一种基于有限元分析的碎米分离机设计

徐莉

摘要：为了满足人们日益增长的对食品品质的需求，设计一种碎米分离机。该机器以连杆机构加振动筛为碎米分离方案，对碎米进行分离。设计过程中分别对振动筛的极限位置进行理论分析，对主要连杆通过加约束和载荷来进行有限元分析，以确定其变形参数和应力分布情况。结果显示连杆加载后的变形在合理范围内，应力不超过所选用材料的许用强度的结论，证明该碎米分离机的设计合理有效。

Abstract： In order to satisfy people's demand of food， a separate machine of rice and fragment is designed. Scheme on separate of rice and fragment is link and oscillating screen. In the process of design， the limit position of oscillating screen is analyzed， the finite element analysis of main link is done by exerting the restrain and loading on it to ascertain deformation and stress. The result shows that the deformation is in reasonable range after loading， the stress is less than allowable intensity of material. It can be proved that the separate machine of rice and fragment is reasonable.

关键词：碎米分离；连杆；有限元；变形；应力

Key words： separate of rice and fragment；link；finite element analysis；deformation；stress

中图分类号：TQ051.8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）16-0122-02

0 引言

在现代社会，科学技术在不断地进步，人们不断地提高的生活水平使得人们对食品的要求也不再是只能解决温饱问题，而是高质量绿色环保，同时越来越注重粮食的加工品质，成为现代农业和人类生活的重点。收获后的粮食中有许多不需要的掺杂物，如杂草、米粒、秸秆、石子以及未成熟的、破碎的、退化的、机械损伤的粮食颗粒。因此粮食需经过分离机的分离加工处理，去除掉不需要的掺杂物，所以分离机产品具有十分重要的作用。设计出一种满足市场要求的既经济又实用的碎米分离机就成为一个重要的研究课题。

1 碎米分离机的发展现状及发展趋势

1.1 国外状况

20世纪70年代以来米粒加工业的兴起使风筛式分离机在一些发达国家有了较快的发展，其中西欧北美的一些国家在生产和使用方面均居领先地位，这些产品除满足本国需要外还远销世界各地，它们在技术上各有特点。

1.2 国内状况

我国对粮食分离机械的研究生产起步较晚。首批样机在20世纪50年代引进，手动风车溜筛是最早的产品，分离效果不佳生产率低。60年代的产品是电动扬场机，虽提高了生产效率，但分离效果仍不理想。70年代开始了对粮食滚筒筛分离机的研制。80年代进入了新的发展阶段。进入90年代，分離技术和设备都有了更好的发展。经过半个多世纪的发展，基本形成了具有我国特色适应我国广大用户需要、品种规格较齐全的、自行研究和生产的加工体系。

2 碎米分离机的结构分析

2.1 工作原理分析及方案确定

常规分离法是利用碎米的几何尺寸、空气动力学特性及比重等物理机械特性进行筛选，有风选、筛选、风筛选、风筛窝眼选、比重选、窝眼选。风筛式分离机、比重式分离机、窝眼筒式分离机是现在应用广泛的碎米分离机种类。其中风筛式碎米机，主要利用米粒与夹杂物的几何尺寸和悬浮速度差异进行筛选和风选；比重式碎米分离机利用物料中各成分的比重不同进行分离；窝眼筒分离机利用米粒在窝眼筒做旋转运动时，米粒杂质长度尺寸和运动途径不同来达到分离杂物的目的。

根据以上对现有的碎米分离机的分析，决定设计一种利用米粒的外形尺寸和空气动力学特征进行精选的复式碎米分离机。首先，通过改变吸风道截面积的大小，得到不同的气流速度分离轻重杂质；然后利用米粒和混杂物几何尺寸的差别，通过一定规格的筛孔来分离杂质和瘦弱籽粒；最后，通过筛孔按米粒的长度不同分离各种杂物，达到分离的目的。

2.2 总机的组成

所设计的复式碎米分离机方案为由电机提供动力，电机通过V带带动主驱动轴转动，主驱动轴带动一个四杆机构运动，四杆机构的运动带动鱼鳞筛和筛箱的运动来完成分离任务。辅助设计两个风机，起到除杂、吸尘的作用。

本次设计的复式碎米分离机的结构组成如图1所示。

2.3 连杆的设计

碎米分离机主要设计零件包括：一个分离小的杂物和去除灰尘的鱼鳞筛、六个冲孔筛、一个起传动和支撑作用的四杆机构，该机构不仅驱动鱼鳞筛的往复运动，还要连动后面的筛箱作弧线运动，对筛分起到关键性的作用，故为设计的重点。

技术参数方面，按进料口的大小确定所处理的水稻单位筛面面积允许的处理量为0.226kg/cm2h。水稻进料量为400kg/h。该参数将用于确定连杆机构参数，保证其足够的强度。

通过各方面考量后，确定连杆机构的运动简图如图2所示。

实线表示碎米分离机的筛箱最近端，是平衡位置同时也是一个极限位置。虚线表示碎米分离机为筛箱最远端位置，是另一个极限位置。在平衡位置时，L3与水平线成85度，到另一个极限位置时，摆动6.5度，平衡位置时，L4与水平面成10度角，L4运动的方向角为8度，行程为60mm。

根据碎米分离机的运动简图，可以算出：L1=267mm；L2=932mm；L3=324mm；L4=1400mm；L5=600mm；L6=235mm；L7=500mm。

3 对连杆的有限元分析

通过对连杆机构的各杆进行运动和动力分析可知，杆5处于中间传动的位置，其上有三个转动副，受力相对比较复杂，承载较大，对强度要求较高，故对杆5进行有限分析。

首先用Solidworks建立三维模型，如图3所示。然后将模型导进有限元分析ansys软件，选定材料为45号钢，材料的弹性系数为2.01e11，泊松比为0.3，密度为7.8 e3。以参数为3进行自由网格划分，结果如图4所示。然后加约束和载荷，限制中间孔的Y轴自由度，限制底平面的全自由度，将上圆孔的左半孔面和下圆孔的左半孔面定为加载位置，进行加载，具体见图5所示。按设计计算可知，所加载荷大小为Ft=2.56×106N，加载后，杆5的变形如图6所示。从图中可知，变形情况为X轴0.000479mm，杆5上的应力分布情况如图7所示，最大应力发生在中间孔轴线处，大小为50.589MPa。

通过数据分析可知，加载后杆5的变形在合理范围内，最大应力也小于材料的许用强度。

4 结语

本次设计给出了碎米分离的方案，以连杆机构为传动通过电动机帶动振动筛完成碎米分离功能，方案较合理可行。通过有限元对所设计的连杆进行分析，得出变形和应力分布的情况。

所得数据显示，变形在合理范围内，应力也不超过材料的许用强度，这保证了该碎米分离机预定的筛分效率的实现。当然设计中也存在不足，比如传动方案能否更简单有效、连杆构件能否在保证筛分效率和筛分率的同时再轻薄短小一些以适应现代机械绿色环保的要求等等，这都将是今后深入研究的方向和目标。

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