性及比重等物理機械特性進行篩選，有風選、篩選、風篩選、風篩窩眼選、比重選、窩眼選。風篩式分離機、比重式分離機、窩眼筒式分離機是現在應用廣泛的碎米分離機種類。其中風篩式碎米機，主要利用米粒與夾雜物的幾何尺寸和懸浮速度差異進行篩選和風選；比重式碎米分離機利用物料中各成分的比重不同進行分離；窩眼筒分離機利用米粒在窩眼筒做旋轉運動時，米粒雜質長度尺寸和運動途徑不同來達到分離雜物的目的。

根據以上對現有的碎米分離機的分析，決定設計一種利用米粒的外形尺寸和空氣動力學特征進行精選的復式碎米分離機。首先，通過改變吸風道截面積的大小，得到不同的氣流速度分離輕重雜質；然后利用米粒和混雜物幾何尺寸的差別，通過一定規格的篩孔來分離雜質和瘦弱籽粒；最后，通過篩孔按米粒的長度不同分離各種雜物，達到分離的目的。

2.2 總機的組成

所設計的復式碎米分離機方案為由電機提供動力，電機通過V帶帶動主驅動軸轉動，主驅動軸帶動一個四桿機構運動，四桿機構的運動帶動魚鱗篩和篩箱的運動來完成分離任務。輔助設計兩個風機，起到除雜、吸塵的作用。

本次設計的復式碎米分離機的結構組成如圖1所示。

2.3 連桿的設計

碎米分離機主要設計零件包括：一個分離小的雜物和去除灰塵的魚鱗篩、六個沖孔篩、一個起傳動和支撐作用的四桿機構，該機構不僅驅動魚鱗篩的往復運動，還要連動后面的篩箱作弧線運動，對篩分起到關鍵性的作用，故為設計的重點。

技術參數方面，按進料口的大小確定所處理的水稻單位篩面面積允許的處理量為0.226kg/cm2h。水稻進料量為400kg/h。該參數將用于確定連桿機構參數，保證其足夠的強度。

通過各方面考量后，確定連桿機構的運動簡圖如圖2所示。

實線表示碎米分離機的篩箱最近端，是平衡位置同時也是一個極限位置。虛線表示碎米分離機為篩箱最遠端位置，是另一個極限位置。在平衡位置時，L3與水平線成85度，到另一個極限位置時，擺動6.5度，平衡位置時，L4與水平面成10度角，L4運動的方向角為8度，行程為60mm。

根據碎米分離機的運動簡圖，可以算出：L1=267mm；L2=932mm；L3=324mm；L4=1400mm；L5=600mm；L6=235mm；L7=500mm。

3 對連桿的有限元分析

通過對連桿機構的各桿進行運動和動力分析可知，桿5處于中間傳動的位置，其上有三個轉動副，受力相對比較復雜，承載較大，對強度要求較高，故對桿5進行有限分析。

首先用Solidworks建立三維模型，如圖3所示。然后將模型導進有限元分析ansys軟件，選定材料為45號鋼，材料的彈性系數為2.01e11，泊松比為0.3，密度為7.8 e3。以參數為3進行自由網格劃分，結果如圖4所示。然后加約束和載荷，限制中間孔的Y軸自由度，限制底平面的全自由度，將上圓孔的左半孔面和下圓孔的左半孔面定為加載位置，進行加載，具體見圖5所示。按設計計算可知，所加載荷大小為Ft=2.56×106N，加載后，桿5的變形如圖6所示。從圖中可知，變形情況為X軸0.000479mm，桿5上的應力分布情況如圖7所示，最大應力發生在中間孔軸線處，大小為50.589MPa。

通過數據分析可知，加載后桿5的變形在合理范圍內，最大應力也小于材料的許用強度。

4 結語

本次設計給出了碎米分離的方案，以連桿機構為傳動通過電動機帶動振動篩完成碎米分離功能，方案較合理可行。通過有限元對所設計的連桿進行分析，得出變形和應力分布的情況。

所得數據顯示，變形在合理范圍內，應力也不超過材料的許用強度，這保證了該碎米分離機預定的篩分效率的實現。當然設計中也存在不足，比如傳動方案能否更簡單有效、連桿構件能否在保證篩分效率和篩分率的同時再輕薄短小一些以適應現代機械綠色環保的要求等等，這都將是今后深入研究的方向和目標。

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