裝卸料組合機翻麥機構CAD/CAE系統的開發*

□ 方喜峰 □ 朱 鵬 □ 朱成順 □ 張 輝 □ 張勝文

1.江蘇科技大學機械工程學院 江蘇鎮江 212003

2.江蘇省船海機械裝備先進制造重點實驗室 江蘇鎮江 212003

1 開發背景

目前，在小麥發芽和干燥制作工藝中，主要由人工翻麥、攤平原料、進料和出料，需要大量的勞動力，且發芽和干燥效果達不到工藝要求。因此，在麥芽生產線上使用裝卸料組合機日趨增多。翻麥機構是裝卸料組合機的關鍵部件，零件較多，各零件尺寸之間相互聯系與制約，設計較為復雜。為此，筆者以Microsoft Visual Studio 2010軟件為平臺，應用VB.Net編程語言，并基于SolidWorks和ANSYS軟件，開發了一套適用于企業設計環境的裝卸料組合機翻麥機構CAD/CAE（計算機輔助設計、工程）系統［1-5］。

2 系統開發流程

開發裝卸料組合機翻麥機構CAD/CAE系統應用的技術包括模塊參數化設計技術、模塊間自動化裝配技術、翻麥螺旋和主梁部件參數化有限元分析技術。系統開發流程如圖1所示。

3 參數化設計技術

參數化設計將模塊中特征尺寸設置為設計所需的參數，驅動模塊生成設計所需的形狀和尺寸［6-9］。鑒于翻麥機構結構相對復雜，將翻麥機構劃分為主梁、防護罩和翻麥螺旋三個模塊，通過對各個模塊進行參數化設計，并運用自動化裝配技術實現模塊之間的裝配，從而完成整個機構的參數化設計。

3.1 主梁

主梁作為翻麥機構中最復雜的零件，由多種板材折彎焊接而成。根據設計規范，軸孔間距為500 mm。在參數化設計中，設置軸孔與中心端間距l1=1 600 mm，軸孔與墻壁端間距l2=550 mm，軸孔數n1為：

▲圖1 系統開發流程

式中：L為翻麥機總長。

對n1取整，可得出軸孔數量，同時也是翻麥螺旋陣列的數量。翻麥機螺旋主動軸與被動軸的分布比例為 1∶4，主動軸數量 n2為：

對n2取整，可得出主動軸數量。被動軸數量n3為：

確定主、被動軸兩側筋板的分布后，由于軸孔與墻壁端間距l2=550 mm，因此所有筋板的位置也可以確定。

3.2 防護罩

在防護罩參數化設計過程中，通過式（1）計算出軸孔數，以四個軸孔為一組防護罩，通過陣列來實現防護罩的參數化。防護罩由主動軸段防護罩和被動軸段防護罩連接而成，在設計過程中需在防護罩主動軸段設置螺栓孔，并且在裝配過程中保證主動軸段防護罩孔中心與主動軸軸孔中心同軸配合。

3.3 翻麥螺旋

由翻麥機主梁參數化可以得到翻麥螺旋數量，因此僅需計算翻麥螺旋葉片的長度。螺距s=260 mm，直徑為定值，葉片長度l3為：

式中：n4為螺旋軸圈數。

由于裝配中葉片定位以撥平桿端面為基準，葉片上端在部件中的裝配位置是固定的，葉片長度變化主要是下端伸長，因此在管軸尺寸約束上不強制建立與葉片長度之間的關系，而用變化量來進行設計。模塊中管軸長度為2 424.5 mm，變化后的管軸長度l4為：

至此完成了翻麥機構部件的參數化設計，通過變量尺寸賦值后，系統便能根據輸入的參數設計翻麥機構的主梁、防護罩和翻麥螺旋。參數化設計界面如圖2所示。

▲圖2 參數化設計界面

4 自動化裝配技術

翻麥機構屬于大型裝配體，零部件種類較多，所涉及的參數眾多，裝配約束較復雜，進行參數化設計時需要處理的問題也隨之增多。由于已對各個模塊進行了參數化設計，因此僅需對各個模塊進行自動化裝配，即可完成翻麥機構的整體設計。

自動化裝配技術通過CAD/CAE系統平臺界面輸入參數，從而實現模塊參數化。將參數化模塊插入新建的裝配體模板中，在裝配環境下添加裝配約束關系，裝配成總裝配體。在程序設計中需要調用的API函數為NewAssembly、AddComponent4、AddMate3，通過這些函數實現部件之間的自動化裝配［10-12］。

翻麥機構自動化裝配技術操作步驟如下。

（1）在實現自動化裝配之前，先激活SolidWorks文檔，新建裝配環境。激活文檔使用的API函數為SwApp和ActiveDoc，建立新的裝配體文檔使用的函數為NewAssembly。

（2）將參數化模塊插入新建的裝配體環境中，使用的函數為OpenDoc6和AddComponent。

（3）在裝配過程中，對相關模塊添加裝配約束關系，包括面與面、軸與孔之間的配合，所使用的代碼為：

通過自動化裝配技術對三個模塊進行裝配設計，并對總裝配體模型進行保存，至此，翻麥機構總裝圖完成設計。翻麥機構參數化設計效果如圖3所示。

▲圖3 翻麥機構參數化設計效果

5 翻麥螺旋有限元分析

5.1 建模

筆者應用ANSYS軟件對翻麥螺旋進行分析計算。對模型進行簡化，去除圓角、倒角、螺栓孔等結構。對材料屬性進行設置，采用材料為Q345鋼。網格劃分后單元有193 916個，節點有85 357個，如圖4所示。對接觸面進行處理，在螺旋主軸、支撐桿和螺旋葉片之間使用軟件默認的綁定接觸類型，接觸面與目標面無間隙，且不產生滑移。

5.2 載荷計算

5.2.1 自轉受力

當螺旋主軸以角速度ω旋轉時，麥粒在葉片螺旋面受力向上滑動，其反作用力法向壓力Fn和切向摩擦力Fs作用在葉片螺旋面上，如圖5所示。

已知螺旋面螺旋角α=8.8°，螺旋面中徑d0=0.415 m，麥子密度 ρ=450 kg/m3，翻麥深度 h=1.9 m，整個螺旋面面積S=0.85 m2，麥粒與螺旋面動摩擦因數μ=0.3，重力加速度g=9.8 m/s2，可計算得到：

將麥粒對葉片螺旋面的壓力分解為軸向力Fz和圓周力Ft，可計算得到：

麥粒對葉片螺旋面合成圓周力為對Z軸扭矩Mz為：

5.2.2 行走受力

當翻麥螺旋推動麥料行走時，受到麥粒阻力F1、正面摩擦力F2、側面摩擦力F3，如圖6所示。

直徑d=0.6 m，麥料深度為1.9 m，麥料側面積Sc和底面積Sd分別為：

式中：β為麥料與地面形成的內摩擦角，β=16.7°。

F1、F2和 F3分別為：

將兩側壓力和摩擦力合成為橫向阻力Fh：

5.3 有限元仿真

5.3.1 自轉

對螺桿頂部固定約束，將軸向力和扭矩施加在葉片螺旋面上，對翻麥螺旋進行靜力分析，得到如圖7所示應力云圖。從圖7可以看出，翻麥螺旋自轉時最大應力約為108 MPa，符合強度要求。

5.3.2 行走

對螺桿頂部固定約束，將行走時受到的阻力施加到螺桿側面和底面，對翻麥螺旋進行靜力分析，得到如圖8所示應力云圖。從圖8可以看出，翻麥螺旋行走時最大應力約為205 MPa，符合強度要求。

▲圖4 翻麥螺旋有限元模型

▲圖5 葉片螺旋面受力

▲圖6 行走時麥料受力

5.3.3 自轉和行走

對螺桿頂部固定約束，將軸向力和扭矩施加在葉片螺旋面上，將行走時受到的阻力施加到螺桿側面和底面，對翻麥螺旋進行靜力分析，得到如圖9所示應力云圖。從圖9可以看出，在翻麥螺旋自轉和行走時最大應力約為210 MPa，符合強度要求。

6 主梁有限元分析

主梁電機驅動端的約束為簡支約束，限制X和Z方向的位移，Y方向的位移不受限制。主梁另一端由軸承支撐，限制X和Y方向的位移，繞Z軸的轉動不受限制，相關應力云圖和變形云圖分別如圖10、圖11所示。

從圖10和圖11可以看出，行走時主梁最大應力約為55 MPa，符合強度要求。主梁中部最大變形約為9 mm，仍在許可范圍內。

7 參數化有限元分析技術

將參數化與ANSYS軟件通過VB.NET進行結合，應用程序代碼將相關參數提取出來，在ANSYS軟件中將翻麥螺旋和主梁等關鍵件制作成算例模板，通過系統界面輸入不同參數，計算出翻麥機構在自轉和行走時的受力，快速對關鍵件進行分析，從而保證產品性能。

在參數化有限元分析模塊中，結合ANSYS軟件前處理Input文件進行設計，將前處理中設置的相關參數提取出來，包括材料參數、載荷和約束［13-15］。 根據企業常用材料，確定材料屬性，并設置載荷和約束。對翻麥螺旋和主梁相關參數設置完成后，輸出.input文件，再將.input文件導入ANSYS，即可完成關鍵件的分析計算，其界面如圖12所示。

▲圖7 翻麥螺旋自轉時應力云圖

▲圖8 翻麥螺旋行走時應力云圖

▲圖9 翻麥螺旋自轉和行走時應力云圖

▲圖10 主梁應力云圖

▲圖11 主梁變形云圖

▲圖12 參數化有限元分析界面

通過參數化有限元分析模塊，可以省去ANSYS前處理過程，僅需設置相關參數，便能分析出翻麥螺旋和主梁是否滿足強度和剛度要求，大大提高了分析效率，方便了設計人員對CAD/CAE系統的使用。

8 結束語

筆者開發了一套裝卸料組合機翻麥機構CAD/CAE系統，這一系統實現了各個功能模塊間的無縫鏈接、產品模塊的快速三維建模和自動化裝配，以及關鍵部件的有限元分析。系統具有良好的兼容性和可擴展性，界面友好，操作方便，經企業技術人員測試，證明可快速、穩定地實現產品設計，對開發麥芽生產線中其它設備具有一定的借鑒作用。