基于有限元法的攪拌機改進

李悅 張印 張寒

摘要：針對現有的攪拌機實施改進策略，在改進過程中既要兼顧新型改進的需求，改善原有攪拌機中的不足之處，又要最大限度使用原有攪拌機的零件，以加快進度、降低成本、提高效率為設計目標，得出一個新型攪拌機的改進方案。運用有限元法對改進后的攪拌機中的主要部件進行分析，從而提高新型攪拌機的優越性。本文通過有限元法的分析，設計新型攪拌機的虛擬樣機。

關鍵詞：有限元法;攪拌機;改進

1原有攪拌機存在的不足

1.1原有攪拌機中電機傳動或齒輪的位置存在漏油現象，原因是潤滑的形式不是潤滑脂潤滑;再加上電機傳動的形式不準確，并且安裝精度又不高，因此會出現在攪拌機工作時發生漏油情況。

2.2原有的攪拌機在工作時產生的噪音可以達到70～90dB，并且伴隨振動。出現噪音和振動的原因：一是傳動軸出現了問題，直線度沒有做校正處理或沒有處理好;二是分散盤的高速旋轉，轉動速度達到臨界值產生了共振;三是齒輪不對稱傳動而產生的噪音。

3.3由于攪拌機的工作部分為高速運轉的齒輪等零部件，所以長期高速運轉的密封部件易導致攪拌機損壞。

2新型攪拌機的改進設計需求與方案

2.1新型攪拌機的改進設計需求

為降低改進成本、減小設計難度，這里在傳統攪拌機的基礎上實施改進設計。一方面，借助原有攪拌機的設計理念和經驗，通過改進現有攪拌機中的不足之處，根據最快速、最高效的方案設計一款新型的攪拌機。另一方面，沿用原有攪拌機中的部件，對設備進行改進、優化，節省設計成本，使新型攪拌機的攪拌效率和效果大幅度提升。

2.2新型攪拌機的改進設計方案

一是改正電機傳動的形式，提高安裝精度;選用潤滑脂潤滑，避免漏油。二是校正傳動軸的直線度。三是減少電機數量，去掉分散盤和分散軸。

3有限單元法的基本理論

3.1基本假設

有限元法（FEA）就是將復雜的問題簡化，并對其進行求解，即通過連續的求解域離散后組合成一個單元，將假設的函數放在每個單元內，然后通過賦值的方法來表達函數，即待求解的未知函數及各個單元點上的數值差值函數，這樣就能用所賦值的函數表示單元內未知場的函數。有限元法的假設依據：第一，物體是由連續的介質構成，通過用數學的方法表達物體的變量及內力分布，將彈性、抽象的問題變成可解的數學問題。第二，忽略不計物體變形產生的變化，包括尺寸、形狀等。第三，介質所受的力的方向和作用效果是一樣的。

3.2基本方程

有限元法的力學特性研究過程建立在彈性力學的基礎上，通過數學方法計算得出在外力作用下通過變性物體素產生的物理變化。有限元法的目的是解決機械設計中的問題，保證設計的合理性，有效保證物體的強度和剛度。基本方程為以下幾個：

3.2.1幾何方程

3.2.2物理方程

4主要工作部件應用有限元法的靜力學分析

4.1攪拌軸靜力學分析

4.1.1建立有限元模型

建立模型的步驟：選擇45鋼材料，將彈性模量設定為 ，泊松比 ，密度 ;按照全約束安裝軸承;將制作成功的攪拌軸三維模型導入計算機中，自動劃分網格，判斷劃定單元與節點。劃分單元個數1451，節點個數1826。

4.1.2計算結果與分析

由計算結果可知，攪拌軸的的最大等效應力是114.6MPa，小于45鋼的材料屈服強度（355MPa），因此不會出現損壞。由合位移的數據結果可知，攪拌軸的最大位移為0.075mm。所以分析現有的攪拌軸的強度和剛度已經不能滿足最大效率攪拌的需求，雖然現有的攪拌機的安全系數較高，但卻設計保守且浪費材料，因此需要根據計算結果對攪拌軸進行改進，簡化設計結構，節約材料。

4.2攪拌槳靜力學分析

4.2.1建立有限元模型

建立模型的步驟：選擇304不銹鋼，將彈性模量設定為 ，泊松比 ，密度 ;按照約束安裝軸承;將制作成功的攪拌軸三維模型導入計算機中，自動劃分網格，判斷劃定單元與節點。劃分單元個數2015，節點個數2084。

4.2.2計算結果與分析

由計算結果可知，攪拌槳的的最大等效應力是35.8MPa，小于304不銹鋼的材料屈服強度（200MPa），因此不會出現損壞。由合位移的數據結果可知，攪拌槳的最大位移為0.057mm。所以，等效應力中低應力的位置較多，合位移中大部分位置也都處于較低的范圍，因此設計上還留有較大的空間，安全系數較高，但易浪費材料，因此需要依據計算結果對攪拌槳進行改進，簡化設計結構，節約材料。

5結束語

設計初雖然強度和剛度都滿足攪拌機的工作需求，但是卻存在較大的改進空間，這為攪拌機的輕量化改進提供了可靠的依據。攪拌機設計是一項復雜的系統工程，還可以在床身、支架及傳動軸上進行優化，將重要零部件實行輕量化設計，進一步節約材料，提升攪拌效率，選出最優的結構，達到預期的攪拌效果。

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