摘要：为解决磨梗机定期保养维修过程中机盖拆装不方便且存在一定的安全隐患等问题，对磨梗机盖进行了一系列的优化与改进。运用软件Solidworks 2019对磨梗机盖进行建模，分析磨梗机盖的侧翻开启、后翻开启两种开启方式，确定采用手动旋转蜗轮的侧翻开启方式；运用Solidworks Simulation根据磨梗机盖的实际工况计算出在重力作用下磨梗机盖最大内应力为9．874×105 N／m2，受到撞击后最大应力为1．444×108 N／m2，均小于材料的屈服强度2．482×108 N／m2，磨梗机盖受到撞击后不受约束端产生1．171 mm的最大位移，在最大位移处设计快速夹紧装置，完成传统设计方式的数字化验证，辅助设备元器件制造的改进优化，确保磨梗机盖在使用时的强度可靠。改进优化后的磨梗机盖已投入到实际生产中，使用效果良好。保养维修过程中，可由一名工人轻松开启、关闭磨梗机盖，其工作效率、安全性得到了大幅提高。

　　关键词：有限元分析；磨梗机盖；改进优化；Solidworks Simulation

　　Abstract：In order to solve the problems of inconvenient disassembly and assembly of the stem grinder cover and certain potential safety hazards in the process of regular maintenance and repair of the stem grinder，a series of optimization and improvement on the stem grinder cover is carried out．The software Solidworks 2019 is used to model the stem grinding machine cover，analyze the two opening modes of the stem grinding machine cover overturn opening and backward opening，and determine the overturn opening mode of manually rotating the turbine．According to the actual working conditions of the stem grinding machine cover，the maximum internal stress of the stem grinding machine cover under the action of gravity is 9．874×105 N／m2 by using Solidworks Simulation，maximum stress after impact is 1．444×108 N／m2，both are less than the yield strength of the material by 2．482×108 N／m2，the unrestrained end of the stem grinder cover will produce a maximumdisplacement of 1．171 mm after being impacted．A quick clamping device is designed at the maximum displacement to complete the digitalverification of the traditional design method，and the improvement and optimization of the manufacturing of auxiliary equipment components to ensure the reliable strength of the milling machine cover in use．The improved and optimized stem grinder cover has been put into actual production and has good effect．In the process of maintenance，a worker can easily open and close the stem grinder cover，which greatly improves the work efficiency and safety．

　　Key words：finite element analysis；stem grinder cover；improvement and optimization；Solidworks Simulation

　　引言

　　磨梗机是国家烟草专卖局某重点项目成果应用转化实验线上的主机设备。两台磨梗机串联来取代传统压梗和切梗设备，用途在于将烟梗加工成梗丝。而烟梗在磨室内完成加工之后，磨室内磨齿间隙会积留梗丝。如不及时清理磨齿间的残留梗丝，则容易产生霉变，影响产品质量。因此，维修保养人员拆卸磨梗机盖对磨片进行清洁保养就是非常重要的一个日常工作。

　　现有的磨梗机源自造纸行业中的盘磨机。盘磨机是在一定蒸汽压力条件下将木片等植物原料分离成纤维的一种分离设备，通过将木片送入盘磨机磨室中，木片在动盘与定盘形成的一定间隙的空间内受压缩、剪切、拉伸、扭转、冲击、摩擦等多次重复的外力作用，最终分离成纤维。盘磨机是一种连续打浆设备，生产时间一般连续2个月以上，且工作结束后不需要对磨室内部进行保养。将盘磨机引入烟草行业时，并未对磨梗机盖进行优化设计，因此磨梗机盖的拆装并不方便。因需承受蒸汽压力，磨梗机盖由铸铁加工而成，厚度30 mm、质量350 kg，通过18颗M22的螺栓固定在磨梗机的机体上，如图1所示。维修保养人员在进行日常保养时，需要借助手动葫芦进行吊装作业，将磨梗机盖拆卸吊装，拆卸工时长且存在一定的安全隐患。此外，长期频繁地拆、装磨梗机盖，容易损坏机体上的螺栓孔，恶化机械连接件。因此，对磨梗机盖进行改进优化具有重要的生产现实意义和一定的经济效益。生产过程中，磨梗机内部的动盘处在高速旋转状态，需要防止意外情况下磨齿从设备内甩出伤人，因此磨梗机盖的强度保障显得尤为重要。本文运用Solidworks 2019中的Solidworks Simulation对改良设计后的磨梗机盖进行内应力、离心力和碰撞力分析，验证设计的合理性。通过对磨梗机盖的改进优化，降低磨梗机盖拆装的劳动强度、提高工作效率与安全性、减少频繁拆装造成的零件损坏。

　　1磨梗机盖的开启方式选择

　　磨梗机应用于烟草加工后，生产过程不加蒸汽，出口为敞开式，物料磨细后从出料口直接落下。对磨梗机盖的机械强度要求降低，在保证安全生产的前提下，可减小壁厚，缩小法兰尺寸，降低磨梗机盖的质量，由原有的法兰螺栓连接改进成一体式开启方式。

　　基于现有的磨梗机盖进行改进设计，其中最重要的环节就是开启方式的设计，直接影响到维修保养人员的劳动强度、工作效率以及操作的安全性。

　　1．1磨梗机盖的设计参数与模型

　　磨梗机盖由铸钢铸造而成，材料的屈服强度为2．482×108 N／m2[1]。如图2所示建模后[2]，磨室盖理论质量为142 kg。由于是铸件，壁厚一般均比设计值25 mm大[3]，质量一般会超过理论值5％，取安全系数1．2[4]，本次设计按180 kg计算。

　　1．2侧翻开启

　　如图3所示，在磨梗机盖边缘轴向安装旋转轴，旋转轴与磨盘垂直。磨梗机盖通过旋转轴旋转侧翻，最大开启角度为115°。侧翻模式空间较大，可方便每班次的保养清洁，也可方便维修时拆卸磨盘。

　　1．3后翻开启

　　如图4所示，在磨梗机盖边缘径向安装旋转轴，旋转轴与磨盘平行。磨梗机盖通过旋转轴旋转后翻，最大开启角度为125°。根据现场设备实际情况，后翻模式空间较小，不能采用手动开启，最理想的方式为扇形气缸开启[3]。

　　1．4开启方式选择

　　通过以上分析，磨梗机盖的两种开启方式在功能与安全角度都能满足要求。结合设备在现场的空间情况，考虑操作维修保养方便以及改造后磨梗机盖开启装置的稳定性，确定采用侧翻开启方案。

　　选用侧翻的结构形式，下一步需要对转动关节进行设计选型，较为适合的有蜗轮蜗杆机构传动[5－6]。蜗轮蜗杆是一种结构紧凑、传动比大、在一定条件下具有自锁功能的传动机械结构。此处，考虑在磨梗机盖旋转轴处加装蜗轮蜗杆减速机，可直接用手或者电机驱动蜗杆带动蜗轮运动，实现磨梗机盖的开启与关闭。一方面有利于省力，另一方面在磨梗机盖侧翻开启的过程中可以自锁，磨梗机盖可以停留在开启的任意角度[7]。

　　手动开启结构相对简单、安全可靠、成本较低，需要操作人员旋转蜗轮上的手轮，操作不够方便。电动开启方便快捷、省力，但结构相对复杂、可靠性相对低于手动开启方式。考虑到正常生产中，磨梗机盖开启频率不高，一个工作日只需在生产结束后开启一次。综合成本性、操作便利性、可靠性等多因素考虑，确定采用手动旋转蜗轮的开启方式。设计参数如表1所示。

　　磨梗机盖的质量m＝180 kg，磨梗机盖的重心与铰链轴心之间的距离s＝0．65 m，取蜗杆蜗轮的传动效率η＝0．7[4]，则打开磨梗机盖需要的最大扭矩T1＝mg×s＝114 6．6 N·m；蜗轮蜗杆的传动比n＝62，则蜗杆上的输入扭矩T2＝T1／(n×η)＝26．43 N·m；手轮半径r＝0．2 m，转动手轮需要的力F＝T2／r＝132．15 N。通过计算，可以得出一名成年男子能较为轻松地旋转手轮打开或关闭磨梗机盖。

　　2磨梗机盖的优化设计与分析

　　2．1内应力计算

　　如图5所示，运用Solidworks 2019软件中的Solidworks Simulation版块进行分析[8－9]，固定磨梗机盖装铰链一端，在重力作用下磨梗机盖最大内应力为9．874×10 5 N／m2，小于材料的屈服强度2．482×108 N／m2，因此重力作用下结构满足使用。

　　2．2离心力和碰撞力计算

　　已知条件：磨盘转速n＝1 500 r／min，磨盘齿质量m＝11 kg，磨盘直径d1＝0．9 m，磨梗机盖内径d2＝0．525 m，磨盘齿与磨梗机盖的碰撞时间t＝0．003 s[4]。

　　磨盘线速度计算：

　　v＝πd1＝70．65 m／s

　　磨盘角速度计算：

　　ω＝2πn＝157 rad／s

　　利用角速度计算理想状态下的离心力：

　　F＝mrω2＝122 012 N

　　根据动量守恒定律Ft＝mv，利用线速度计算理想状态下的碰撞力：

　　F碰＝＝259 050 N

　　进行受力分析，如图6所示，在竖直方向上的碰撞分力Fy＝F碰×sin31°＝133 410 N。

　　上述计算的离心力和碰撞力[10－11]，均为理想状态最大值，在实际碰撞过程中磨梗机盖受到的撞击力将会更小。

　　构建力学模型[12－13]，施加约束，通过分析得出最大碰撞力的位置，如图7所示。由图可知，磨梗机盖受到撞击后最大应力为1．444×10 8 N／m2，小于材料的屈服强度为2．482×108 N／m2。磨梗机盖在受到撞击时，只会轻微损坏零件，不会造成人身伤害。撞击点位于磨梗机盖顶部位置，铸造磨梗机盖时可适当增加该区域的厚度。

　　2．3受撞击时的变形量分析

　　固定磨梗机盖装铰链一端，磨梗机盖在重力作用下，内部受飞出磨齿的离心力的冲击。运用Solidworks 2019中的Solidworks Simulation进行分析[14－15]，从图8中可以看出，磨梗机盖受到撞击后不受约束端将产生1．171 mm的最大位移。虽然位移不大，基于安全角度考虑，在最大位移处添加固定限位，可设计快速夹紧装置。

       2．4改进优化后磨梗机盖在现场的应用改进优化后的磨梗机盖已经经过测试并投入生产使用，维修保养过程中操作人员只需旋转手轮即可将磨梗机盖打开与合上，磨梗机盖的开启角度可以在0°~115°之间的任意角度停留，操作简单方便，图9为改进优化后的磨梗机盖在生产现场的应用。磨梗机盖不受约束端，设计了一个快速夹紧装置，有效防止磨梗机盖在受到磨齿撞击时产生位移。改进后的磨梗机盖，在开启／关闭速度、安全性、零件使用寿命等多方面完全优于改进前的磨梗机盖，如表2所示。

　　3结束语

　　(1)任何产品从一个行业跨界引入到另外一个行业，适用性难以达到100％[16]，因此在引入或者使用之初，有必要对相关不适用的部分进行改进优化，盘磨机从造纸行业引入到烟草行业中磨梗机盖的使用不便正说明了此问题的存在。

　　(2)通过对磨梗机盖的改进优化，在生产实际应用中，有效减轻了工人的劳动强度、提高了工作效率与生产安全、减少了频繁拆装过程造成的连接件损坏，完全能满足现场生产的使用要求。

　　(3)使用计算机辅助设计解决传统的经验设计方法的弊端，作为一种新的设计手段，降低了制造试验样品所带来的成本、缩短了产品设计到成功应用之间所需的时间。

　　(4)通过对改进之后的磨梗机盖进行静力学分析，准确的捕捉了磨梗机盖的静态位移总变形和应力分布情况，对工程实际生产应用具有重要的指导意义。

　　参考文献：

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