摘 要 錘片式粉碎機廣泛應(yīng)用于飼料加工行業(yè)。為了便于設(shè)計和仿真，利用UG NX的三維建模功能，建立粉碎機的三維模型。同時，用UG NX的模型分析和運動仿真模塊，對粉碎機進行分析，提高了設(shè)計的可靠性，并對錘片進行了有限元分析，找出了錘片的危險截面。

粉碎工序是飼料廠最重要的工序之一，其主要功能在于：根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的特性要求、動物生長的需要，對飼料原料進行粒度的再分布，以達到理想的綜合效應(yīng)[1]。錘片式粉碎機具有結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強、造價低、通用性好等優(yōu)點, 因而被廣泛應(yīng)用于飼料加工行業(yè)。錘片式粉碎機的性能與其結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)有著密切的關(guān)系，所以在設(shè)計上要求嚴格。粉碎機主要由機蓋、機座、電機、轉(zhuǎn)子、篩片等組成[2]。傳統(tǒng)的方法是利用工程圖紙或CAD制圖來設(shè)計零件，抽象性強，不直觀，修改不方便。UG NX以其強大的三維建模功能克服了這些困難，給錘片式粉碎機設(shè)計帶來了方便。本研究將建立粉碎機模型，并對其做模型分析和運動仿真。

1 UG NX簡介

UG NX是集CAD/CAE/CAM一體化的三維參數(shù)化軟件，是當今世界上最先進的計算機輔助設(shè)計、分析和制造軟件之一，廣泛用于航空、汽車、造船、通用機械、模具和家電領(lǐng)域。它具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產(chǎn)生工程圖等設(shè)計功能，而且可以進行有限元分析、機構(gòu)運動分析、動力學(xué)分析和仿真模擬，提高了產(chǎn)品設(shè)計的可靠性。該軟件具有以下特點[3]：①集成的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境；②產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)性與并行協(xié)作；③基于知識的工程管理；④設(shè)計的客戶化；⑤采用復(fù)雜的復(fù)合建模技術(shù)，可將各種建模技術(shù)融為一體；⑥用基于特征的參數(shù)驅(qū)動建模和編輯方法作為實體造型基礎(chǔ)；⑦便捷的復(fù)雜曲面設(shè)計能力；⑧強大的工程圖功能，增強了繪制工程圖的實用性；⑨提供了豐富的二次開發(fā)工具。

UG NX的三維建模與Pro/E的三維建模方式相同,可以參照Pro/E的三維造型的過程[4]：首先，根據(jù)二維的設(shè)計數(shù)據(jù)來生成三維零件；然后，對三維零件進行虛擬裝配，裝配完畢后進行模型分析，也可以對裝配體實現(xiàn)動畫仿真，觀察其運動狀態(tài)；最后，根據(jù)模型分析和動態(tài)仿真結(jié)果確定修改方案。UG的錘片式粉碎機三維設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 UG的錘片式粉碎機三維設(shè)計流程

2 錘片式粉碎機的三維建模

本研究是以自行設(shè)計的錘片式粉碎機（SFSP40×700）為設(shè)計原型，利用UG NX建模及分析其設(shè)計情況是否優(yōu)良。粉碎機零件的結(jié)構(gòu)簡單，可以用簡單的命令實現(xiàn)建模。

2.1 零部件的建模

該錘片式粉碎機的零件數(shù)量有上百個，所以在這里只是列出部分零件的建模。部件主要有機蓋、機座、轉(zhuǎn)子。

2.1.1 上機殼

上機殼是構(gòu)成機蓋的一部分，并與喂料器直接連接。在上機殼上有輔助調(diào)風孔，可以實現(xiàn)風量的調(diào)節(jié)。它結(jié)構(gòu)比較簡單，利用草圖(sketch)、拉伸(extrude)及孔（hole）的功能就可以實現(xiàn)。上機殼的三維設(shè)計模型如圖2所示。

圖2 上機殼的三維設(shè)計模型

2.1.2 底座

粉碎機底座是機座的一部分，起著支撐整個粉碎機的作用。它也是物料的出口部分，與料倉相連。底座的材料是槽鋼，全部采用手工在平臺上焊合。底座的三維設(shè)計模型如圖3所示。

圖3 底座的三維設(shè)計模型

2.1.3 主軸

主軸是粉碎機轉(zhuǎn)子的重要組成部分，起著傳遞動力的作用。電機通過皮帶輪傳遞動力給主軸，主軸傳遞給錘片來達到粉碎物料的目的。主軸上有兩個鍵槽，長鍵槽與錘架板和套筒配合；短鍵槽與帶輪配合。主軸的建立方式有多種，其中通過旋轉(zhuǎn)體(REVOLVED)功能比較簡單，再在圓柱表面開鍵槽與添加螺紋。主軸的三維設(shè)計模型如圖4所示。

圖4 主軸的三維設(shè)計模型

2.1.4  錘架板

錘架板是轉(zhuǎn)子的骨架，起著固定銷軸和錘片的作用。錘架板的圓形結(jié)構(gòu)可以利用草圖(sketch)及拉伸(extrude)功能，再在上面挖孔(hole)及引用特征(features－modeling)進行陣列孔。錘架板的三維設(shè)計模型如圖5所示。

圖5 錘架板的三維設(shè)計模型

2.1.5 錘片

錘片是粉碎機的核心工作部件，起著粉碎物料的作用。粉碎機的性能與錘片的數(shù)量、排列方式、厚度有著密切的關(guān)系，該粉碎機可以實現(xiàn)這些參數(shù)的可調(diào)性。常用的錘片是矩形錘片，它結(jié)構(gòu)簡單、易于制造。錘片的排列方式有四種：螺旋排列、對稱排列、交錯排列、對稱交錯排列，本次建模使用的是對稱排列。錘片的建模只需要利用草圖（sketch）和拉伸(extrude)就可以完成，它的三維設(shè)計模型如圖6所示。

圖6 錘片的三維設(shè)計模型

2.1.6  帶輪

帶輪是傳遞動力的零件，通過三角皮帶與電機上的皮帶輪相連。它的建模利用草圖（sketch）與旋轉(zhuǎn)體(REVOLVED)實現(xiàn)。其三維設(shè)計模型如圖7所示。

圖7 帶輪的三維設(shè)計模型

2.2 部件的虛擬裝配

UG的裝配模塊不僅能快速組合零件成為產(chǎn)品，而且在裝配中，可以參考其它部件關(guān)聯(lián)設(shè)計，并可以對裝配模型進行間隙分析、質(zhì)量管理等相關(guān)操作。按照自上往下的裝配原則，通過組件的定位和配對操作，建立對應(yīng)的裝配關(guān)系，裝配完成部件及整機。以下圖8～圖11分別是機蓋的虛擬裝配模型、機座的虛擬裝配模型、轉(zhuǎn)子的虛擬裝配模型、整機的虛擬裝配模型。

3 模型分析

裝配完成后的錘片式粉碎機可以在UG中進行結(jié)構(gòu)分析、間隙分析、質(zhì)量管理、有限元分析等，可以提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性。UG的菜單中有分析的功能，可以得到零部件的體積、質(zhì)量、慣量、轉(zhuǎn)矩的信息?，F(xiàn)以錘片的有限元分析為例：錘片在運行過程中，主要受到離心力、重力、物料的沖擊力,受力后發(fā)生形變。通過有限元分析找出易損部位（危險截面）。有限元分析的步驟：創(chuàng)建解法；對需要理想化的幾何體（如對稱結(jié)構(gòu)）進行理想化；設(shè)置錘片的材料屬性；給錘片施加約束與載荷；劃分網(wǎng)格；有限元模型檢查；解算；進入后處理。錘片的有限元后處理如圖12、圖13所示。

4 運動仿真

運動仿真模塊可以進行機構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運動軌跡，分析機構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。運動仿真的分析結(jié)果可以指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（加長或者縮短構(gòu)件的力臂長度、修改凸輪型線、調(diào)整齒數(shù)比等）或調(diào)整零件的材料（減輕或加重以及增加硬度等）[5]。該模塊與ADAMS的功能有著一致性,產(chǎn)生運動仿真的步驟有:第一步,創(chuàng)建連桿(Links)；第二步,創(chuàng)建運動副(Joints)；第三步,定義運動驅(qū)動(Motion Driver)。完成后可以創(chuàng)建動畫仿真，并作出速度、加速度、力等圖表，還可以導(dǎo)出MPEG、GIF格式等視頻。

5 小結(jié)

UG NX以其強大的建模、模型分析和仿真功能應(yīng)用于飼料機械的設(shè)計上，打破了傳統(tǒng)的二維設(shè)計方式，給設(shè)計帶來了便捷，提升了產(chǎn)品設(shè)計的可靠性。它的虛擬技術(shù)為機械設(shè)計及試驗研究開創(chuàng)了另一個環(huán)境，可以直接在軟件中仿真與分析。同時，可以利用UG NX直接生成CAD工程圖紙，應(yīng)用于生產(chǎn)。

參考文獻：略

文章來源：飼料天地