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珐京化工上学硕士学位论文 摇滚式混合机节能设计及其简体组件的强度分析与优化 摘要 摇滚式混合机是一种新型的粉体混合机。具有结构简单、混合 效果好、可大型化等优点，广泛应用于医药、化工、食品等行业， 本文分析了混合机筒体的摆动轨迹，求出了筒体组件摆动功率变化 规律，并对其进行了多筒体节能设计，还对混合机筒体组件进行了 强度分析和优化设计。 本文应用计算软件m a t l a b ，根据矢量方程解析法对摇滚式混 合机筒体组件的摆动轨迹进行了分析，由摆动支架摆角变化求出其 相应的摆动角速度和摆动角加速度，并计算出整个摆动部分的重心 和转动惯量，得到摆动所需功率。然后根据正负功叠加的方法，通 过使用曲拐来设计节能的并联多筒体摇滚式混合机，由程序实现对 各种曲拐角度的试验，找出合功率最大值取极小时的曲拐角度，得 到设计方案。结果表明该设计具有明显的节能效果。 另外，本文采用a n s y s 对筒体组件进行了参数化模型的建立， 通过设定多个参数，计算出筒体等效应力和径向位移，逐步改进各 个参数值，确定了筒体组件的优化方案。最后对摩擦轮的外层橡胶 进行了强度校核。 总之，本文对摇滚式混合机的研究，对它的工程设计及应用生 产提供了一定的理论支持，还为以后此类混合机的研究提供了参 考。 关键词：摇滚式混合机，摆动机构，节能设计，强度分析，优化 北京化工土学硕士学位论文 e n e r g y s a v i n gd e s i g no ft h er o c k i n gm i x e r a n ds t r e s sa n a l y s i sa n do p t l m i z a t i o no fi t s c o n t a i n e rs u b a s s e m b l y a b s t r a c t r o c k i n gm i x e r i san e w - s t y l e p o w d e rm i x e r b e c a u s eo fi t ss i m p l e s t r u c t u r e ，h i g he m c i e n c y ，e a s ys c a l e u p ，i ti sw i d e l yu s e di nt h e p h a r m a c e u t i c a l ，c h e m i c a la n df o o di n d u s t r i e s i nt h i sp a p e r ，t h es w i n g t r a c ko ft h ec o n t a i n e r s u b a s s e m b l yi sa n a l y z e d ，a n dt h ep o w e r r e q u i r e m e n ti sd e s c r i b e d ，t h ee n e r g y s a v i n gp a r a l l e lm u l t i c o n t a i n e r r o c k i n gm i x e ri st h e nd e s i g n e d i na d d i t i o n ，t h es t r e s sa n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o no f t h ec o n t a i n e rs u b a s s e m b l yi sp e r f o r m e d t h es w i n gt r a c ko fm ec o n t a i n e rs u b a s s e m b l yi s a n a l y z e du s i n g t h e c o m p u t a t i o n a l s o f t w a r ema t l a bb a s e do nv e c t o r e q u a t i o n a n a l y s i s ， t h e s w i n ga n g u l a rs p e e d a n d a n g u l a r a c c e l e r a t i o na r e c a i c u i a t e do u ta saf u n c t i o no fs w i n ga n g l e ，a n du s i n gm ec a l c u l a t e d c e n t e ro fg r a v i t ya n dm o m e n to fi n e r t i a ，t h ep o w e r r e q u i r e m e n to ft h e s w i n gm e c h a n i s mi s d e s c r i b e d b ym e a n so fa d d i n gp o s i t i v ea n d n e g a t i v ew o r k ， m ee n e r g y - s a v i n g p a r a n e lm u l t i c o n t a i n e rr o c k i n g m i x e rh a sb e e nd e s i g n e dw i t hs t r e s so nt h ec r a n ka d i u s t m e n t ，a n dt h e o p t i m u mc r a n ka n g i e s h a v e b e e nc a l c u l a t e db yt h ep r o g r a mt o m i n i m i z et h em a x i m u mv a l u eo ft o t a ld o w e r t h er e 8 u l t ss h o wt h a tt h e p a r a l l e lm u l t i c o n t a i n e rr o c k i n gm i x e rs a v e sm u c he n e r g y i na d d i t i o n ，ap a r a m e t e r i z e d3 一df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fm e c o n t a i n e r s u b a s s e m b l yh a s b e e ne s t a b l i s h e d u s i n ga n s y s t h e e q u i v a l e n t s t r e s sa n dr a d i a l d i s p l a c e m e n t i s c a l c u l a t e d ，a n dt h e c o n t a i n e rs u b a s s e m b l yi s o p t i m i z e d f i n a l l y ，t h es t r e s si n t e n s i t yo f f r i c t i o n w h e e li sc h e c k e d b ys t u d y i n gt h er o c k i n gm i x e r ，t h i st h e s i so f 话r ss o m et h e o r e t i c a l s u p p o r tf b rt h ee n g i n e e r i n gd e s i g na n da p p l i c a t i o n ，a n dt h er e f b r e n c e f b rt h er e s e a r c ho f t h j sk i n do f m i x e r 北京化工土学硕士学位论文 k e yw o r d s ： r o c k i n gm i x e r ，s w i n gm e c h a n i s m ，e n e r g y s a v i n g d e s i g n ，s t r e s sa n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o n i i i 北京化工土学硕士学位论文 摆杆组件质量，k g 设计安全系数 计算安全系数 许用应力，m p a 筒体壁厚，m 沿厂方向的c 点的速度m - s 。1 摆动部分重心沿重力方向的速度m s 。1 筒体容积，m 3 物料密度，蚝_ m 。 c d 杆角加速度r a d s 2 摩擦轮支撑筒体的周向角度， 粉体和圆筒内壁的摩擦系数 正应力，p a 切应力，p a c d 杆角度，r a d a b 杆角度，r a d b c 杆角度，r a d c d 杆角速度，r a d s 1 a b 杆角速度，r a d s 。1 b c 杆角速度，r a d s “ 粉体的内摩擦角，。 壁面摩擦角，。 材料特征系数 s 疋瓯t q 屹 矿 p 口 盯 f口鼠岛国 q 仍 吼 矿 北京化工大学学位论文原创生声明 y88 2 29 5 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究：亡作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 一募篷、梅 矽d 绰月多日 北京化工土学硕士学位论文 巅 逛 蜒 堡 混合时间 图i i 粉体混合的典型曲线 1 1 2 影响混合效果的因素及混合度的评价方法 混合程度是指混合物的均匀度或棍合度，均匀度或混合度的好坏是评价混合程 度的重要指标。粉体混合是一个复杂的随机过程，影响混合效果的因素很多，主 要包括物料的物理性质、混合机的结构形式和操作条件三个方面【2 】：物料颗粒的粒 度、密度、形状、表面性质、休止角、流动性、含水量、粘结性等会影响混合过 程；混合机身的形状尺寸、所用搅拌部件的形状尺寸、结构材料、表面加工质量、 进料卸料设置形式等会影响到混合过程；混合料内各组分的多少及物料的填装量， 各组分进入混合机的方法、顺序和速率，搅拌部件和混合机的旋转速度等都会影 响混合过程。目前，还没有一种通用的混合机能用于混合各种粉体 x 北京化工土学硕士学位论文 一根螺旋靠筒壁，一根螺旋往中心靠，改善中心部位混合效果，无底支承出 料方便。其总体混合效果比对称螺旋锥形混合机略好，但混合时间偏长。由于螺 旋轴强度低，易在连轴节处折断，所以对物料比重差异比较敏感度，适用于密度 较小的粉料，最大容积 4 m 3 。 ( 5 ) 有底支承的不对称螺旋锥形混合机 解决了无支承不对称双螺旋锥形混合机限制螺旋直径和螺旋长度的增加以及 转速的提高的问题，能承受的作用力大大高于无底支承结构，因此混合速度和精 度更高，混合机振动小，运转平稳。 一般来说，该类混合机卸料无残留，实际上部分物料滞留在机内螺旋叶片上； 由于锥筒底部位物料很难被机内中心螺旋搅动，简体有死角区存在，死角样品约 为混合物的0 4 【1 5 】；混合温和，粉粒不受破坏：液体添加量比卧式混合机少；其 物料配比一般不低于1 ：l o o 。 另外，有两种常见的带螺旋的锥型混合机，分别是带飞刀双螺旋混合机和带 式螺旋锥形混合机。前者在双螺旋混合机底部增加一组高速转动的飞刀，可解决 双螺旋混合机不能加入粘性易结团物料的问题，但飞刀使物料升温；后者在中心 螺旋的基础上，添加两条旋转螺带，工作时靠带状螺旋将物料向上提升，混合效 果在单螺旋混合机与双螺旋锥型混合机之间，结构紧凑、故障少、价格便宜，但 仅适用于小吨位粉体物料混合，最大容积小于2 m 3 【1 6 】。 2 双螺旋环带式混合机 此类型的混合机主要由机体、螺旋轴、传动部分和控制部分组成。图1 3 为单 轴双螺旋环带式混合机，另外一种构造与其类似。 图1 3 单轴双螺旋环带式混合机 ( 1 ) 单轴双螺旋环带式混合机 内外两条螺旋环带旋向相反，使物料向相反方向流动，通常外旋转运动会压 倒内旋转，这样会导致物料会试图围着混合轴转动，使混合不理想。混和变异系 数c v 7 ，混合时间2 6 m i n 1 7 ，时间长短与混合物料性质有关，装载系数0 r 6 _ o 8 。 北京化工土学硕士学位论文 ( 2 ) 双轴双螺旋环带式混合机 除了物料是端对端移动以外，物料还被退到混合机的中心位置而且不悬浮。 由于物料是前后通过混合机的中心线，所以中心位置混合最佳。与同样规格的单 轴混合机相比，它具有较高的混合质量，混合变异系数c v 5 ，并且混和速度 也有提高，虽然购置费用，维修费都高于单轴，但它实际可节省耗电量4 0 一6 0 【”】。 该类混合机，易出现偏析，不易用于粒度差异大的物料，否则混合时间要加 长，且效果不好。由于主要按照逆流原理进行混合，为减小残留量，外圈叶片与 机壳的间隙应尽可能小，否则集聚物料。 3 犁刀式混合机 此类型的混合机主要由卧式简体、犁浆轴、犁刀和飞刀等组成。图1 4 为犁刀 式混合机。 图l - 4 犁刀式混合机 该混合机工作时，机内混合粉料受旋转的犁刀作用，一部分沿筒壁作圆周运 动，另一部分被抛向筒身中心，或沿犁壁法向方向向筒身两端分散，使犁刀之间 物料进行浮游式和扩散式混合，而流经飞刀的混合粉料，则被高速旋转的飞刀剪 碎，使混合物之间进行剪切和扩散混合。通过犁刀与飞刀的复合作用，混合机内 产生强烈的涡流，粉体完成混合。 犁刀式混合机的混和变异系数c v 5 时，混合时间4 8 m i n 【1 ”，达到c v = 7 ， 约需要3 m i n ，装载系数 所以可添加液体量较多(达30)，由于飞刀的作用还可以添加较粘稠的液体，如 没有这些特殊需要可取消飞刀，减小维修费用。但该机出料不干净，混合容器不 易清扫，易引起各批次之间的交叉污染，若出料底阀采用大开口式，可减少残留量。其物料配比可在1 ：1 0 0 范围内操作。4双轴浆叶式混合机此 类型混合机主要由机体、转子、排料机构、传动部分和控制部分组成。图 1 北京化工土学硕士学位论文 图l 一5 双轴浆叶式混合机 ( 1 ) 双轴浆叶式混合机 该混合机为双轴多浆结构，大部分浆叶与轴成4 5 。，两轴上底浆叶错开分布， 混合机工作时，机体中部一线区域内，两转予反方向旋转形成运动重叠区，物料 被提升起来之后，形成强烈底旋转涡流，在失重状态下底涡流使物料自由运动， 该区域物料充分扩散混合，比其它部位物料要强烈两倍。再加上一根轴左端浆叶 与另一根轴右端浆叶与轴线夹角小于其他浆叶，能使物料获得更大抛幅而加强对 流混合，物料内的速度梯度的分布会引起剪切混合，大大提高了它的混合效果。 双轴浆叶式混合机混合变异系数c v 5 ，最佳可达3 ，满足c v 5 时只需 混合3 0 6 0 s 即可【1 9 】；混合时不产生离析，尤其适用于物料密度、粒度等物性差异 较大的物料；装载量调节范围大，装载系数在0 1 o 6 范围内均可；物料配比可达 1 ：1 0 0 0 0 ：能耗低，比卧式环带式低6 0 ；密闭操作，运转平稳，混合中不破坏物 料的原始物理状态，不污染环境，占地面积小。但该混合机浆叶多，清理不便。 ( 2 ) 翻转式双轴浆叶式混合机 一般无重力混合机采用大开门卸料结构，以减少机内物料残余量，但仍有5 残留，将混合机机箱设计成锥形，机箱上的进料口也是出料口，在迸( 排) 料口 在最上方时迸料，之后混合过程与原混合机相同。混合完成后，由翻转传导系统 驱动混合机体实现1 8 0 。翻转2 0 1 ，卸料结束在翻转回原位置，进行下一批混合。机 内残留量为零且密封良好，无漏料现象，固体物料混合时，机内残留量约为混合 物料的o 0 1 5 f 2 l 】。 ( 3 ) 双轴仿生混合机 与双轴浆叶式混合机相比，双轴仿生混合机改变了传动方式，两个浆叶主轴 采用两个减速器传动，改善主轴受力状况；还改变了浆叶在主轴上的布置方式主 轴每转3 0 。设置一个浆叶，1 2 个浆叶在主轴方向布置成3 6 0 。，两根方轴上的浆 叶同方向布置，错开9 0 。，加快混合室内四角物料对流速度。混合6 0 s 后，c v 达3 7 ，混合9 0 s 后，c v 达1 _ 3 ；还把浆叶杆在主轴上的固定结构改为可拆结构， 7 北京化工土学硕士学位论文 筒体的旋转将物料形成抛散，形成物料的三维运动。 摇滚式混合机的混合精度及混合时间与混合机大小有关，由图【3 混合变异系 数c v 值 1 ，但混合时间较长，一般要大于1 5 i n i n ，装载系数o 5 0 6 ；容器每分 钟摆动次数容器每分钟自转转数= 1 8 时最好【2 4 1 。该混合机运动平稳，可大型化， 目前已生产出了2 0 m 3 的规格。 ( 2 ) 摇摆式混合机 此混合机主要由筒体、主动轴、从动轴、左摆叉、右摆叉、电机等组成，如 图1 8 所示。 图1 - 8 摇摆式混合机 摇摆式混合机是一种新型高效粉体混合设备，是一个空间六连杆机构，主动 轴与从动轴互相平行，其余相邻转动副的轴线则相互正交，当主动轴以等速回转 时，从动轴则以变速朝相反方向旋转，从而使筒体同时具有平移、自传和翻转运 动，达到极好混合效果。 此混合机混合变异系数c v 可达o 1 f 2 5 】，混合时间极短，容器容积利用率高， 装载系数可达0 9 【2 6 1 以上，可消除离心力影响，物料密度、粒度等物性差异较大的 物料也能在很短的时间内混合；由于无任何叶片或螺旋等搅拌装置发生剪切摩擦， 无温升现象，可用于升温后会发粘结块或升温后会引起爆炸和烟火等危险物料； 又因无剪切力作用可确保混合物料颗粒的完整性并且全封闭式，物料卫生。但是 混合流动性较差的粉体时，要延长混合时间；对含水率和结团性较大的粉体，单 独使用此混合机不是很理想，可以加入一些对物料不产生影响的磨介( 如钢球， 钢玉球等) ，也能达到混合要求。 综上所述，各种混合机有着各自的优缺点，了解它们的工作特点及性能，有 利于使用者做出更准确的选择。排料干净，占地面积小多考虑悸橇交旌匣螺旋 锥形混合机等) ，添加液体较多时可考虑卧式混合机( 双螺旋环带式、犁刀式、无 北京化工太学硕士学位论文 使物料进行抛洒，达到理想的混合效果。筒体由它底部的摩擦轮支撑、带动旋转 筒体的外面有两圈挡板，挡轮与挡板接触防止筒体的轴向移动。 1 4 论文选题的目的和意义 随着我国医药行业的飞速发展，中西药品的粉粒复方制剂日渐增多，尤其是 含微量有毒、剧毒和珍贵名药材的复方制剂更是品种繁多，那么，如何使药物各 组分在不同成分，不同比重，不同数量的配方制剂中混合均匀、色泽一致，保证 其含药量的准确，己成为医药制剂生产中至关重要的一个环节，粉体混合质量起 着关键的作用；玻璃原料的混合，是为玻璃池窑内熔融反应配制合适的化学成分； 耐火材料的混合，则是为了制备最紧密填充状态的颗粒配合料，以便获取所需强 度；军工中可以混合乳化炸药基质。粉体混合单元操作还应用于食品、电子、饲 料、化工、涂料、建材、塑料等诸多领域，它起着越来越重要的作用，尽管人们 在这几十年来掌握了一些的粉体混合技术，但是粉体混合过程的复杂性和多样性， 至今“颗粒物质的混合过程与其说是一门科学，倒不如说是一门艺术”【l j 。而我国 从事混合研究的人员又很少，所以对混合机进行理论研究是很必要的。本课题的 目的就是为目前新型粉体混合机的代表之一一摇滚式混合机进行节能设计并对它 的简体组件进行强度分析与优化，为它的生产提供一定的理论上的依据和结构上 的改进，有助于使它以更节能的形式，更合理的结构，更经济的生产费用完成粉 体混合，在推动此类混合机自身发展的同时，使其更广泛的应用于各行业，促进 与粉体混合相关的其它行业的发展。 1 5 论文的研究方法 论文的研究部分主要有两方面的内容，一是在分析混合机简体摆动轨迹的基 础上，进行多简体节能设计，另外就是应用a n s y s 对筒体组件进行强度分析和优 化设计。 混合机筒体摆动轨迹的分析主要参照机械原理知识来计算，分析机构运动的 方法主要包括两种：图解法和解析法。用图解法作机构的运动分析，虽然比较形 象直观，但是从现代科学技术和工业发展的要求来看，不仅精度较低，费时较多， 而且也不便于把机构分析问题和机构综合问题联系起来，正因为如此，随着科学 1 2 北京化工大学硕士学位论文 技术的发展，在机构运动分析方面，解析法得到越来越多的应用。平面机构运动 分析的解析法包括矢量方程解析法和矩阵法等多种方法，这里应用矢量方程解析 法来计算，根据原动件的已知运动情况，求该机构其它构件上某些点的位移、轨 迹、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度等，可以清晰的 表示出整个机构的运动。 在进行了机构运动分析之后，应用理论力学的相关知识，对混合机摆动机构 的功率消耗进行求解，并通过使用曲拐对摆动机构进行节能设计，实现对各种曲 拐角度的试验，找出合功率最大值取极小时的曲拐角度，这需要进行烦杂的运算， 可以应用目前国际认可的( i e e e ) 的最优化的科技应用软件m a t l a b 来完成，因为 它语法规则简单、容易掌握、调试方便，调试过程可以设置断点 x 北京化工土学硕士学位论文 计算出整个摆动部分的重心和转动惯量，得到摆动所需功率；然后根据功率消耗 的变化规律，通过使用曲拐来设计并联多简体摇滚式混合机，进行多简体节能设 计。 3 学习粉体和橡胶的相关内容，建立筒体组件的非线性参数化有限元模型， 用a n s y s 对混合机的简体组件进行受力分析，并通过改进影响筒体的强度和径向 位移的相 北京化工土学硕士学位论文 第二章并联多简体摇滚式混合机节能设计 本章应用计算软件m a t l a b ，根据矢量方程解析法由摆动支架摆角变化和摇 臂的摆动角速度，求出其相应的摆动角速度和摆动角加速度，分析了混合机筒体 的摆动轨迹；计算出整个摆动部分的重心和转动惯量后，得到摆动所需功率：然 后根据正负功叠加的方法，通过使用曲拐来设计并联多筒体摇滚式混合机，由程 序实现对各种曲拐角度的试验，找出合功率最大值取极小时的曲拐角度，得到并 联双筒体、三筒体和四简体的设计方案，并给出并联双筒体的结构图。 2 1 摇滚式混合机摆动机构分析 2 1 1 摆动机构的四连杆简化 以目前已经应用于工程实际的y h 1 0 0 0 0 型混合机为例，按照其尺寸进行分析 设计。摇滚式混合机的摆动机构包括摇臂、连杆、摆动支架( 简体在支架上，随 摆动支架运动) ，可以简化为四连杆机构，如图2 1 所示，a 点和d 点固定，a b 为摇臂，b c 为连杆，c d 为摆动支架，设z 、y 轴，目、岛和幺。应用矢量方程解 析法根据摆动支架( c d 杆) 摆动角度变化和摇臂( a b ) 的角速度，求出四连杆 位置、角速度和c d 杆角加速度，最后得出功率消耗变化。 图2 1 摆动四连杆机构 1 6 北京化工土学硕士学位论文 时针方向计量为正。a b 杆为主动件 分布方程： + 云= + 阅 由它带动其它各杆运动，机构各杆构成矢量 ( 2 1 ) 由p 的变化求出a b 、b c 杆角度日、岛，再由a b 杆角速度q ，求得b c 、c d 杆 的角速度、国，c d 杆角加速度盯。 1 a b 、b c 杆角度 由式2 1 ，得： 云= + i i ( 2 2 ) 对等式两边点积有： f 2 2 = 2 + f 4 2 + 2 + 2 l c o s p 一2 2 3 c o s ( p b ) 一2 f 4 c o s 舅，整理得： 2 s i n p s i n 研+ 2 ( 厶c o s 口+ f 4 ) c o s 瞑+ 一2 毛c o s 日+ f 2 一一如一f 4 = o ( 2 3 ) 解方程得a b 杆角度： m n ( 鼠2 ) ：( 嚣吾f 五孑二万) ( 日一置) ( 2 4 ) 其中e = 2 f l f 3s i n 口 日= 2 ( c o s 护+ f 4 ) 彤= 一2 f 3 f 4c o s 口+ z 2 2 一2 一f 3 2 一f 4 2 同理有i = 云+ t 一云 ( 2 5 ) 对等式两边点积有： 2 = 2 + f 4 2 + f 2 2 + 2 f 3 2 4 c o s 疗一2 f 2 f 3 c o s ( p 一巴) 一2 f 2 f 4 c o s 岛，整理得： 2 f 2 f 3 s i n 6 b i n 岛+ 2 f 2 ( f 3 c o s 口+ f 4 ) c o s 岛+ 一2 l f 4 c o s 口+ 一f 2 一一f 4 = o ( 2 6 ) 解方程得b c 杆角度： m n ( 睦2 ) = ( m m 2 + 2 一q 2 ) ( 一q ) ( 2 7 ) 其中m = 2 f 2 s i n 口 = 2 j 2 ( f 3 c o s 护+ f 4 ) q = 一2 毛f 4c o s 日+ 2 一f 2 2 一f 3 2 一f 4 2 北京岱壬毒壁窆耋埔蠢参薯 i ；器蠹囊签篓錾菲强羹嚣鏊鍪鬻翌錾荔餮蒸篓冀萎硝羹囊 揖翼薹爷”美骘囊黼妻登熏踅蛰矍嚣明堕霎葚窘墨：矛薯钱蔓酲蹲蘩蠢基 璩韪芦而嚣薛砸咱笔勤。篓雾蓬黧甄妻藕笔萋；嚣躞覆窨菸叛拇啡明骥j 缓舞鬟 丝孽篓誊委鸶蘑酴翳秘錾； ； ； 锫谍蓐甄1 i 亩静棘到耍帏 ! ! 蔷稂式行巍蒜萋 萋耄囊墓誊啦移麓鬟留臻篇跨霪；籀巍毯茚黧矍囊髫鞲萋蔷爵匦受；塾i 一 荤催憔猫餐巡懑晖爱霪坦军；蠕净帑謦生魏霉冀擎蓉j ；r 壁囊擘誊婴嵇崩，誊茄 i i 矍囊鞲叛瑟稚艇矍 薹嚣羹弹霎蔷篓蓊誊扑鞘罚；矗秆辕酶昨明邺媸酽鬻算复篓霉譬萋；嚣毒 篓誊蕈鼋学。矗簿臻羲交强鬃霪i 削霪彰餮 x 北京化工大学硕士学位论文 码薯 x = = l 一 m ， m ，m y = 上 豫 ( 2 1 6 ) 求得摆动部分固有物件关于其各自重心的转动惯量( ，) 后，根据平行移轴 公式2 一1 7 得到它们关于d 点的转动惯量，值为1 0 4 9 2 k g m 2 。 l ，= 一+ ( 薯+ 咒) 2 m 。 ( 2 1 7 ) # l 由于物料与简体有相对运动，其重心和转动惯量在摆动过程中不断变化。忽 略简体旋转对粉体的影响，根据c d 秆角速度和角加速度变化，参照粉体般性质， c d 杆与水平方向夹角由0 。到2 0 0 之间物料的粉体大致分布，如图2 5 所示，由此 得粉体大概的重心位置，如表2 一l 所示，在得到物料相对于重心的转动惯量后，同 样根据平行移轴公式得至物料相对于d 点的转动惯量，如表2 - 2 所示。 4 d 一 霪 图2 5c d 杆与水平方向夹角由o 。到2 0 。之间物料大致分布 表2 1c d 杆与水平方向夹角由o 。到2 0 。之间物料的重心位置 角度( 。) o123456 x m0o，0 0 2 5- 0 0 8 4 o 1 1 70 1 5 30 1 9 1 1 m 1 _ 2 2 71 2 1 41 2 0 1 1 8 11 1 5 91 1 3 51 1 1 1 角度( 。) 789 1 01 11 21 3 x ，mo 2 3 0一o 2 7 10 3 1 40 t 3 5 8 0 3 8 40 5 7 7一o 6 2 8 ， 1 0 8 71 0 6 61 0 0 50 9 9 9o 9 9 lo 9 8 3o 9 7 7 角度 6 0 。) 容易老化，温度过 低又会变硬、脆化。所以本文采用的橡胶外层要与金属硫化结合，能很好的防止 老化。 目前用于胶辊的橡胶主要有氯丁橡胶、丁氰橡胶和聚氨酯橡胶。氯丁橡胶具有 耐热、耐燃、耐油、耐酸碱和耐候性等优点，尤其适用于暴露与室外的地方。除 此之外它与极性基材( 如金属材料) 粘合性好。丁氰橡胶最突出的优点是耐油性， 其它性能略为逊色，也有较好的耐磨性和耐燃性。聚氨酯橡胶具有强度高、耐磨、 耐油、耐臭氧、吸振等多项优良性质，是一种新兴的高性能胶辊材料，它的不足 北京化工土学硕士学位论文 之处是耐湿热不好，并且成本高。本文选用氯丁橡胶，它的各项性能较好，也是 三种橡胶中最便宜的。 它的泊松比为o 4 9 ，密度为1 2 3 0 k g 皿一，工业用胶辊的橡胶硬度在8 0 a 1 0 0 a 之间，厚度在o 0 2 m o 0 4 m 之间口7 1 ，本文取硬度9 0 a ，从 3 8 中可见橡胶层的厚度 值应取的大些，本文取橡胶层厚度0 0 4 m 。 摩擦轮内轮和挡轮材料选4 5 号钢，它是中碳优质碳素钢，强度较高塑性尚好， 经处理还有较好的机械性能。它的弹性模量为2 1 0 5 m p a ，泊松比为o 3 ，密度为 7 8 5 0 k g m 3 。 筒体的基本尺寸在2 2 中已经说明，另外挡轮、挡板、摩擦轮等部分的尺寸 如下： 挡轮外径：o 2 2 m 挡轮内径：o 1 m 挡轮高：o 0 7 5 m 挡板高度：o 0 8 5 m 挡板厚度：o 0 1 2 m 支撑肋板厚：0 0 1 m 摩擦轮内层内径：o 1 3 m 摩擦轮外径：o 4 8 m 图3 1 简体模型结构图 根据参数化建模的思想，在不改变模型原来位置关系的前提下，通过参数变量 值的修改，来建立和分析一个新的模型。本文以y h 1 0 0 0 0 型混合机为例进行分析， 图3 1 标出了4 个参数，摩擦轮靠边缘位置距简体同边端点的轴向距离l 。、摩擦 3 2 北京化工大学硕士学位论文 轮支撑简体的周向角度p 、摩擦轮轴向长度l 。和简壁厚6 ，先根据l 。和p 确定摩擦 轮的支撑点，再确定合适l b 和6 值，最后根据应力分布情况局部加厚筒体。 3 1 2 计算软件介绍 本论文采用美国a n s y s 公司开发的软件产品a n s y s ( 版本9 0 ) 对混合机简 体进行应力和变形的计算与分析。a n s y s 软件是国际知名的融结构、热、流体、 电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，该软件9 0 年代开始在我国的机械 制造、航空航天、汽车交通、铁道、石油化工、能源等领域得到应用，为各领域 中产品设计、科学研究做出了贡献。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理 模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模 型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分 析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分 析，可模拟多物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模 块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体 切片显示、透明及半透明显示( 可以看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可 将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 有限元分析是项复杂而又细致的工作，分析人员不仅需要具有扎实的力学 和有限元知识，还需要丰富的经验和较强的分析能力，任何细节的忽略可能会带 来很大的误差甚至造成谬误。面对一个需要分析的对象，如何将它从其复杂的工 作环境中抽象出来，如何在保证对构件的有效模拟，进行简化而不影响计算精度， 网格细化到什么程度才能使模型的分析结果接近或收敛到正确的结果等等，这一 系列问题必须认真考虑。有限元分析的流程如图3 2 所示。 由图3 一l 可见混合机筒体组件模型比较简单，所以建模过程相对容易，但分析 中设计到与摩擦轮、挡轮与简体接触的非线性( 并且对筒体的所用约束都依靠接 触来限制) 和摩擦轮外层的橡胶材料所带来的材料非线性，这增加了分析的难度。 北京化工太学硕士学位论文 图3 2 有限元分析流程示意图 3 1 3 材料与状态非线性分析 确定橡胶弹性体材料的非线性特征是困难的，但应变能密度用于大弹性变形 的几种本构理论已经发展起来并己用于超弹性材料。这些本构方程主要有两类： 第一类认为应变能密度是主应变不变量的一个多项式函数，当材料是不可压缩时， 这个材料模型通常被称作r i v l i n 材料，如果仅仅一次项被采用，模型被称为 m o o n e y m v l i n 材料；第二类认为应变能密度是三个主伸长率的独立函数，如 o g d e n ，p e n g l a n d e l 和p e n g 材料模型。对弹性体的非线性应力分析来说， m o o n e y r i v l i n 应变能函数是适用最广泛的本构方程关系。 选用r i v l i n 模型，橡胶材料的应变能密度函数是变形张量不变量，、， 、 的函数4 们，即= ( ，厶，厶) 根据橡胶材料的不可压缩性，即厶= l ，矿可以用v l i n 推导的变形张量不变 量级数形式表示：= q “一3 ) ( ，2 3 ) 。，式中q 是力学性能常数。不可压缩橡 胶材料的m o o n e y 一鼬v l i n 模型为矿= c 1 一3 ) + c 2 仉一3 ) ，式中c l 和c 2 为力学性能 北京化工点学硕士学位论文 筒体与摩擦轮和挡轮的接触虽然理论上是线接触，但实际的变形会引起窄面 接触，所以采用面面接触，在涉及到两个面的接触问题中，很自然把一个边界作 为“目标”面而把另一个作为“接触”面，“目标”面总是刚性的，“接触”面总 是柔性面，这两个面合起来叫做“接触对”。面一面接触单元有好几项优点：支持 低阶和高阶单元；支持有大滑动和摩擦的大变形，协调刚度阵计算，单元提法不 对称刚度阵的选项；提供工程目的采用的更好的接触结果，例如法向压力和摩擦 应力；没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须允许有自然的或网 格离散引起的表面不连续；允许多种建模控制，例如：绑定接触，渐变初始渗透， 平移接触面，支持死活单元等。 3 1 4 应用单元 筒体壁厚与直径比值很小，分布于筒外壁的挡板也很薄，简体部分采用壳单 元进行建模；摩擦轮和挡轮都采用体单元进行建模。 a n s y s 提供的s h e l l 4 3 、s h e l l 6 3 、s h e l l 9 3 以及5 5 版开始新增加的s h e l l l4 3 和s h e l l l 8 1 单元都能很方便地用于薄壁结构 x 北京化工土学硕士学位论文 s h c l l l 8 1 、s h e l l 9 1 、s h e l l 9 3 和s h e l l 9 9 是“厚”壳单元，包含弯曲、薄膜和横向剪 切效应，符合r e i s s n e r 舢i 1 1 d l i n 理论，横向剪切被表示为整个厚度上的常剪切应变， 这种一阶近似适用于“中等厚度”壳体。 由于筒壁要与摩擦轮接触，挡板要与挡轮接触属于非线性问题，只要可能， 对非线性问题建议采1 8 x 单元，因为：最新的单元技术和1 8 x 单元结合，包括b - b a r 、 u r j 、增强应变和混合u p 。1 8 x 系列的单元技术和材料技术分开，这些单元具有 丰富的本构模型，这也有助于缩小单元选择的范围，所以选用s h e l l l 8 1 单元， s h e l i l 8 1 单元结构如图3 ，3 所示。 s h e l l l 8 1 单元适合分析薄和中厚壳，每个单元有4 个节点，每个节点有6 个自 由度，沿节点坐标系x 、y 、z 方向的平动和沿节点坐标系x 、y 、z 轴的转动。 它适用于线性和大转角、大应变等非线性的应用。单元需要定义的主要材料常数 有杨氏弹性模量( e x ，e y ，e z ) 、泊松比( n u x y ，n u y z ，n u x z ) 和密度( d e n s ) 等；输出结果主要有节点各个方向的应力、应变、位移、主应力、主应变、压力 以及相应的单元导出解等。 图3 3s h e l l l 8 1 单元结构图 挡轮采用s o l i d l 8 5 单元，也是基于1 8 x 单元适合于非线性分析，s o l i d l 8 5 单 北京化工太学硕士学位论文 幽d 蝴铀i i k 戤d p _ r c 4 ) z 1 ) kl 4 丁猷阻h e d r 剐0 叫喃 f n o 【r e 。嗍e n d e d l 图3 5h y p e r 5 8 单兀结构图 由于分析中要涉及到接触问题，所以还必须要有接触单元，根据分析模型及 计算所选择的单元类型，选择合理的接触单元，由于是三维模型，刚性目标商采 用t a r g e l 7 0 来模拟，柔性目标面采用c o n t a l 7 3 来模拟。 t a 唱e 1 7 0 单元和c o n t a l 7 3 单元结构分别如图3 6 和图3 7 所示。珊g e l 7 0 覆 盖在s h e e l l 8 1 表面，c o n t a l 7 3 覆盖在h y p e r 5 8 和s o l i d l 8 5 表面形成一个接触对， 共用同一个实常数，c o n t a l 7 3 输出结果主要有节点各方向的应力、应变、位移、 主应力、主应变、压力以及相应的单元导出解等。 c 。m 矗醇日料n e m n 。f a l7 3o r e o n t a 一7 4 图3 6i 砘e 1 7 0 单元结构图 够。一誉警罨 北京化工土学硕士学位论文 图3 7c o n t a l 7 3 单兀结构图 在给单元加载过程中，可能需要施加一个所使用的单元不能接受的表面载荷。 例如：有时可能需要在结构实体或壳单元上施加均布切向( 或者任何非法向，或定 向) 压力；在热分析单元上施加辐射指定等。在这些情况下，可以适用表面作用单 元覆盖所要旌加载荷的表面，并用这些单元作为“管道”施加所需的载荷。对于 三维面单元，可以采用s u r n 5 2 和s u r n 5 4 单元，这里采用s u r f l 5 4 进行加载，通 过使用不同的单元面号来施加不同类型的载荷，s u r f l 5 4 单元结构如图3 - 8 所示。 图3 8s u r n 5 4 单元结构图 畦京化工土学硕士学位论文 3 1 5 参数化有限元模型 本文通过对筒体水平和摆动到最大角度( 2 0 。) 的两个极限位置来分析它的应 力和位移，由于简体运动时都处于两者位置之间，所以只计算、优化这两种情况。 筒体水平的有限元模型如图3 9 所示，简体摆动到最大角度的有限元模型如图3 一l o 所示。 图3 9 筒体水平的有限元模型图 图3 1 0 筒体摆动到最大角度的有限元模型 3 2 载荷与位移边界条件 3 2 1 粉体力学知识发展现状 液体容器中，压力与液体的深度成正比，同一水平面上的压力相等，而且帕 斯卡原理和连通管原理成立，但是对于粉体容器却完全不同。英i 虱学者j a n s s e n 在 研究无内聚力粉体材料在圆柱筒仓内应力分布中，提出一近似方法，他基于如下 假设：容器内的粉体层处于极限应力状态；同一水平面的铅垂压力相等；粉体的物 性和填充状态均一。 如图3 1 1 所示的圆筒容器的粉体，取很薄的一层a b c d 来进行研究，当作用 于这个圆片上的力处于平衡时，有： 三d 1 2 p + 三d 1 2 ，9 鳓= 三d 1 2 佃+ 印j + 玎d 1 印砌1 ( 3 1 ) 其中：d 1 为圆筒形容器的直径 为粉体和圆筒内壁的摩擦系数 北京化工太学硕士学位论文 p 为填充粉体的密度 七为比例系数，是把水平应力转换为垂直应力的常数，i ：；! = 堕，存在 l 十5 z 口 水平应力盯= 妇，摩擦应力f = 如，= 胁n 钆的关系 仍是粉体的内摩擦角 是壁面摩擦角 a i 毡 c d p _ ：_ ：_ ：曩0 _ t f 蚓07 一i b ：下女眵j t 心 t m # 卜_ 卜 1d 0 ：p + d p 0 f d 阢i ? _ p _ ：_ ：_ ： 曩0 _ t f 蚓07 一 i b：下女眵j t心tm # 卜_ 卜 1 d 0 ：p + d p 0f d 阢i ? _ 北京化工土学硕士学位论文 j 9 图3 - 1 2 水平圆柱截面粉体受力图 通过对不同填充率和不同转速的圆筒混合机的混合状态实验研究表明简体旋 转速度较慢和筒体停止旋转后，粉体基本都会保持它的安息角状态【9 1 。会引起简体 受压的不平衡，如图3 1 3 所示。简体摆动到最大角度时，物料除了具有图3 1 3 的 情况之外，由于简体摆动使物料有集中在一端的趋势，也会引起筒体受压的不平 衡，如图3 1 4 所示。 图3 1 3 简体旋转粉体的分布图3 1 4 筒体摆动时粉体的分布 通过求得的t 值，根据筒体及粉体所处的两种状态对筒体进行加载，简体水平 时，确定切应力方向后直接按照公式计算，并对锥体部分进行等效简化即可：对 于简体倾斜时，可以把g 进行矢量分解，g c o s 2 0 。部分与筒体水平时计算方法相同， 只是把g 换成g c o s 2 0 。对于g s i n 2 0 。的方向，虽然有比较复杂的计算公式，但对 于整个筒体的分析来说，这部分力要小的多，所以计算时按照直立放置简体的近 似算法。 计算中取粉体的内摩擦角为3 5 0 ，安息角为3 0 。，壁面摩擦角为1 0 。 另外，简体的自重也要计算在内。 北京化工点学硕士学位论文 3 2 3 位移边界条件 简体的约束是由摩擦轮和挡轮与它的接触控制的，所以整个模型的位移约束 就施加在摩擦轮的最内圈以及挡轮的内圈，主动轮和挡轮是全约束，从动轮只约 束径向和轴向。从图3 1 0 简体水平的有限元模型图可见并没有出现挡轮，因为在 筒体水平时，它没有轴向移动的趋势，挡轮基本上是不起作用的，所以为了简化 模型，将其去掉，在与挡轮接触的挡板上增加一个轴向位移约束即可，不会影响 最后的分析结果。 北京化工土学硕士学位论文 表4 一l 简体