陳勇棠，蒲明輝

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

[機(jī)械技術(shù)應(yīng)用研究]

基于UGNX的外嚙合行星攪拌機(jī)運(yùn)動(dòng)特性研究

陳勇棠1，蒲明輝2*

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

基于UGNX軟件對(duì)某化工機(jī)械公司生產(chǎn)的某型號(hào)外嚙合行星攪拌機(jī)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，掌握其運(yùn)動(dòng)特性，以便指導(dǎo)該型號(hào)攪拌機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及使用。

UGNX；行星攪拌機(jī)；仿真分析

行星攪拌機(jī)是雙軸攪拌機(jī)中的一種，已有100多年的歷史，主要用于物料的攪拌、混合和輸送。由于利用行星結(jié)構(gòu)傳動(dòng)，不僅低噪音，機(jī)械效率高，可節(jié)省動(dòng)力使用，減少設(shè)備占用空間，而且因?yàn)閿嚢杵骷壤@著釜體中心公轉(zhuǎn)，又繞著自身中心高速自轉(zhuǎn)，在雙重運(yùn)動(dòng)作用下，物料在釜體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，物料受到強(qiáng)烈的剪切和搓合，所以得到較好的攪拌效果，被廣泛用于建筑、化工、醫(yī)藥、煤炭等行業(yè)。

本文針對(duì)某化工機(jī)械公司生產(chǎn)的某型號(hào)的行星攪拌機(jī)為研究對(duì)象，借助UGNX軟件的運(yùn)動(dòng)仿真功能，全面、準(zhǔn)確掌握該攪拌機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)特性，從而更好地指導(dǎo)該攪拌機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及使用。

1 行星攪拌機(jī)的工作原理及運(yùn)動(dòng)特性要求

某化工機(jī)械公司生產(chǎn)的某型號(hào)的行星攪拌機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示（去掉攪拌桶），包括：電機(jī)、減速器、橫梁、行星箱、攪拌槳、床身等。

圖1 行星攪拌機(jī)主要結(jié)構(gòu)組成 （去掉攪拌桶）

其中傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，太陽(yáng)齒輪被固定，行星齒輪與行星箱是連接一體的，它們?cè)谥鱾鲃?dòng)軸的帶動(dòng)下做公轉(zhuǎn)，而行星齒輪與太陽(yáng)齒輪是嚙合的，故行星齒輪同時(shí)也在自傳，從而帶動(dòng)攪拌軸既公轉(zhuǎn)也在自傳。行星齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖2 傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 行星齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

行星攪拌機(jī)工作的過(guò)程就是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化成物料的動(dòng)能和熱能的過(guò)程，主要依靠攪拌槳的旋轉(zhuǎn)使得攪拌桶里的物料產(chǎn)生對(duì)流和渦流，使得物料各組分之間得以相互滲透、混合，逐漸達(dá)到均勻。因此，攪拌槳的運(yùn)動(dòng)軌跡不僅要覆蓋攪拌桶的底面、不留“死區(qū)”，還應(yīng)盡量多的交叉，從而讓物料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡盡量多地交叉，軌跡越復(fù)雜、擁有復(fù)雜軌跡的顆粒越多,混合的程度越高、越強(qiáng)烈，攪拌勻質(zhì)性就越高，攪拌效果越好。

2 行星攪拌機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性研究

2.1 行星攪拌機(jī)運(yùn)動(dòng)模型的建立

為了方便研究，把行星攪拌機(jī)的傳動(dòng)裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖4所示，所有運(yùn)動(dòng)件都在攪拌桶內(nèi)，行星箱圍繞回轉(zhuǎn)中心O做公轉(zhuǎn)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度為ωH；兩個(gè)行星輪上的攪拌槳既與行星箱同步公轉(zhuǎn)，也分別圍繞著各自的回轉(zhuǎn)中心O1、O2自轉(zhuǎn)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度分別為ω1、ω2。攪拌槳上點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性是最重要的，而兩個(gè)攪拌槳又是對(duì)稱分布的，因此只需研究一個(gè)攪拌槳上的點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性即可。運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化后，并以攪拌桶中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，即可得到攪拌槳上動(dòng)點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)模型，如圖5所示。攪拌槳回轉(zhuǎn)中心O1到行星箱回轉(zhuǎn)中心O的距離為R，動(dòng)點(diǎn)A到攪拌槳回轉(zhuǎn)中心O1的距離為r。為方便建立方程，假設(shè) K=r/R,C=ω1/ωH，ωH=ω。

圖4 行星攪拌機(jī)傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖

圖5 攪拌槳?jiǎng)狱c(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型

假設(shè)時(shí)間t=0時(shí)，攪拌槳與行星箱都位于豎直位置，并在同一直線上，經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，動(dòng)點(diǎn)A順時(shí)針轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)了ωHt的角度，同時(shí)逆時(shí)針自轉(zhuǎn)了ω1t的角度，則運(yùn)動(dòng)參數(shù)方程為：

將式1-1對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得動(dòng)點(diǎn)A的速度方程：

將式1-2對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得動(dòng)點(diǎn)A的速度方程：

2.2 行星攪拌機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真

從動(dòng)點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)方程可以知道當(dāng)R和ωH固定時(shí)，K和C取值不同則動(dòng)點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)特性不同。為了更直觀地觀察、對(duì)比，運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)在攪拌槳的半邊區(qū)域上取8個(gè)動(dòng)點(diǎn)A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8，以及A2、A4、A6的對(duì)稱點(diǎn)A'2、A'4、A'6作為示蹤點(diǎn)，攪拌槳運(yùn)動(dòng)仿真簡(jiǎn)化模型如圖6所示。

圖6 行星攪拌機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真模型

考慮實(shí)際生產(chǎn)中K的取值不可能太大，0＜K＜4即足夠，動(dòng)點(diǎn)A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8對(duì)應(yīng)的K取值如表1所示。

表1 攪拌槳?jiǎng)狱c(diǎn)的系數(shù)K取值列表

運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)取R=30mm，ωH=ω=60 r/min，即1 r/s，仿真時(shí)長(zhǎng)為1s，分40步，則每個(gè)步長(zhǎng)為0.025s。在UGNX軟件中對(duì)仿真模型添加運(yùn)動(dòng)副約束、定義初始速度、轉(zhuǎn)速方向、定義示蹤點(diǎn)等設(shè)置后，分別按照C=0.5、C=1、C=1.5、C=2、C=2.5、C=3進(jìn)行求解，得到動(dòng)點(diǎn)的軌跡、位移曲線 （橫坐標(biāo)是時(shí)間，單位是秒；縱坐標(biāo)是位移的幅值，即距離原點(diǎn)的距離，單位是毫米）、速度曲線、加速度曲線分別如圖7、圖8、圖9、圖10所示。

圖7 不同C值時(shí)攪拌槳上示蹤動(dòng)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8 不同C值時(shí)攪拌槳上示蹤動(dòng)點(diǎn)的位移曲線圖

圖9 不同C值時(shí)攪拌槳上示蹤動(dòng)點(diǎn)的速度曲線圖

圖10 不同C值時(shí)攪拌槳上示蹤動(dòng)點(diǎn)的加速度曲線圖

2.3 行星攪拌機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果分析

對(duì)仿真得到的圖形分析得到以下主要的信息：

攪拌桶中心附近區(qū)域動(dòng)點(diǎn)的軌跡密度比攪拌桶壁附近區(qū)域動(dòng)點(diǎn)的軌跡密度大，同時(shí)即使仿真時(shí)攪拌槳與攪拌桶壁之間并無(wú)間隙，但靠近攪拌桶壁的區(qū)域總有一部分無(wú)動(dòng)點(diǎn)軌跡，存在 “死區(qū)”現(xiàn)象，C值越小越明顯。

不管C值為多少，動(dòng)點(diǎn)A8的軌跡始終是繞著桶中心以半徑為30mm做運(yùn)動(dòng)的圓周，位移幅值、速度幅值、加速度幅值都是恒定的。

C值越大，動(dòng)點(diǎn)的軌跡密度越大，位移、速度、加速度曲線起伏變化的頻率越大，而且速度和加速度的幅值變化幅度越大，說(shuō)明攪拌的作用越大、越激烈。并且只有C值大于2以上，動(dòng)點(diǎn)的軌跡才能覆蓋攪拌桶的大部分區(qū)域，否則存在明顯的攪拌 “死區(qū)”，攪拌料無(wú)法得到良好的攪拌。但同時(shí)也存在矛盾的另一面，即C值越大，速度和加速度幅值變化的幅度越大，越容易產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)設(shè)備的破壞影響越大。

位于攪拌槳同一個(gè)半圓區(qū)域的動(dòng)點(diǎn)軌跡外形是類似的，位移曲線、速度曲線、加速度曲線變化的趨勢(shì)也是一樣的，特別是C值越小于等于2時(shí)更明顯，這樣各向異性的動(dòng)點(diǎn)數(shù)量就少，影響攪拌的均勻性和效率，影響攪拌效果。

動(dòng)點(diǎn)A1～A8的速度從大到小，與動(dòng)點(diǎn)到攪拌槳中心的距離成正比，離攪拌桶壁越近的物料獲得的速度越大；當(dāng)C值小于2時(shí)，遠(yuǎn)離攪拌槳中心的動(dòng)點(diǎn)最大速度與最小速度差值越大，當(dāng)C值大于等于2時(shí)，這種現(xiàn)象則消失。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)行星攪拌機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行仿真分析，可知行星輪的自轉(zhuǎn)比公轉(zhuǎn)越快，攪拌槳的攪拌路徑越好，攪拌越激烈、效率越高，物料被攪拌得越均勻，并可以結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際條件進(jìn)一步定量分析后得到太陽(yáng)輪、行星輪較理想的齒數(shù)和尺寸。

[1]任春華,林朝陽(yáng),周國(guó)成.行星攪拌機(jī)的性能特點(diǎn)及其發(fā)展[J].瀘天化科技,2011（1）：54-62.

[2]朱霖龍,劉雅文,趙利軍.長(zhǎng)幅內(nèi)旋輪線行星攪拌機(jī)研究[J].工程機(jī)械，2013（4）：13-18.

[3]雷賢卿,侯少帥.雙行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（11）：68-70.

[4]祝文美.行星式砼攪拌機(jī)葉片運(yùn)動(dòng)軌跡分析[J].建筑機(jī)械化，1987（10）：16-18.

[5]胡小康.UGNX4.0運(yùn)動(dòng)分析培訓(xùn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006.

Abstract:Based on the UGNX software,this paper aims at the motion simulation analysis on the moving parts of a external gearing planet mixer produced by a chemical machinery company.As a result,it can fully and accurately gets the motion characteristics so as to give better advice about the design,production and usage of the planet mixer.

Key words:UGNX;Planet Mixer;Motion Simulation

Study on the Motion Characteristics of External Gearing Planet Mixer based on UGNX

CHEN Yong-tang1,PU Ming-hui2*

（1 College of Mechanical and Electrical Engineering,Liuzhou Vocational&Technical College,Liuzhou Guangxi 545006,China;2 College of Mechanical Engineering,Guangxi University,Nanning Guangxi 530004,China）

TH132.4

A

1671-1084（2017）04-0114-07

DOI 10.16221/j.cnki.issn1671-1084.2017.04.026

2017-02-08

陳勇棠，碩士，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造及其自動(dòng)化；*通訊作者，蒲明輝，廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)镃AD/CAM及虛擬樣機(jī)技術(shù)，E-mail：minghui@gxu.edu.cn。