基于有限元法的搅拌机改进

李悦 张印 张寒

摘要：针对现有的搅拌机实施改进策略，在改进过程中既要兼顾新型改进的需求，改善原有搅拌机中的不足之处，又要最大限度使用原有搅拌机的零件，以加快进度、降低成本、提高效率为设计目标，得出一个新型搅拌机的改进方案。运用有限元法对改进后的搅拌机中的主要部件进行分析，从而提高新型搅拌机的优越性。本文通过有限元法的分析，设计新型搅拌机的虚拟样机。

关键词：有限元法;搅拌机;改进

1原有搅拌机存在的不足

1.1原有搅拌机中电机传动或齿轮的位置存在漏油现象，原因是润滑的形式不是润滑脂润滑;再加上电机传动的形式不准确，并且安装精度又不高，因此会出现在搅拌机工作时发生漏油情况。

2.2原有的搅拌机在工作时产生的噪音可以达到70～90dB，并且伴随振动。出现噪音和振动的原因：一是传动轴出现了问题，直线度没有做校正处理或没有处理好;二是分散盘的高速旋转，转动速度达到临界值产生了共振;三是齿轮不对称传动而产生的噪音。

3.3由于搅拌机的工作部分为高速运转的齿轮等零部件，所以长期高速运转的密封部件易导致搅拌机损坏。

2新型搅拌机的改进设计需求与方案

2.1新型搅拌机的改进设计需求

为降低改进成本、减小设计难度，这里在传统搅拌机的基础上实施改进设计。一方面，借助原有搅拌机的设计理念和经验，通过改进现有搅拌机中的不足之处，根据最快速、最高效的方案设计一款新型的搅拌机。另一方面，沿用原有搅拌机中的部件，对设备进行改进、优化，节省设计成本，使新型搅拌机的搅拌效率和效果大幅度提升。

2.2新型搅拌机的改进设计方案

一是改正电机传动的形式，提高安装精度;选用润滑脂润滑，避免漏油。二是校正传动轴的直线度。三是减少电机数量，去掉分散盘和分散轴。

3有限单元法的基本理论

3.1基本假设

有限元法（FEA）就是将复杂的问题简化，并对其进行求解，即通过连续的求解域离散后组合成一个单元，将假设的函数放在每个单元内，然后通过赋值的方法来表达函数，即待求解的未知函数及各个单元点上的数值差值函数，这样就能用所赋值的函数表示单元内未知场的函数。有限元法的假设依据：第一，物体是由连续的介质构成，通过用数学的方法表达物体的变量及内力分布，将弹性、抽象的问题变成可解的数学问题。第二，忽略不计物体变形产生的变化，包括尺寸、形状等。第三，介质所受的力的方向和作用效果是一样的。

3.2基本方程

有限元法的力学特性研究过程建立在弹性力学的基础上，通过数学方法计算得出在外力作用下通过变性物体素产生的物理变化。有限元法的目的是解决机械设计中的问题，保证设计的合理性，有效保证物体的强度和刚度。基本方程为以下几个：

3.2.1几何方程

3.2.2物理方程

4主要工作部件应用有限元法的静力学分析

4.1搅拌轴静力学分析

4.1.1建立有限元模型

建立模型的步骤：选择45钢材料，将弹性模量设定为 ，泊松比 ，密度 ;按照全约束安装轴承;将制作成功的搅拌轴三维模型导入计算机中，自动划分网格，判断划定单元与节点。划分单元个数1451，节点个数1826。

4.1.2计算结果与分析

由计算结果可知，搅拌轴的的最大等效应力是114.6MPa，小于45钢的材料屈服强度（355MPa），因此不会出现损坏。由合位移的数据结果可知，搅拌轴的最大位移为0.075mm。所以分析现有的搅拌轴的強度和刚度已经不能满足最大效率搅拌的需求，虽然现有的搅拌机的安全系数较高，但却设计保守且浪费材料，因此需要根据计算结果对搅拌轴进行改进，简化设计结构，节约材料。

4.2搅拌桨静力学分析

4.2.1建立有限元模型

建立模型的步骤：选择304不锈钢，将弹性模量设定为 ，泊松比 ，密度 ;按照约束安装轴承;将制作成功的搅拌轴三维模型导入计算机中，自动划分网格，判断划定单元与节点。划分单元个数2015，节点个数2084。

4.2.2计算结果与分析

由计算结果可知，搅拌桨的的最大等效应力是35.8MPa，小于304不锈钢的材料屈服强度（200MPa），因此不会出现损坏。由合位移的数据结果可知，搅拌桨的最大位移为0.057mm。所以，等效应力中低应力的位置较多，合位移中大部分位置也都处于较低的范围，因此设计上还留有较大的空间，安全系数较高，但易浪费材料，因此需要依据计算结果对搅拌桨进行改进，简化设计结构，节约材料。

5结束语

设计初虽然强度和刚度都满足搅拌机的工作需求，但是却存在较大的改进空间，这为搅拌机的轻量化改进提供了可靠的依据。搅拌机设计是一项复杂的系统工程，还可以在床身、支架及传动轴上进行优化，将重要零部件实行轻量化设计，进一步节约材料，提升搅拌效率，选出最优的结构，达到预期的搅拌效果。

参考文献：

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