玉米青贮机滚筒式切碎装置的设计与有限元分析
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摘要
青贮玉米作为一种优质青贮饲料,是发展畜牧业生产的重要物质基础。而作为其加工设备的切碎等装置研究就十分必要,具有重要的理论意义和使用价值。本文在理论分析的基础上,运用数学分析的方法,分析了动刀切割回转角、推挤角和摩擦角,建立了滑切角与上述结构参数的关系,得出了切割滚筒最大回转半径、滚筒长度和定刀配置高度,设计了玉米青贮机滚筒式切割装置的工作部件及其结构尺寸。
在对玉米青贮机滚筒式切割装置的工作部件设计的基础上,对青贮机的动刀、主轴和滚筒衬套等主要工作部件进行了理论上的受力分析,并提出分析结论。同时运用有限元方法及有限元软件ANSYS对各个主要工作部件进行静力学特性或动力学特性分析。
1、通过对动刀的有限元分析得出,动刀切割玉米秸秆时,刀刃两端应力集中和变形严重,动刀螺栓孔处的应力集中与分布也很明显。用有限元分析比较了不同螺栓孔数和不同螺栓孔位置尺寸的动刀受力和变形图,通过与理论设计动刀的分析对比,得出理论设计动刀结构尺寸较为合理。
2、通过对主轴与键联结推动滚筒旋转的有限元分析得出,离心力的存在使主轴和衬套联结面出现径向间隙。由于是偏心旋转,径向变形和位移是非均匀的,主轴旋转产生的间隙会增大滚筒的振动,影响其切割质量和安全。
3、主轴与键过盈配合传递扭矩的有限元分析属于非线性接触分析,主轴与键过盈配合传递扭矩时,键槽的应力集中较为明显,说明主轴传递扭矩时,键槽位置最容易变形损坏。
4、主轴的动态特性主要是由少数低阶模态所决定,通过对主轴的振动频率和低阶振型图分析得出,提高主轴转速,主轴的低阶频率呈上升趋势,使得整个滚筒系统的动态特性得以不断改善;同时分析还得出,主轴的约束方式对主轴的动态特性影响也非常明显,两端轴承支承的低阶频率明显高于一段支承形式的低阶频率,这说明合理的支承方式可以有效的改善主轴的振动。
通过有限元分析,证明了理论分析结论的正确性,从理论上证实了玉米青贮机滚筒式切割装置各个工作部件结构尺寸设计的合理性。本文把传统的机械设计和先进的现代设计方法相结合,提高了机械设计的效率,使计算机技术在农业机械设计中得到充分发挥和运用。
As one kind of high quality ensilage green fodder, corn silages have the vital significance for the development of animal husbandry. On the basis of study of straw stalk cutting theory and experiments domestic and abroad, the article analyzes rotation angle, pushing angle and friction angle of blade cutting, establishes relations of slippery tangential angle and design parameter above by mathematical analysis, obtains biggest radius of gyration, cylinder length and disposition altitude of blade according to the silage corn harvest's actual request, also designs working parts and structure size of roller shredding mechanism for Silage maize harvester.
By what discussed above I analyze important working parts force such as blades, axis ,cylinder and so on, carry on the static or dynamic characteristic analysis with the finite element method and ANSYS software.
1. The finite element analysis of blade shows that both cutting edges of the blade develop stress concentration and serious deformation, area near the bolt hole emerge obvious stress concentration and the distribution. By comparing the blade force and deformation pattern with various bolt-hole number and site through finite element analysis, and comparing blade with the theoretical design, the conclusion is found: the structure size of theoretical blade design is more reasonable.
2. The finite element analysis of the spindle and the key joint which impetus cylinder revolving shows that centrifugal force causes presents the radial clearance between the spindle and the bushing joint surface. Because of biased revolving, radial direction deformation and displacement are inhomogeneous, the gap produced by the spindle revolving will increase cylinder vibration, affect its cutting quality and the security.
3. The finite element analysis of the spindle and the key interference fit joint belongs to nonlinear contact analysis, keyway stress concentration is more obvious when they transmit torque, which shows keyway position is easier to be distorted and damaged.
4. Spindle's dynamic characteristic is mainly decided by the minority low-order mode, by analyzing low-order frequency vibration chart, spindle's low-order frequency assumes the trend of escalation and causes the entire cylinder system's dynamic characteristic to be more improvement; when the spindle speed enhances, and simultaneous analyzes also shows spindle 's dynamic characteristic influence greatly by spindle's restraint way, low-order frequency of both sides spindle support is higher than one side, which explains that proper support way has the effective improvement to spindle's vibration.
The finite element analysis has proved the theoretical analysis conclusion is reasonable-structure size of working parts for roller shredding mechanism for silage maize harvester is reasonable in the light of theory. This thesis unifies the traditional machine design and advanced modern design method, enhances the machine design efficiency, enables computer technology to obtain full display in the process of machine design.
在对玉米青贮机滚筒式切割装置的工作部件设计的基础上,对青贮机的动刀、主轴和滚筒衬套等主要工作部件进行了理论上的受力分析,并提出分析结论。同时运用有限元方法及有限元软件ANSYS对各个主要工作部件进行静力学特性或动力学特性分析。
1、通过对动刀的有限元分析得出,动刀切割玉米秸秆时,刀刃两端应力集中和变形严重,动刀螺栓孔处的应力集中与分布也很明显。用有限元分析比较了不同螺栓孔数和不同螺栓孔位置尺寸的动刀受力和变形图,通过与理论设计动刀的分析对比,得出理论设计动刀结构尺寸较为合理。
2、通过对主轴与键联结推动滚筒旋转的有限元分析得出,离心力的存在使主轴和衬套联结面出现径向间隙。由于是偏心旋转,径向变形和位移是非均匀的,主轴旋转产生的间隙会增大滚筒的振动,影响其切割质量和安全。
3、主轴与键过盈配合传递扭矩的有限元分析属于非线性接触分析,主轴与键过盈配合传递扭矩时,键槽的应力集中较为明显,说明主轴传递扭矩时,键槽位置最容易变形损坏。
4、主轴的动态特性主要是由少数低阶模态所决定,通过对主轴的振动频率和低阶振型图分析得出,提高主轴转速,主轴的低阶频率呈上升趋势,使得整个滚筒系统的动态特性得以不断改善;同时分析还得出,主轴的约束方式对主轴的动态特性影响也非常明显,两端轴承支承的低阶频率明显高于一段支承形式的低阶频率,这说明合理的支承方式可以有效的改善主轴的振动。
通过有限元分析,证明了理论分析结论的正确性,从理论上证实了玉米青贮机滚筒式切割装置各个工作部件结构尺寸设计的合理性。本文把传统的机械设计和先进的现代设计方法相结合,提高了机械设计的效率,使计算机技术在农业机械设计中得到充分发挥和运用。
As one kind of high quality ensilage green fodder, corn silages have the vital significance for the development of animal husbandry. On the basis of study of straw stalk cutting theory and experiments domestic and abroad, the article analyzes rotation angle, pushing angle and friction angle of blade cutting, establishes relations of slippery tangential angle and design parameter above by mathematical analysis, obtains biggest radius of gyration, cylinder length and disposition altitude of blade according to the silage corn harvest's actual request, also designs working parts and structure size of roller shredding mechanism for Silage maize harvester.
By what discussed above I analyze important working parts force such as blades, axis ,cylinder and so on, carry on the static or dynamic characteristic analysis with the finite element method and ANSYS software.
1. The finite element analysis of blade shows that both cutting edges of the blade develop stress concentration and serious deformation, area near the bolt hole emerge obvious stress concentration and the distribution. By comparing the blade force and deformation pattern with various bolt-hole number and site through finite element analysis, and comparing blade with the theoretical design, the conclusion is found: the structure size of theoretical blade design is more reasonable.
2. The finite element analysis of the spindle and the key joint which impetus cylinder revolving shows that centrifugal force causes presents the radial clearance between the spindle and the bushing joint surface. Because of biased revolving, radial direction deformation and displacement are inhomogeneous, the gap produced by the spindle revolving will increase cylinder vibration, affect its cutting quality and the security.
3. The finite element analysis of the spindle and the key interference fit joint belongs to nonlinear contact analysis, keyway stress concentration is more obvious when they transmit torque, which shows keyway position is easier to be distorted and damaged.
4. Spindle's dynamic characteristic is mainly decided by the minority low-order mode, by analyzing low-order frequency vibration chart, spindle's low-order frequency assumes the trend of escalation and causes the entire cylinder system's dynamic characteristic to be more improvement; when the spindle speed enhances, and simultaneous analyzes also shows spindle 's dynamic characteristic influence greatly by spindle's restraint way, low-order frequency of both sides spindle support is higher than one side, which explains that proper support way has the effective improvement to spindle's vibration.
The finite element analysis has proved the theoretical analysis conclusion is reasonable-structure size of working parts for roller shredding mechanism for silage maize harvester is reasonable in the light of theory. This thesis unifies the traditional machine design and advanced modern design method, enhances the machine design efficiency, enables computer technology to obtain full display in the process of machine design.
引文
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