运用Solidworks软件建立碾米机主轴的实体模型，通过软件接口把模型导入到有限元分析软件 ANSYS Workbench中［3］，对碾米机主轴进行应力应变及模态分析，得到碾米机主轴的固有频率和振型，找出主立轴的应力分布规律和应力大多分布在区域;通过一系列分析各阶振型得到碾米机主轴较为薄弱的地方和敏感部位，为后续的碾米机结构参数设计提供依据。
为了获得主立轴的振动规律，对主立轴进行自由模态分析［10-11］，无约束和载荷施加，得到其前6阶非零振动固有频率及振型［12-13］。前6阶固有频率及其振型如图5所示，主立轴固有频率从299.59Hz到 1404.5Hz之间变化，且 1、2 阶为弯曲振动，3、4、6阶为扭转振动，第5阶位轴向方向的窜动。
运用Solidworks软件建立碾米机主轴的实体模型，通过软件接口把模型导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中:
(1)对碾米机主轴进行应力应变分析，得到主轴产生的最大径向变形位移为0.11374mm，最大应力为33.346MPa，均满足许用设计的基本要求，其发生最大变形的部位位于主轴和螺旋输送器相结合的部位，与理论计算的主轴易发生变形部位相一致。
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划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，所划分的网格形式将直接影响计算精度和计算规模［4-5］，本文对其进行尺寸控制的方法划分，并对其局部进行加密处理。网格模型共含有64292个节点，35788个单元。
该主立轴的结构是一个多自由度的振动系统，具有多个固有频率，在阻抗试验中表现为多个共振区，这种结构在自由振动时所具有的基本振动特性就是结构的模态［7-9］。由弹性力学有限元法，得主立轴振动系统的运动微分方程:
(2)通过主立轴的模态分析，得到碾米机主轴的固有频率和振型，找出主立轴的应力分布规律和主要应力集中区域;通过一系列分析各阶振型得到碾米机主轴较为薄弱的地方和敏感部位，为后续的碾米机结构参数设计提供依据。
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材料与边界条件选择:根据现有碾米机主立轴材料40Cr，其抗拉强度为980MPa，屈服极限为785MPa，密度为 7.85e03kg/m3，杨氏模量为210GPa，泊松比为 0.28，切变模量为 82.03GPa，选中主轴两端面，并设置其在x、y、z方向的自由度均为0。
若无外界的力的作用，即{F(t)}={0}，则得系统的自由振动方程。在求解结构自由振动的固有频率和振型时，阻尼对它们影响不大，因此，阻尼项可忽略，这时无阻尼自由振动的运动方程为:
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定义完所有的边界条件以后，对有限元模型进行求解［6］。静力学分析主要为了求解要得到主轴在设定边界条件下的的总体变形、等效von-Mises应力和等效应变的结果，如图4所示，由计算结果可知，主轴产生的最大径向变形位移为0.11374mm，其发生最大变形的部位位于主轴和螺旋输送器相结合的部位，与理论计算的主轴易发生变形部位相一致，由计算结果可知，主立轴的最大应变小于正常工作的许用挠度为［y］=0.0002L=0.1mm(L 为轴承间的距离)，满足米刀和筛架最小间隙设计值，应力小于材料许用应力，不会影响主轴的正常转动。
碾米是运用物理机械的方法将糙米的糠层部分剥除，加工成为成品米的工艺过程。动力由电动机输出，经带传动传递到主立轴，主立轴带动螺旋输送器、砂辊，和拨米轮转动，糙米由进料口进入碾米室，碾白过程中通过螺旋输送器克服糙米自身重力，使其自下而上输送，由于碾辊的非常快速地旋转，米粒流受到离心力的作用，碾辊制成砂条和米筛均布在筛框上，碾辊筒为圆环柱体，在外表面开有2个对称槽，用于安装米刀;辊体表面开有喷风孔，位于米刀的后向面一侧，这种结构可在喷风孔处形成负压区，空气从这一区域喷出时的压力差较大，形成气流涡流的区域广且剧烈，加剧了米粒的翻滚运动，有利于提高碾米的工艺效果，具体结构如图2所示。米刀搅动米流，大米在离心力和喷风气流的共同作用下可很好地与砂条进行接触，最后完成糙米脱壳及排糠工作。
【作者单位】武汉轻工大学机械工程学院，武汉430023;广东振声科技股份有限公司，广东梅州514700;内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特010018;武汉轻工大学机械工程学院，武汉430023
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常见的外碾削立式碾米机的碾白室横截面上米粒流体密度均匀，因而碾白压力均匀，且米粒自上而下，多数米粒长轴方向与碾轴轴线基本平行，在运动过程中，改善糙米的受力状况，受弯曲与剪切的几率较少，碎米率较低，深受碾米用户喜爱。外碾削立式碾米机如图1所示。
图1 外碾削立式碾米机1-进料口 2-螺旋输送器 3-传动轴 4-碾白室5-出料口 6-排糠室 7-传动系统
碾米过程中的碎米率过高一直困扰着我国稻谷加工业的发展［1］，碾米机是大米加工的关键设备，其性能必然的联系到大米的产量和质量［2］。因此，如何提升碾米机的设计水平、改善碾米机性能、减少碾米工艺流程中产生的碎米，对保证我国粮食安全具备极其重大意义。碾米机械系统中的核心部件主立轴，是电动机和工作部件间的传动装置，用来传递转速和转矩，其合理的结构设计不仅能延长部件的常规使用的寿命，同时还能大大的提升传动精度，降低碎米率。
