1、引言
秸稈壓塊機是把松散的農作物秸稈壓制成塊狀物料的設備。經壓縮后的秸稈塊便于存放、牲畜易于咀嚼，營養也易于吸收，而且便于儲運，同時也可制成燃能很高的生物質燃料。我國是世界農業生產大國，農作物秸稈年生產6億多t，秸稈資源豐富。近幾年，隨著我國畜牧業的發展及農業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。為了更好更快的搶占市場，壓塊機的設計效率與設計水平需要進一步提高。
隨著科技的迅速發展和計算機CAD/CAE技術的應用，機械設計已由傳統二維設計向三維設計轉變。本研究適應現代機械設計發展的趨勢，綜合應用CAD/CAE技術進行機構的三維設計與分析。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構更趨合理。
2、秸稈壓塊機的設計及原理
2.1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”，這種方法是先構造基本的幾何圖元，如點、線及面等，然后逐漸的向上構造體，直到整個零件的生成。“自頂相下”的構造思路基本相反。本文秸稈壓塊機的設計結合這兩種設計思路，進行混合設計。
2.2建模方法
LG軟件對產品的三維建模的具體方法有：顯式建模、參數建模、基于約束的建模及復合建模。為了使得建模后的壓塊機各機構的重構性更好，建模過程中多采用草圖的構圖方式，使得所建模型的參數化更強，便于后續的修改。
2.3壓塊機總裝
最后對構建好的壓塊機所有零部件進行裝配，生成圖l秸稈壓塊機總裝圖：
運用UG軟件的分解圖功能可清晰的了解壓塊機的各部件組成情況，如圖2所示：
2.4壓塊機的工作原理
壓塊原理：物料通過喂料斗及喂入螺旋機構的輸送，被均勻、連續地喂入環模與壓輥之間的腔體中。通過環模與壓輥的相對運動把物料帶入環模與壓輥的間隙中，物料被旋轉的壓輥不斷地擠入環模孔內。在強烈的擠壓下，物料克服孔壁的摩擦阻力，不斷從環模孔中呈條狀擠出。擠出時，條狀的物料被機體外殼上的切片切成長度適宜的草塊。
3、壓塊機主軸的有限元分析
主軸是壓塊機的重要組成部件。秸稈壓塊時常出現物料堵塞的現象，這時主軸受到強大的扭矩作用。為了保證在最惡劣情況下主軸具有足夠的強度，需要對主軸進行有限元分析。
3.1 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ANSYS中進行分析。圖3是導入ANSYS的主軸幾何實體模型。
3.2對主軸進行有限元網格劃分
ANSYS中網格劃分的方法主要有自由、映射以及掃掠等方法。網格劃分的好壞直接影響到后續計算的速度與計算的精度。此處為了使得劃分的網格均勻，采用掃掠與自由劃分相結合的方法進行網格劃分。
圖4為網格劃分示意圖（有限元模型）。由于結構比較規則，適宜采用ANSYS9.0中的solid95六面體單元進行網格劃分，劃分結果：節點總數為19168，單元總數為12024。
3.3 求解
在求解之前定義有限元分析的邊界條件，分別為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12.9Mpa，小于許用應力40Mpa。軸的設計滿足設計要求。
3.4分析比較
經過ANSYS的分析計算得到075軸的橫截面應力分布如圖5。X，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Ø75軸剪切應力的等值線圖。
根據設計經驗，階梯軸應力分布完全符合實際應力分布情況。證明了ANSYS分析結果的正確性。
根據材料力學的最大應力計算公式：
理論計算得到∮75軸所受最大應力值為11.5Mpa，這與有限元分析的結果最大剪切應力為12.9Mpa很相近。進一步證明了ANSYS有限元分析軟件分析結果的正確性。
4、主軸的模態分析
4.1模態的概念
模態是結構系統的一種屬性，表征模態的特征參數是振動系統各階固有頻率、振型、模態質量、模態剛度和模態阻尼等。不論何種阻尼情況，機械結構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參數組成的各階振型模態的疊加。模態分析就是用模態參數來表示結構系統的運動方程并確定模態參數的過程。
有限元模態分析的核心問題就是找到結構的各階固有頻率以及機構的彎曲剛度與扭轉剛度的分布情況。知道了固有頻率，就可以指導機構設計和使用。使得設計固有頻率和使用時的外部激振頻率相避開。同時根據剛度的分布情況可以指導機構剛度的改進，提高整體剛度分布，以保證機構使用的可靠性。
4.2主軸的有限元模態分析
主軸的彈性模量E=2.08xl05MPa，泊松比u=0.3，密度p 1.8x10.6Kg/mm3。根據主軸的材料與幾何參數，采用Block Lanczos（蘭索斯法）方法，計算得到主軸前25階振型，其中主要振型如下表：
4.3主軸模態的結果分析
由振型的分布情況可以看出，當外部激振頻率低于22Hz時，主軸整體機構的剛性足夠。當激振頻率大于150Hz，并且不斷增高后，階梯軸將不受到擾動，工作穩定。但此時，裙板的變形明顯增大，剛性嚴重不足。當工作頻率高于51Hz時，需要改變裙板的尺寸或結構
來提高其剛性。
5、結論與討論
D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)由本文的計算結果可知，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，而且又節省材料。所以有必要對主軸進行進一步的結構優化。
優化后可以很方便的通過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構優化設計，以得到滿意的設計結果。
富通新能源銷售秸稈壓塊機、
秸稈顆粒機等生物質燃料成型機械設備。
