基于ANSYS 的胶辊砻谷机活动辊装置可靠性分析

河南工业大学机电工程学院 刘晓霞 鱼鹏飞 武照云 阮竞兰

引言

稻米是我国居民的传统主粮之一，稻谷加工业是影响国计民生的重要支柱产业[1]。在稻谷加工过程中，胶辊砻谷机是关键的主机设备之一，主要完成稻谷颗粒的脱壳工艺，其工作效率与工艺效果对稻谷加工工艺流程与成品米的质量具有重要影响，因此胶辊砻谷机在稻谷加工装备中占有非常重要的地位[2]。然而，我国胶辊砻谷机长期存在着工作可靠性差、单机产量小、加工能耗高、自动化程度低等问题，其中，设备可靠性差的问题最为突出，严重制约了我国稻谷加工行业的发展。因此提高胶辊砻谷机的工作可靠性与稳定性，延长使用寿命，降低运行维护成本已经势在必行。

在胶辊砻谷机中，活动辊装置是最为关键的部件，极易发生结构变形和疲劳破坏。如果设计不当，将导致设备故障率增加，严重影响稻谷脱壳的加工效率与工艺效果[3]。基于此，本文以MLGQ51B 气动胶辊砻谷机为对象，通过ANSYS/PDS 分析模块，对胶辊砻谷机活动辊装置的可靠度进行分析与计算。

1 胶辊砻谷机活动辊装置建模

胶辊砻谷机的脱壳是基于差速传动原理，将两个辊筒以不同方向和不同转速进行运转，通过两辊之间对稻谷颗粒产生的挤压和摩擦作用，达到稻谷脱壳的目的[4]。作为主要工作部件的两个橡胶辊，其中一个位置固定，称为固定辊；另一个可以根据需要对其位置进行调整，称为活动辊。MLGQ51B 气动胶辊砻谷机活动辊装置主要由活动辊、连杆、气缸等部件组成。该活动辊装置的工作原理为：通过气缸活塞杆的伸缩来带动连杆的摆动，连杆通过轴承与胶辊传动轴相连，从而实现胶辊的位置移动以及辊间间隙的调节。为了便于力学分析与可靠性计算，运用Creo平台对胶辊砻谷机活动辊装置进行三维结构建模，如图1 所示。

图1 砻谷机活动辊装置模型

2 胶辊砻谷机活动辊装置的可靠性分析

2.1 基于ANSYS 的结构可靠性分析方法

ANSYS 作为功能强大的有限元分析软件，逐渐被广泛地应用到各个领域。在ANSYS 软件的PDS（Probabilistic Design System）模块中，可以基于概率设计方法对输入参数的不确定性和系统输出特性之间的关系进行评估，进而实现机械结构的可靠性分析与设计[5-6]。利用ANSYS/PDS 模块进行结构可靠性分析时，通常采用APDL 语言编制命令流的方式对结构分析文件进行编写，并选择Monte Carlo 模拟法或响应面法进行可靠性分析。

基于此，胶辊砻谷机活动辊装置的可靠性分析过程主要包括：对输入参数、分布状态和输出参数进行定义；选择可靠性分析的计算方法，设定仿真实验次数并建立运算宏文件；进入ANSYS 的PDS 模块，读入可靠性分析仿真循环文件；在ANSYS 中完成可靠性分析计算，查看实验结果并分析。

2.2 基于Monte Carlo 的活动辊装置可靠度计算

本文选取强度失效和刚度失效作为胶辊砻谷机活动辊装置的失效模式，失效准则分别为σmax<[σ]、Umax<[U]，其中σmax和Umax分别为装置各零件所产生的最大应力和最大应变，[σ]和[U]分别为许用应力和许用应变。根据应力——强度干涉模型，定义极限状态方程为Zs=[σ]-σmaxi(i=1,2,3,4)和ZU=[U]-Umaxi(i=1,2,3,4)。当Zs<0 时，零件发生强度失效，所以强度可靠度为Zs>0 事件发生的概率；当ZU<0 时，零件发生刚度失效，所以刚度可靠度为ZU>0 事件发生的概率。

根据砻谷机活动辊装置的实际工作状况，确定了随机变量及分布特征参数。采用Monte Carlo 法中的拉丁超立方法进行概率设计，设定模拟次数为1000 次，对活动辊装置进行可靠性分析，可以得到各部件的响应函数分布直方图，其中传动轴的响应函数分布直方图如图2 所示。

图2 传动轴响应函数分布直方图

由于各响应函数都符合正态分布，所以可以根据正态分布函数关系式计算出各部件的可靠性指标，并从仿真结果中得到对应的均值和标准差。在强度和刚度失效模式下，砻谷机活动辊装置各部件的可靠度计算结果如表1~表2 所示。

表1 活动辊装置各部件强度可靠度计算结果

表2 活动辊装置各部件刚度可靠度计算结果

通过可靠性分析结果可以看出，传动轴和连杆的强度可靠度较低，容易出现失效问题；辊筒和气缸的强度可靠度较高，相对安全可靠；所有部件的刚度可靠性都较高，可以满足要求。因此，提高传动轴和连杆的强度可靠性是改善胶辊砻谷机活动辊装置整体可靠性的关键所在。

3 结论

本文针对胶辊砻谷机活动辊装置的可靠性分析问题，通过Creo 平台建立了活动辊装置的三维模型，基于ANSYS/PDS 模块对活动辊装置各部件进行强度与刚度可靠性分析。基于传动轴、胶辊与连杆的响应函数分布直方图，计算出各部件的可靠性指标。通过对各部件可靠度结果的分析，找到改善胶辊砻谷机活动辊装置整体可靠性的关键之处。本文的研究工作为胶辊砻谷机活动辊装置的结构优化提供了设计依据。