旧时石磨仿真分析_课程论文.doc

机构运动与仿真课程论文 设计题目： 旧时石磨仿真分析 指导老师： 姓 名： 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 学 院： 机械工程学院 电 话： 前言随着科技的进步，生活中出现了大量的产品，人们在生产和使用的过程中也在不断改进，总是使产品朝着更好地为人类服务的方向发展。但有一点是肯定的，大多数创新都是建立在已有产品的基础上的。当我们在设计和研究新产品的时候，对旧产品的分析和消化是必不可少的，这将有利于我们找到突破点甚至触发我们的灵感。中国是一个历史悠久的文明古国，从古时流传下来的技术也不胜枚举；很多发明和创造都凝聚了前人的智慧，大到万里长城，小到一双筷子。就我儿时见过的家里使用的石磨而言，那时总觉得它特别有趣，就那么转一转，就能加工好粮食。在石磨为国人服务了几千年之后的今天，随着各种方便快捷的产品出现，它就将面临淘汰。历史的车轮总是向前滚动的，石磨的消失标志着社会的进步，但它作为一件传统的加工工具，也应该为后人留下它转动的身影。本次课程设计，我将运用已学的知识，主要借助solidworks三维软件对旧时石磨进行仿真分析，让大家对石磨有更深入的了解。目录第1章 石磨介绍.1第2章 石磨各部件造型.3第3章 石磨装配.8第4章 石磨仿真及分析.9第5章 心得体会.16参考文献.17第一章 石磨介绍一、名词介绍在没有电力以前，石磨通常是用人力或畜力把粮食去皮或研磨成粉末的石制工具。到了晋代，我国发明用水作动力的水磨。一般的石磨通常由两个圆石做成。石磨外型如图1所示。 图1 石磨外型二、工作原理磨是平面的两层（图4所示的下磨石和图6所示的上磨石），两层的结合处都有纹理（如图4中的1和图6中的3所示），粮食从上方的孔（如图6中的1所示）进入两层中间，由人施加外力通过推杆（如图8所示）传递给把手(如图7所示)使得上磨石转动，同时，粮食沿着纹理向外运移，在滚动过两层面时，被磨碎，形成粉末。三、石磨的发明者 石磨的发明人鲁班。鲁班是中国古代一位优秀的创造发明家。在鲁班生活的时代，人们要吃米粉、麦粉，都是把米麦放在石臼里，用粗石棍来捣。用这种方法很费力，捣出来的粉有粗有细，而且一次捣得很少。鲁班想找一种用力少收效大的方法。就用两块有一定厚度的扁圆柱形的石头制成磨扇。下扇中间装有一个短的立轴，用铁制成，上扇中间有一个相应的空套，两扇相合以后，下扇固定，上扇可以绕轴转动。两扇相对的一面，留有一个空膛，叫磨腔，膛的外周制成一起一伏的磨齿。上扇有磨眼，磨面的时候，谷物通过磨眼流入磨膛，均匀地分布在四周，被磨成粉末，从夹缝中流到磨盘上，过罗筛去麸皮等就得到面粉。部分农村现在还在用石磨磨面。四、加工产品的优势1.石磨面粉现在有了电磨，有了现代化的面粉加工厂，面粉加工先进了。但由于面粉加工厂加工的面粉中添加剂多，生产过程中热度过高，使面粉原有的营养成分丧失了一部分。特别是非法加工的面粉食用后危害更大，各级质检部门每年都会抽查出许多不合格的面粉。石磨面粉的好处就在于，通过石磨碾出的面粉，小麦的营养成分全部保留，没有任何添加剂。在口中咀嚼，筋道、不粘牙、吞咽时滑顺。石磨面粉同样可以生产出精粉、普通粉、全麦粉、面条4大系列。2.石墨豆浆机械加工：豆浆高温研磨，破坏了大豆的自然浓香，甚至还有焦糊的味道，豆浆机械在加工豆浆时，经过高速切割、研磨、高温等几大流程，大豆的营养被严重流失。 石磨豆浆：原汁原味、豆香浓郁、新鲜、口感好。保留了豆浆中的植物蛋白等矿物质，有益人体吸收和健康。第二章 石磨各部件造型首先打开solidworks软件，新建零件图，利用草图绘制，拉伸，拉伸切除，阵列等命令设计出一底地板，然后添加材质和外观后其外型如图2所示。图2 底板1）定位圆孔 2）定位方孔在设计底板时，应考虑到其与后面设计的下磨石和支撑石之间的配合，故在如图2所示的1,2两处分别设有两个定位圆孔和三个定位方孔。两个定位圆孔是起固定下磨石的作用，我们熟悉的“一面两销”即在一个面上设置两个销孔，通过销将下磨石固定这个面上，不允许下磨石有转动。三个定位方孔考虑了装配定位和加工工艺的问题，装配时通过方孔可以与支撑石形成正确的配合，在实际加工时，底面对粗糙度无特别要求，孔的设计可以在加工时只将孔的范围内打磨平整即可，底面其他地方的粗糙度可以略大，这样可以提高加工效率。若这是在现代生产批量生产中，这样的设计是非常重要的。古时有的是用三脚木代替支撑石，三脚木有便于搬运和加工的优点，但其缺点是容易风化和生虫，影响其使用寿命。支撑石可以解决这一缺点，这里通过创建草图和拉伸的命令即可设计出一条方形支撑石，如图3所示。图3 支撑石部分石磨的下磨石与底板是一体的，我更倾向于下磨石和底板是分开的设计。在古时，一套石磨往往会使用几十上百年，而且使用的频率很高，在长期的使用中，下磨石被磨损了，要想更换就得将底板和下磨石一起换掉。两者设计为一体的话，在人力搬运的过程中会很吃力。设计下磨石时，在它和底板配合的平面同样应凿两个孔（如图4中3所示）通过定位销与底板紧密贴合。下磨石的上表面不是平整的，中间也凿有一小孔（如图4中2所示），用于通过定位销和上磨石配合，真实的下磨石有不规则的凹凸纹理，我在这里将其表面设计有多个小凹孔（如图4中1所示），以满足其使用用途。图4 下磨石1）小凹孔 2)上定位孔 3）下定位孔定位销的造型很简单，通过拉伸和倒角的命令即可，如图5所示。定位销要有很好的强度和刚度，在工作过程中，定位销要承受很大的力，因此在古时定位销一般也选择铁作为材料。图5 定位销上磨石为工作过程中的主要部件，它在下磨石上转动，加工粮食。如图6中1所示为添加粮食的进口；在与1相对的2为与把手配合所凿的一个方形孔；3为上磨石底面，此处设计为矩形凸起，它可以去下磨石上表面配合工作，达到磨碎粮食的目的；4处为一定深度的圆形小孔，这与下磨石的上表面通过定位销达到定位的目的。图6 上磨石1）粮食进入口 2）把手配合口 3）凸起 4）定位圆孔 接下来要设计的就是与图6所示的2相配合的把手，在古时，把手一般为木材制作。为了便于装配进图6所示的2中，我将把手前段设计为楔形，如图7中1所示，在实际装配的过程中可以添加一些小楔形块使得把手与把手配合口达到过盈配合以达到装配紧固的目的。把手身体设计为矩形，如图7中2所示。图7中的3为一个贯穿的圆柱形孔，通过它装进推杆，传递力。图7 把手最后设计的是推杆，通过放样等命令造型出的推杆如图8所示。推杆一般也是由木材制作，其前端为圆柱形杆，将它装入图7中的3处，人用双手分别握住把手后部的两端向前推即可推动上磨石，常说的推磨也主要指这个动作。图8 推杆第三章 石磨装配在完成石磨各部件造型后，就是对其进行装配。打开solidworks软件后，新建装配体，按照第二章石磨造型的先后顺序将各零件添加到装配体中。此时的各部件状态如图9所示。图9 各部件装配前然后通过添加配合使各部件组合在一起，装配好的各部件如图10所示。图10 各部件装配完成第四章 石磨仿真分析 在装配好石磨后，要使得石磨能够运动，就要给装配体添加马达。由于在实际工作状态时，上磨石在人推拉的过程中伴随着有惯性力的作用，人作用的力并不是恒力，而且石磨转动的位置不同施加的力的方向也不同，要添加一个类似人作用的力的马达就显得很复杂。在这里，将其简单化，还为了后面的有限元分析，把手传递力，在把手上添加一旋转马达，如图11所示。图11 添加旋转马达 此时的石磨能够正常运动了，这里使用的是如图12中高亮显示的基本运动功能。这里默认为转动的时间为5秒，通过改变图12中高亮显示的1x处可以改变石磨转动的快慢。图12 基本运动设置仅有运动还不够，还应该用图12左上角中所示的motion分析功能，对运动过程中的位移、速度、加速度等计算分析产生图表出来，便于我们直观地进行分析和判断。对把手上一点进行跟踪轨迹，如图13所示，可以发现其轨迹并非是一个圆形，所以若在人的推力作用下，人的推力不会是一个恒力。图13 点的轨迹跟踪下面仍对把手进行分析，选择如图14中的高亮显示的面，对其进行角位移分析后的曲线图如图13左下角所示，从曲线图可以看出，角位移的变化幅度很大，在大约0到0.6秒的时间内，从165迅速变为-171，这对把手会产生很大的力，因此在后面还应着重对把手进行强度方面的分析。图14 把手的角位移下面对石磨的面进行角加速度分析，如图15左边曲线图所示，线性加速度呈周期性地大幅度变化，应注意其最高点，例如时间约为3秒时，和其最低点，例如时间约为1.5秒时。在后面的强度分析时，时间点可以设置在这两个时刻。图15 石磨线性加速度分析把手传递着全部动力，这里是危险点，对把手进行有限元分析，在时间一栏设置为1.5秒这个时刻点，如图16所示。设置为1.5秒是因为上磨石在这个时刻的线性加速度较大。将时间范围压缩为1.5秒这个点是为了提高系统运算速度。图16 把手有限元分析 对把手进行有限元分析后，出现如图17所示的参数，把手颜色的分布对应的是右边的参数,。由图可见把手最右端受力最小，为58.2，最安全；把手与上磨石结合最左端受力最大，为28583.4，但在把手上分布的范围很小 ，即把手的安全系数符合要求，把手足够安全。图17 把手有限元分析结果 同样，对推杆进行有限元分析，其结果如图18所示，从图中可以看出其危险部分在远离把手靠近推杆端部的杆上，分部范围稍大，所以推件是较把手更易断的部件。图18 推杆有限元分析结果第五章 心得体会 当我做完这个课程设计之时，有些许疲惫，更多的是一种成就感，因为在短短的几个月时间内，我掌握了solidworks的一般使用，能够进行一些三维造型机构和仿真分析。这得益于张晋西老师的悉心指导和平时课堂上对我们用心良苦的锻炼，让我们不但掌握了solidworks的运用，还锻炼了我们展示自我的胆量。在做这个石磨之初，我遇到了很多问题，我通过查阅资料、请教老师和同学、自我反思，逐步解决了这些问题，是对我自身能力的一种提升。这门课程不仅仅有助于我们专业知识的积累，还培养了我