搅拌连杆机构的热分析

蒋冉 程虎丰

摘 要：以热力学理论为基础，使用三维建模软件及其有限元分析插件，建立攪拌连杆机构的三维模型。通过定义相触热电阻、对流系数、热量和初始温度等热力学分析边界条件，模拟实际使用的热力学工况。通过热力学分析得到搅拌连杆机构的瞬态热力学响应曲线，所得的温度-时间响应曲线的起始温度数值与结束温度的数值相同，即所得瞬态热力学响应曲线收敛，从而为搅拌连杆机构的设计提供了可靠依据。

关键词：热力学 瞬态 热电阻 对流

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）02（a）-0007-02

随着食品行业的快速发展，近年来越来越多的客户对搅拌连杆机构所对应的产品提出小型化的需求。该产品小型化后，受到本身结构限制、关键元气件选型和耗散热量作用等因素，使得搅拌连杆机构内部的温度有可能超出关键元器件尤其是不锈钢轴承的允许范围，会降低元器件的性能以及寿命，进而导致故障，降低整个系统的稳定性，甚至造成故障及使用寿命的下降。因此，在搅拌连杆机构中如何控制好内部的温度，给搅拌连杆机构提供良好的运行环境，是搅拌连杆机构设计及系统稳定运行的关键所在。在搅拌连杆机构的产品开发中，由于受外形尺寸、食品要求、散热方式、元器件尺寸、元器件使用温度等因素的限制，产品设计难度较大，所以需要一种适合于搅拌连杆机构的热力学设计分析方法。本文以热力学为理论基础，基于SolidWorks Simulation软件，建立了搅拌连杆机构热设计模型，分析了温度场随时间的变化规律，为搅拌连杆机构稳定运行建立了理论依据。

1 搅拌连杆机构的构型

如图1所示，中间位置为驱动连杆，可以加载整个结构的运动角速度，运动的轴线为驱动连杆的长度方向上的中心轴线。驱动连杆的一端用圆柱运动副连接搅拌连杆的中部，此位置为关键元器件不锈钢轴承的装配位置，也是分析软件的温度探测位置。而搅拌连杆的弯曲头部为搅拌输出部位，受恒力载荷，此恒力载荷的位置也是热量瞬态热源激励系统输入部位。搅拌连杆在远离弯曲头的一端与二力连杆采取铰链运动副连接。二力连杆的另外一端与调整滑块采取铰链运动副连接。调整滑块与驱动连杆圆柱运动副连接。搅拌连杆机构含有两个自由度：一个是输入驱动连杆的角速度；另一个是调整滑块与驱动连杆圆柱一端的距离定义为位姿间距。

2 搅拌连杆机构的热力学理论

搅拌连杆机构的热分析主要涉及的是热传递的相关知识。热传递机理主要有3种：传导、对流和辐射。传导是固体中热传递最重要的方式，通过分子间的碰撞来传递热量。热量的传导方式是从高温区传递到低温区。传递热量大小与介质热导率、温度梯度和通过面积成正比；与介质厚度成反比。对流是一种传热模式，即固体表面与附近流体间的传热。固体表面与附近流体对流传热的大小与对流系数、表面积和表面与周围流体之间的温度差。对于结构中接触零件采用热电阻设置。两个固体压在一起不能完全接触。因为两个零部件都有一定的表面粗糙度，所示接触部位有一层薄薄的空间接触间隙。两个零部件接触有固体点接触的热传导，也有内部气隙的热对流，软件分析对于热电阻的数值可以根据实验值进行设置。进行瞬态热力学分析，迭代次数和初始温度的设置也至关重要。SolidWorks Simulation与SolidWorks完全集成的设计分析系统。SolidWorks Simulation提供了应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析等解决方案。所涉及的内容有线性静态、频率、动态等分析。该软件采用了有限元方法。有限元方法是一种用于分析工程设计的数字方法。有限元方法由于其通用性适合使用计算机来实现，因此已被公认为标准的分析方法。

3 搅拌连杆机构的热力学模拟

搅拌连杆机构是一个比较复杂的结构，建模时应尽量简化模型的规模，如管线、螺钉、倒角等对分析影响不大的部件或特征都可被忽略掉。搅拌连杆机构主要由驱动连杆、搅拌连杆、二力连杆和调整滑块组成。在SolidWorks软件中建立模型，简化模型见图1。材质选用304食品级不锈钢，其弹性模量E=190GPa，泊松比μ=0.29，密度ρ=8000kg/m3。热膨胀系数为1.8e-005/K，热导率为16W/（m·K），比热为500J/（kg·K）实体转化为有限元模型后，采用网格自由划分。使用工况为，在一个运行周期，搅拌连杆机构的弯头将会接触一次热源，热源会对结构产生一个热冲击，输入一定热量。

经过三维建模软件及其有限元插件的分析，获得搅拌连杆机构的关键元器件不锈钢轴承装配安装处的温度和时间的瞬态热力学分析数值曲线。如图2所示，图中的温度随时间的变化线，横坐标为响应时间40s，纵坐标为温度变化，其值峰值为112℃与搅拌连杆的关键元器件不锈钢轴承许用温度120℃相比较为安全使用区间；温度随时间的变化曲线的起始温度和收敛温度分别为47℃，其数值与稳态热力学分析的结果相互一致，满足工程实际设计需要。

4 结语

使用三维建模软件及其有限元插件，不仅可以成功求解搅拌连杆机构的热力学分析问题，而且方法简单，模型精确，结论可信。搅拌连杆机构的热分析结果表明内部关键元器件不锈钢轴承的设计温度满足工程设计的许用温度值。搅拌连杆机构的热分析结果表明，经过对搅拌连杆机构的内部结构和元器件优化布置，搅拌连杆机构外形尺寸得到优化，达到小型化的同时兼顾热力学指标的机械设计目的。

参考文献

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