基于Solidworks Motion的高方平筛仿真分析

吴军永，张保伟*,付云峰

（河北苹乐面粉机械集团有限公司，河北 正定 050800）

FSFG6是一种6仓高方平筛，是面粉厂的主要筛理设备，对研磨后各系统的磨下物起筛理和分级作用[1]。其主要工作部件是筛体，筛体通过传动装置驱动作平面回转运动[2]，筛体由6个筛仓组成，每个筛仓由若干个筛格叠置而成，可组成多样化的筛理路线，它具有结构紧凑、筛路可长短变化、筛格互换性强、更换维修方便、筛路灵活、分级细致、筛理效率高等特点。在现代制粉工艺过程中，占着相当重要的地位，被称为制粉行业的三大主机之一，其主要作用在于把研磨后的谷物混合物进行筛理和分级，按散粒的物理特性分选成具有不同大小和品质的物料，从而达到制取各种等级面粉的目的，同时也可作为打包前的检查筛使用，被广泛用于化工、医药、塑料及冶金等行业粉末状物料的筛理和分级。

Solid Works是一款基于参数化实体特征的CAD设计软件，simulation是一款基于有限元 （即FEA数值）技术的设计分析软件，以Windows平台为应用环境，将仿真界面、仿真流程集成到Solid Works的设计过程中，提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析，以FSFG6高方平筛为分析对象，应用Solid-Works建立其实体模型，并基于FEA数值分析方法，借助软件插件Motion对其正常工作时的运动状态做机构的运动和动力学分析，得到其主要承力部件筛体框架结构和筛箱部分的受力状态及运动轨迹、速度和加速度的运动状态。

1 主体结构与分析流程

1.1 主体结构

FSFG 6仓高方平筛由筛箱、传动箱、吊挂横梁、筛格等部分组成[2]，装有传动装置的传动箱与其两侧装有一定数量筛格的筛箱通过螺栓连接在一起，并通过筛体吊挂横梁连接组成高方平筛筛体，筛体分为两个对称的筛箱，每个筛箱由3个筛仓组成，共6个筛仓，如图1、图2所示。

图1 FSFG 6高方平筛主体结构图

图2 传动箱与筛箱框架三维模型

每个筛仓内置若干个筛格，带有偏重块的主轴传动装置安装在筛体的中心，由自带的电动机驱动旋转，整个筛体由吊挂装置吊装在厂房的大梁或钢架上，整个筛体做平面回转运动，偏重块可水平调节和上下调节，从而实现回转直径和偏重块重心高低的调整。

1.2 分析流程

仿真分析流程见图3。

图3 仿真分析流程

2 运动和动力学分析

对高方平筛正常工作时的运动状态做机构的运动和动力学分析，通过这种分析可以得到其主要承力部件传动箱框架和筛箱框架比较直观的受力状态、运动轨迹、速度及加速度等运动状态[3]。

2.1 模型简化与参数提取

为减少有限元节点的数量，提高计算效率，去除圆角、小孔等不影响整体分析的一些结构特征来进行模型简化[4]，并对简化后的传动箱框架和筛箱框架进行网络划分，因分析对象多为型材焊接结构，此次分析采用二阶六节点壳单元，筛箱组合划分单元为140 739个，节点为279 414个；钢架焊合划分单元为46 606个，节点为96 807个，分析对象的网络细节如图4所示。

图4 高方平筛简化模型

由Solidworks质量属性测量可得偏心轴转动部件质量676 kg，筛体质量 （除偏心轴转动部件）3410kg，已知偏心轴转动部件转速245 r/min，6仓物料质量约900 kg，水平阻尼0.10 N/mm/s（模拟空气和摩擦阻尼），仿真计算运动时间60 s，简化后的运动分析模型及质量、质心的分布见 图5～图6。

图5 筛体质量质心

图6 转动部件质量质心

2.2 运动和动力学分析结果

运行Motion分析，我们可以得到高方平筛上任意零部件，任意点的运动轨迹，速度，加速度，角速度，角加速度等运动参数；同时还可以得到任意两个运动副连接件之间的相互作用力或力矩。图7～图9是高方平筛运动和动力学分析后的输出结果界面及力、运动轨迹等结果[5-6]。

图7 高方平筛运动与动力学结果界面

图8 传动轴中心和筛箱左下角样点运动轨迹俯视图

图9 传动轴中心和筛箱左下角样点运动轨迹放大俯视图

因分析中给有一定的阻尼，筛体从静止启动到稳定运行需要一定时间，所以1 min后筛体的运动就基本稳定了，高方平筛传动轴中心运动轨迹时序如图10所示，对应时间见表1。

图10 高方平筛传动轴中心运动轨迹时序图

表1 高方平筛传动轴中心运动轨迹时序表

3 结论

（1）从时序图中可以看到，随着时间的推移，运动轨迹逐渐趋于圆形并向标准圆所在的位置靠近。

（2）从理论上讲，偏心轴重心和筛箱组合的重心应设计在一个水平面内，这样筛机在工作时各点的运动轨迹就是相同的。但实际工作中很难保证这两个重心严格位于同一个水平面内，允许二者有一定误差但不能过大。由图7～图10分析结果显示，尽管这两个点上下左右前后距离相差很远，但筛体运动稳定后的轨迹都是一直径为70 mm的圆，这说明该筛的重心设计没有太大问题。

（3）由图7高方平筛运动和动力学分析结果可得筛体中传动箱框架和筛箱框架任意连接点的作用力和反作用力[7]，其上排、中排、下排5个样点的平均作用力为1 250 N、1 200 N和1 280 N，说明筛体重心和吊挂横梁位置合理,同时其作用力也可作为载荷为结构的强度和模态分析提供数据支持。