秸稈壓塊機是把松散的農(nóng)作物秸稈壓制成塊狀物料的設備。經(jīng)壓縮后的秸稈塊便于存放，牲畜易于咀嚼，營養(yǎng)也易于吸收，便于儲運，同時也可制成燃能很高的生物質(zhì)燃料。我國是世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，農(nóng)作物秸稈年生產(chǎn)6億t多，秸稈資源豐富。近幾年，隨著我國畜牧業(yè)的發(fā)展及農(nóng)業(yè)部關于秸稈綜合利用方案的推行，秸稈塊的需求存在著巨大的市場空間。為了更好更快地搶占市場，壓塊機的設計效率與設計水平需要進一步提高。
隨著科技的迅速發(fā)展和計算機CAD/CAE技術的應用，機械設計已由傳統(tǒng)二維設計向三維設計轉(zhuǎn)變。為了適應現(xiàn)代機械設計發(fā)展的趨勢，需要綜合應用CAD/CAE技術進行機構(gòu)的三維設計與分析。本文采用UG軟件對秸稈壓塊機進行機構(gòu)實體建摸和整機的裝配，運用ANSYS有限元分析軟件取代手工計算對秸稈壓塊機進行分析。此種設計方法不僅縮短了秸稈壓塊機的設計周期，而且提高了設計精度，使秸稈壓塊機的機械結(jié)構(gòu)更趨合理。
1、秸稈壓塊機的設計及原理
1.1建模思路
對秸稈壓塊機的CAD建模主要有兩種建模思路，分別是“自底向上”與“自頂向下”兩種。通常采用的設計思路是“自底向上”。這種方法是先構(gòu)造基本的幾何圖元（如點、線、面等），然后逐漸地向上構(gòu)造體，直到整個零件的生成。“自頂相下”的構(gòu)造思路基本相反。秸稈壓塊機的設計結(jié)合這兩種設計思路，進行混合設計。
1.2建模方法
UG軟件對產(chǎn)品的三維建模的具體方法有顯式建模、參數(shù)建模、基于約束的建模及復合建模。為了使建模后的壓塊機各機構(gòu)的重構(gòu)性更好，建模過程中多采用草圖的構(gòu)圖方式，使得所建模型的參數(shù)化更強，便于后續(xù)的修改。
1.3壓塊機總裝
對構(gòu)建好的壓塊機所有零部件進行裝配，生成如圖1所示的秸稈壓塊機總裝圖。
運用UG軟件的分解圖功能，可清晰地了解壓塊機的各部件組成情況，如圖2所示。
2、壓塊機主軸的有限元分析
2.1 ANSYS中主軸模型的導入
通過IGES接口把UG中建好的主軸模型導入AN-SYS中進行分析。圖3是導入ANSYS的主軸幾何實體模型。
2.2對主軸進行有限元網(wǎng)格劃分
在ANSYS中，網(wǎng)格劃分的方法主要有自由、映射以及掃掠等方法。網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到后續(xù)的計算速度與計算精度。此處為了使劃分的網(wǎng)格更加均勻，采用掃掠與自由劃分相結(jié)合的方法進行網(wǎng)格劃分。
圖4為網(wǎng)格劃分示意圖（有限元模型）。由于結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，適宜采用ANSYS9.0中的solid95六面體單元進行網(wǎng)格劃分。劃分結(jié)果：節(jié)點總數(shù)為19168，單元總數(shù)為12 024。
2.3主軸的應力分析
2. 3.1應力求解
在求解之前，定義有限元分析的邊界條件，即鍵槽的自由度約束與軸端裙板最大扭矩的施加。
求解得到階梯軸的最小直徑75處的最大剪切應力為12.9 MPa，小于許用應力40 MPa。軸的設計滿足應力要求。
2.3.2分析比較
經(jīng)過ANSYS的分析計算，得到直徑5軸的橫截面應力分布，如圖5所示。
X與y坐標分別為主軸徑向的兩個坐標．y軸延裙板豎直方向，主軸圓心為坐標原點。圖6為直徑75軸剪切應力的等值線圖。
根據(jù)設計經(jīng)驗，階梯軸應力分布完全符合實際應力分布情況，證明了ANSYS分析結(jié)果的正確性。
根據(jù)材料力學的最大應力計算公式，理論計算得到妒5軸所受最大應力值為11.5MPa。這與有限元分析的結(jié)果最大剪切應力為12.9MPa很相近，進一步證明了ANSYS有限元分析軟件分析結(jié)果的正確性。
2.4主軸的模態(tài)分析
2.4.1模態(tài)的概念
模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的一種屬性，表征模態(tài)的特征參數(shù)是振動系統(tǒng)各階固有頻率、振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼等。不論何種阻尼情況，機械結(jié)構(gòu)對外力的響應都可以表示成固有頻率、阻尼比與振型等模態(tài)參數(shù)組成的各階振型模態(tài)的疊加。模態(tài)分析就是用模態(tài)參數(shù)來表示結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運動方程，并確定模態(tài)參數(shù)的過程。
有限元模態(tài)分析的核心問題就是找到結(jié)構(gòu)的各階固有頻率，以及機構(gòu)的彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度的分布情況。知道了固有頻率，就可以指導機構(gòu)設計和使用，使得設計固有頻率和使用時的外部激振頻率相避開。同時，根據(jù)剛度的分布情況，可以指導機構(gòu)剛度的改進，提高整體剛度分布，從而保證機構(gòu)使用的可靠性。
2.4.2主軸的模態(tài)計算
主軸的彈性模量E=2. 08×105 MPa，泊松比e=0.3，密度p=7，8×10-6kg／mm3。根據(jù)主軸的材料與幾何參數(shù)，采用Block Lanczos（蘭索斯法）方法，計算得到主軸前25階振型，其中主要振型如表1所示。
2.4.3結(jié)果分析
由振型的分布情況可以看出：當外部激振頻率低于22 Hz時，主軸整體機構(gòu)的剛性足夠；當激振頻率大于150 Hz并且不斷增高后，階梯軸將不受到擾動，工作穩(wěn)定，此時的裙板變形明顯增大，剛性嚴重不足；當工作頻率高于51 Hz時，需要改變?nèi)拱宓某叽缁蚪Y(jié)構(gòu)來提高其剛性。
3、結(jié)論
1)通過以上的一系列分析計算與比較，充分證明了ANSYS有限元分析軟件的可靠性，采用此種設計方法可大大提高壓塊機的設計效率。
2)由計算結(jié)果可知，主軸的設計遠遠滿足設計要求，有很大的改進空間。由以往的設計經(jīng)驗可知，空心軸比實心軸具有更良好的抗扭矩能力，而且又節(jié)省材料，因此有必要對主軸進行進一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
3)優(yōu)化后可以很方便地通過ANSYS軟件進行分析驗證，或直接采用ANSYS軟件對主軸進行自動結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，以得到滿意的設計結(jié)果。
三門峽富通新能源主要生產(chǎn)和銷售顆粒機、秸稈壓塊機、木屑顆粒機等生物質(zhì)燃料飼料成型機械設備。
