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摘要通过对定间隙核桃破壳机主轴的动态响应分析，考虑到核桃破壳时挤压力在不断变化，主轴受力不均匀，综合其转速、材料和结构配置等因素，建立动态响应模型。结果表明，降低轴系固有频率，选择合适轴承，减轻主轴重量，采用对称设计，能够有效提高主轴的动态响应特性，改善破壳的质量和安全性能。
关键词主轴；模态分析；谐响应；破壳
中图分类号S226文献标识码A文章编号0517-6611（2014）24-08463-03
Dynamic Response Analysis of Fixed Clearance Spindle Walnut Sheller
ZHANG Hong， MA Yan et al（1.Forestry and Wood Mechanical Engineering Technology Center， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040； 2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Tarim University， Alar， Xinjiang 843300； 3. Xinjiang Key Lab of Modern Agricultural Engineering Alar， Xinjiang 843300）
AbstractBased on the spindle design walnut sheller clearance and the walnut shell dynamic response analysis， considering that during breaking of the walnut shell pressures are continuously changing， that the resulting stresses on the main shaft are not uniform and combined with other factors as speed of rotation， material and configuration of the shaft， a dynamic response model was established. The results showed that： reducing the natural frequency of the shaft， choosing the right bearing， reducing the weight of the spindle， symmetrical design， can effectively improve the dynamic response characteristics of the spindle， improve the quality and safety performance of the walnut shelling.
Key wordsPrincipal axis； Modal Analysis； Harmonic response； Walnut shell
自1965年原八機部下达核桃脱壳机研制课题以来，我国已有几十部破壳机问世了，其中具有单一破壳功能的破壳机结构简单、价格低廉而受到广大小型农业主的青睐，而能够完成破壳、分离、清选、分级4项功能的大型破壳机在大型企业中应用普遍。现今比较先进的破壳机有①6BK22破壳机一次喂料加工的核仁就直接可以装袋；②锦州俏牌集团的TFHS1500型核桃除杂破壳机组，可以一次性完成破壳、去皮、分级等操作；③6BH720破壳机效率高，功耗小而备受公司喜爱。
定间隙核桃破壳机对核桃进行破壳加工的过程中，保证破壳品质的重要前提是确保破壳机主轴的稳定性和安全性，因此主轴结构的设计是保证破壳品质的重要一环。而对主轴动态响应的分析可以为主轴结构的设计提供理论基础，从而对主轴进行进一步的优化。
1核桃破壳机主轴结构设计
定间隙核桃破壳机结构紧凑，加工中无需事先对核桃分级，破壳效果好。破壳机的主轴为其关键部件，工作中受到动载的作用，转速要求达800 r/min。因此在设计过程中要考虑到主轴的受力、平衡以及摩擦滚动问题[1]。其结构如图1所示。
注：1-轴①；2-挤压辊；3-轴②。
图1主轴结构由图1可知，轴1、轴2与挤压辊过盈配合，轴2的右端有皮带轮，受V带的张紧力，第二个键槽装有齿轮，为传递到下一个挤压辊的轴上形成相对挤压。挤压辊为减轻重量设计时设计为空腔结构。为避免旋转中产生不平衡动载选用较大的过盈配合。由于该轴是核桃破壳的关键部件，核桃破壳时产生的力对双辊间隙有一定的影响。同时在双辊转动过程中，也会产生一定的动载，会影响双辊之间的间隙。最终对核桃破壳的质量产生影响。再加上该轴相对受力复杂、结构上较为复杂，因此需要对其动力学进行分析。由于该轴为较大的过盈配合，在分析时按整体对待进行分析。
2主轴的模态分析
2.1动力学建模 要进行动力学分析，需把实际的旋转机械抽象成计算模型[2]。建立合理的计算模型，要注意3点：（1）模型要与实际工况一致；（2）根据现有的计算方法创建合理的模型；（3）要明确模型的建立是为了进行固有频率和谐响应的分析。
为便于计算，将左端主轴的轴与轴承的轴线的交点处视为固定端，其右端主轴的轴与轴承的轴线的交点处视为沿轴向的游动端，并且将主轴简化为刚性支撑，把主轴的静态特性视为空间弹性梁。建立特性分析模型[3-4]如图2所示。
图2特性分析模型2.2单元类型的选择和网格划分建立的模型选用10节点SOLID92三维实体单元，对模型进行网格划分，得出有限元网格模型如图3所示[5]。该模型共有46 086个单元，节点数为69 948。 图3网格划分图4主轴的静力变形2.3主轴静态变形的有限元计算对主轴模型左端轴承处施加全约束，右端轴承处施加Y轴和Z轴的约束，加载皮带轮的张紧力和核桃的挤压力后，经过ANSYS分析计算得到主轴的静力变形图[6]，如图4所示。
2.4固有频率根据振动学理论，在直杆均匀伸缩时可直接由公式求得其固有频率，而该研究的主轴由于结构的差异使得其伸缩不均匀，所以最好的办法是利用ansys的模态分析功能对主轴进行固有频率的分析。
固有频率分析包括建模、施加载荷和求解和查看结果等几个步骤。
（1）建模。模态分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立几何模型和划分网格等。但需注意的是：模态分析是线性分析，非线性特性将被忽略掉，必须定义材料的弹性模量和密度。
（2）施加载荷和求解。包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的求解等。
图5幅频响应曲线图6相频响应曲线5结论
通过ANSYS的分析，总结出了提高动态响应特性的主要措施。
（1）降低轴系的固有频率。主轴系统的弯曲及摇摆振动，在主轴右轴承端。因此设备加工的重点是右轴承端。最有效的方法是提高轴组件的刚度和阻尼，而轴承的预紧力和轴承的载荷对其刚度影响最大。
（2）适当选择轴承。选择轴承的原则是最大限度的缩短主轴的前悬伸。
（3）减轻主轴的重量。由于破壳所需的挤压力不是很大，在保证破壳强度的基础上可以考虑主轴中空设计。
（4）提高主轴动态性能。最好采用对称设计，并且减少主轴的键联接，改用过盈配合，最好的方法是通过ANSYS的优化工具对主轴系统进行优化处理。
42卷24期张 宏等定间隙核桃破壳机主轴的动态响应分析参考文献
[1] 史建新，辛动军.国内外核桃破壳取仁機械的现状及问题探讨[J].新疆农机化，2001（6）：29-32.
[2] 曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004：249-297.
[3] 樊振纲，李强.基于ANSYS和ADAMS的发动机曲轴动力学仿真[J].机械制造与自动化，2007，36（3）：89-91.
[4] 武清玺.理论力学[M].北京：高等教育出版社 ，2003.
[5] 张朝晖.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2010.
[6] 李实.阶梯轴的有限元分析及其优化专业软件的开发[D].长沙：湖南大学，2008.
[7] 张宏，孙永华，张有强.欧式木窗专用推台铣主轴的动态响应分析[J].中南林业科技大学学报，2010（6）：136-139.
[8] 高耀东，刘学杰.ANSYS机械工程应用精华50例[M].北京：电子工业出版社，2011.
关键词主轴；模态分析；谐响应；破壳
中图分类号S226文献标识码A文章编号0517-6611（2014）24-08463-03
Dynamic Response Analysis of Fixed Clearance Spindle Walnut Sheller
ZHANG Hong， MA Yan et al（1.Forestry and Wood Mechanical Engineering Technology Center， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040； 2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Tarim University， Alar， Xinjiang 843300； 3. Xinjiang Key Lab of Modern Agricultural Engineering Alar， Xinjiang 843300）
AbstractBased on the spindle design walnut sheller clearance and the walnut shell dynamic response analysis， considering that during breaking of the walnut shell pressures are continuously changing， that the resulting stresses on the main shaft are not uniform and combined with other factors as speed of rotation， material and configuration of the shaft， a dynamic response model was established. The results showed that： reducing the natural frequency of the shaft， choosing the right bearing， reducing the weight of the spindle， symmetrical design， can effectively improve the dynamic response characteristics of the spindle， improve the quality and safety performance of the walnut shelling.
Key wordsPrincipal axis； Modal Analysis； Harmonic response； Walnut shell
自1965年原八機部下达核桃脱壳机研制课题以来，我国已有几十部破壳机问世了，其中具有单一破壳功能的破壳机结构简单、价格低廉而受到广大小型农业主的青睐，而能够完成破壳、分离、清选、分级4项功能的大型破壳机在大型企业中应用普遍。现今比较先进的破壳机有①6BK22破壳机一次喂料加工的核仁就直接可以装袋；②锦州俏牌集团的TFHS1500型核桃除杂破壳机组，可以一次性完成破壳、去皮、分级等操作；③6BH720破壳机效率高，功耗小而备受公司喜爱。
定间隙核桃破壳机对核桃进行破壳加工的过程中，保证破壳品质的重要前提是确保破壳机主轴的稳定性和安全性，因此主轴结构的设计是保证破壳品质的重要一环。而对主轴动态响应的分析可以为主轴结构的设计提供理论基础，从而对主轴进行进一步的优化。
1核桃破壳机主轴结构设计
定间隙核桃破壳机结构紧凑，加工中无需事先对核桃分级，破壳效果好。破壳机的主轴为其关键部件，工作中受到动载的作用，转速要求达800 r/min。因此在设计过程中要考虑到主轴的受力、平衡以及摩擦滚动问题[1]。其结构如图1所示。
注：1-轴①；2-挤压辊；3-轴②。
图1主轴结构由图1可知，轴1、轴2与挤压辊过盈配合，轴2的右端有皮带轮，受V带的张紧力，第二个键槽装有齿轮，为传递到下一个挤压辊的轴上形成相对挤压。挤压辊为减轻重量设计时设计为空腔结构。为避免旋转中产生不平衡动载选用较大的过盈配合。由于该轴是核桃破壳的关键部件，核桃破壳时产生的力对双辊间隙有一定的影响。同时在双辊转动过程中，也会产生一定的动载，会影响双辊之间的间隙。最终对核桃破壳的质量产生影响。再加上该轴相对受力复杂、结构上较为复杂，因此需要对其动力学进行分析。由于该轴为较大的过盈配合，在分析时按整体对待进行分析。
2主轴的模态分析
2.1动力学建模 要进行动力学分析，需把实际的旋转机械抽象成计算模型[2]。建立合理的计算模型，要注意3点：（1）模型要与实际工况一致；（2）根据现有的计算方法创建合理的模型；（3）要明确模型的建立是为了进行固有频率和谐响应的分析。
为便于计算，将左端主轴的轴与轴承的轴线的交点处视为固定端，其右端主轴的轴与轴承的轴线的交点处视为沿轴向的游动端，并且将主轴简化为刚性支撑，把主轴的静态特性视为空间弹性梁。建立特性分析模型[3-4]如图2所示。
图2特性分析模型2.2单元类型的选择和网格划分建立的模型选用10节点SOLID92三维实体单元，对模型进行网格划分，得出有限元网格模型如图3所示[5]。该模型共有46 086个单元，节点数为69 948。 图3网格划分图4主轴的静力变形2.3主轴静态变形的有限元计算对主轴模型左端轴承处施加全约束，右端轴承处施加Y轴和Z轴的约束，加载皮带轮的张紧力和核桃的挤压力后，经过ANSYS分析计算得到主轴的静力变形图[6]，如图4所示。
2.4固有频率根据振动学理论，在直杆均匀伸缩时可直接由公式求得其固有频率，而该研究的主轴由于结构的差异使得其伸缩不均匀，所以最好的办法是利用ansys的模态分析功能对主轴进行固有频率的分析。
固有频率分析包括建模、施加载荷和求解和查看结果等几个步骤。
（1）建模。模态分析的建模过程与其他分析相似，包括定义单元类型、定义单元实常数、定义材料特性、建立几何模型和划分网格等。但需注意的是：模态分析是线性分析，非线性特性将被忽略掉，必须定义材料的弹性模量和密度。
（2）施加载荷和求解。包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的求解等。
图5幅频响应曲线图6相频响应曲线5结论
通过ANSYS的分析，总结出了提高动态响应特性的主要措施。
（1）降低轴系的固有频率。主轴系统的弯曲及摇摆振动，在主轴右轴承端。因此设备加工的重点是右轴承端。最有效的方法是提高轴组件的刚度和阻尼，而轴承的预紧力和轴承的载荷对其刚度影响最大。
（2）适当选择轴承。选择轴承的原则是最大限度的缩短主轴的前悬伸。
（3）减轻主轴的重量。由于破壳所需的挤压力不是很大，在保证破壳强度的基础上可以考虑主轴中空设计。
（4）提高主轴动态性能。最好采用对称设计，并且减少主轴的键联接，改用过盈配合，最好的方法是通过ANSYS的优化工具对主轴系统进行优化处理。
42卷24期张 宏等定间隙核桃破壳机主轴的动态响应分析参考文献
[1] 史建新，辛动军.国内外核桃破壳取仁機械的现状及问题探讨[J].新疆农机化，2001（6）：29-32.
[2] 曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004：249-297.
[3] 樊振纲，李强.基于ANSYS和ADAMS的发动机曲轴动力学仿真[J].机械制造与自动化，2007，36（3）：89-91.
[4] 武清玺.理论力学[M].北京：高等教育出版社 ，2003.
[5] 张朝晖.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2010.
[6] 李实.阶梯轴的有限元分析及其优化专业软件的开发[D].长沙：湖南大学，2008.
[7] 张宏，孙永华，张有强.欧式木窗专用推台铣主轴的动态响应分析[J].中南林业科技大学学报，2010（6）：136-139.
[8] 高耀东，刘学杰.ANSYS机械工程应用精华50例[M].北京：电子工业出版社，2011.