基于simulation的...旋挤压脱水装置的有限元分析_王立铮.pdf

1342023 年 4 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备基于 simulation 的螺旋挤压脱水装置的有限元分析*王立铮，陈文清，周美娟，高鹏凯（郑州科技学院机械工程学院，河南 郑州 450000）摘要：【目的】变径变螺距式螺旋挤压装置对厨余垃圾能够起到很好的挤压效果，该挤压装置具有结构设计紧凑、工作脱水效率高、使用成本低、空间利用率好、后期维护时关键结构可更换性强等一系列特点，但是该装置在使用过程中因受到较强的挤压力存在易损坏部位。【方法】课题组对螺旋叶片进行了有限元分析，包括模型设计、尺寸参数设计、模型优化、导入模型、材料选择、划分网格、受力分析、螺旋叶片在等轴径和变轴径中的应力分析以及旋转主轴的优化设计。【结果】通过改变旋转主轴的后端轴径，可提高螺旋挤压结构的综合性能；适当放大轴的前端轴径以及在联轴器连接处与工作区连接处进行合适的圆角处理，也能明显提高轴的综合性能以及降低轴工作时产生的最大应力值，有效避免应力集中问题。【结论】相比于传统的螺旋挤压脱水装置，变径变螺距变轴径螺旋挤压装置不仅提高了螺旋挤压的脱水效率，还提升了螺旋叶片主要承压部位的强度以及螺旋叶片的综合性能。关键词：螺旋挤压；脱水设备；有限元分析；结构优化中图分类号：TS212.3；TQ051.8 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.0400 引言目前，厨余垃圾处理设备的设计中，固液分离装置多数依然采用变径变螺距式螺旋挤压结构来实现功能。该挤压装置具有结构设计紧凑、工作脱水效率高、使用成本低、空间利用率好、后期维护时关键结构可更换性强等一系列特点1。基于这些特点，螺旋挤压装置的适用范围非常广，不仅在厨余垃圾处理设备上使用较多，在传送运输设备、工业固液分离设备、工业掘土机、干燥设备等领域都有所应用。现阶段，螺旋叶片的模型理论设计技术已非常完善，有相似分析法、仿真设计法、数字模拟法、软件仿真设计法等2。但是由于螺旋叶片的使用范围不同，使该结构在一些特定的工作场所使用时，需要对结构的特殊位置进行相应的设计改善。基于此，课题组对一种变径变螺距以及变轴径的螺旋叶片进行有限元静应力分析，通过应力分析将传统螺旋叶片和本次设计的螺旋叶片进行综合性能的数据对比，得出该类螺旋叶片的部分重要参考数据，可为螺旋叶片的成型设计提供理论参考。1 变径变螺距式螺旋挤压装置总结构及其工作原理螺旋挤压装置总结构如图1所示，主要由旋转主轴和螺旋叶片在电机的驱动下配合过滤桶共同组成脱水装置，其基本工作流程为：在电机和减速器的共同配合下为旋转主轴和螺旋叶片提供充足的扭矩，通过螺旋叶片和滤网的相对作用，当固液混合物从进料口进入后，会将其由低压区运输到中压区，由中压区对其进行初步挤压脱水以及对混合物进行初步挤压塑型，以便后续高压区能正常高效地工作；此外，中压区也起着缓冲作用，不仅为高压区提供物料进给，也为超负荷挤压处提供卸力空间；在物料进入高压区后，利用螺旋叶片的变径变螺距特点，使其在高压区承受较大挤压力，在该力的作用下完成固液分离的最终流程3；最后，通过螺旋挤压装置处理后的固体碎状物或结块状物料通过排料管进入后续固体处理装置，油水混合物顺着液体引流箱在收液器作用下进入油水收集箱进行后续的处理。1.电机；2.减速器；3.联轴器；4.进料箱；5.螺旋叶片；6.旋转主轴；7.过滤仓；8.排料管；9.引流箱；10.收液器；11.储液箱。图1螺旋挤压装置总结构基金项目：2021年河南省本科高校省级大学生创新创业训练计划项目“餐厨垃圾资源化利用一体机设计”的阶段性研究成果（S202112746023）作者简介：王立铮（1991），男，河南焦作人，硕士研究生，助教，研究方向为机械设计。2023 年 4 月下135Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备2 螺旋叶片的有限元分析对螺旋叶片进行有限元分析，其分析流程思路为：模型设计尺寸参数设计模型优化导入模型材料选择、划分网格、受力分析数据分析。2.1 模型设计螺旋设备的脱水功能是通过螺旋叶片的螺距以及轴径改变所实现的，主要工作原理是在脱水过程中，螺旋叶片与过滤仓组成的空间在物料向后运输的进程中体积逐渐减小，使物料在越来越小的空间内受到逐渐增大的挤压力，从而完成脱水4。该流程由于低压区仅起到运输物料的作用，中压区所受的力也相对较小，脱水的主要进程是在高压区完成的，所以高压区所受到的挤压力最大。因此，在设计的过程中，应着重对螺旋叶片的高压区，即尾部小螺距部分进行分析。此外，螺旋挤压装置的设计关键不仅仅在于螺旋叶片，对旋转主轴的设计也应着重分析5。在该螺旋挤压设备中对旋转主轴也进行了变径式设计，以提高螺旋叶片高压区的叶片强度以及脱水效率。螺旋叶片结构如图2所示。图2螺旋叶片结构2.2 尺寸参数设计模型基本尺寸：螺旋叶片厚度为5 mm；旋转主轴的总长度为 850 mm，等径轴工作区轴径均为 50 mm，变径轴前半部分轴径为50 mm，后半部分等距分别为55 mm、60 mm、65 mm、65 mm；螺旋叶片也采用变螺距式设计，总长度为800 mm，螺径由100 mm向70 mm线性减小。低压区螺距为200 mm，总长300 mm；中压区由2个螺距组成，分别为150 mm、110 mm，等距100 mm；高压区由3个螺距组成，分别为100 mm、80 mm、70 mm，等距100 mm。2.3 模型优化根据计算得出数据，通过SolidWorks进行螺旋叶片以及旋转主轴的模型设计，由于螺旋叶片在工作时，低压区受力较小，高负荷区主要集中在高压区，即螺旋叶片尾部。因此，为提高计算效率以及便于分析，可将模型进行简化处理6，简化后的模型如图3所示。通过对螺旋设备的高压区进行分析，得出螺旋叶片的易损点。图3简化模型2.4 导入模型并进行参数设置1）导 入 模 型：将 优 化 后 的 三 维 模 型 导 入SolidWorks中，并打开simulation插件选择新算例，建立静应力分析文件。2）材料填充：考虑到设备在实际使用过程中物料脱水的大多数力是由螺旋叶片挤压提供，所以螺旋叶片需承受较大的力，又考虑到材料成本、加工成本以及后期维护成本，所以该设备的螺旋叶片采用普通碳钢作为制造材料7。因此，材料填充选择普通碳钢，其屈服强度为220.59 MPa，泊松比为0.28。3）施加约束：由于本文仅进行静应力理论分析，不考虑摩擦力对叶片以及轴的作用，所以夹具选择固定几何体将优化后的轴两端进行固定。4）施加力：由于在螺旋挤压装置工作时螺旋叶片表面非承载压力面受力较小，而承载压力表面受力较大。因此，需对螺旋承载压力面施加大概两个表面压力差大小的梯度载荷力8，载荷力的公式为：P=-0.001 9L+0.76 （1）式中，P为荷载力，单位为MPa；L为螺旋挤压器挤压段的长度，约为390 mm。5）网格划分：由于该模型已经简化过，所以直接进行标准网格划分，颗粒为1 mm，公差为0.05 mm，比例为0.5。2.5 螺旋叶片在等轴径和变轴径中的应力分析2.5.1变径变螺距等轴径螺旋叶片通过静应力分析，等轴径螺旋叶片应力分布图如图4所示，等轴径螺旋叶片安全系数图如图5所示。由图4可以得出，螺旋叶片在工作时其尾部承受最大应力，最大应力值为267.2 MPa，已超出材料最大屈服强度。图 5 显示等轴径螺旋叶片最小安全系数为0.83，小于1，此时等轴径螺旋叶片的设计是不合格、不符合设计要求的9。且通过初步分析可以得出一个基本结论：螺旋叶片在工作过程中，中压区所受压力较小，最大压力主要集中在螺旋叶片的尾部区域，1362023 年 4 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备所以设计重点应偏向高压区。图4等轴径螺旋叶片应力分布图图5等轴径螺旋叶片安全系数图2.5.2变径变螺距变轴径螺旋叶片在尺寸数据以及参数设置均不改变的前提下，仅将旋转主轴由等径轴改为变径轴，进行相同静应力分析，变轴径螺旋叶片应力分布图如图6所示，变轴径螺旋叶片安全系数图如图7所示。由图6可知，螺旋叶片的最大应力发生区仍是螺旋叶片的尾端，但最大应力为190.3 MPa。图7显示变轴径螺旋叶片最小安全系数为1.2。由以上数据可得出，仅通过改变旋转主轴的后端轴径，便可提高螺旋挤压结构的综合性能，且满足设计要求。图6变轴径螺旋叶片应力分布图图7变轴径螺旋叶片安全系数图3 旋转主轴的优化设计为增强螺旋叶片的综合性能，提高挤压脱水的效率，旋转主轴采用变径式设计：旋转主轴的后端做适当的变径设计。另外，通过初步分析发现，变径式旋转主轴的主要应力发生部位为轴的前端，即与联轴器连接的部位。因此，在本次轴的设计中，对轴的前端轴径进行适当加大，以增强轴的综合性能，螺旋主轴的材料选择强度较高、切削加工性较好的45钢10，45钢的特性参数如表1所示，有限元分析参数设置如表2所示。表145钢的特性参数泊松比中抗剪模量/（N/m2）质量密度/（kg/m3）张力强度/（N/m2）屈服强度/（N/m2）0.298e+0107 8506.251085.3108表2有限元分析参数设置材料填充AISI1045钢约束施加主轴前端端面以及两个辅助固定圆柱面采用固定约束，主轴尾端使用轴承约束扭矩施加对主轴的工作圆柱面施加适当扭矩网格划分标准网格划分，颗粒为1 mm，公差为0.05 mm，比例为0.5经过相同的分析步骤发现，螺旋主轴的前端存在应力集中问题。因此，应对联轴器连接处与工作区连接处的轴径进行加粗，以此来避免轴前端的应力集中问题，提高轴的综合性能。在后续的分析中也发现，如果在该连接处适当地进行圆角处理，能很明显地提高轴的综合性能以及降低轴工作时产生的最大应力值，能有效避免应力集中问题。进行简单分析后发现，在该处做圆角的尺寸大小与轴的安全系数有非线性对应关系。连接处添加圆角处理分析结果如图8所示，连接处不添加圆角处理分析结果如图9所示。2023 年 4 月下137Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备图8连接处添加圆角处理分析结果图9连接处不添加圆角处理分析结果4 总结螺旋挤压脱水装置的主要受力部位在螺旋叶片尾部，因此在对螺旋叶片进行设计加工时，应对螺旋叶片的尾部，即高压区做出相应的调整，以应对螺旋叶片尾部应力集中问题。相比于传统的螺旋挤压脱水装置，变径变螺距变轴径螺旋挤压装置不仅提高了螺旋挤压的脱水效率，还提升了螺旋叶片主要承压部位的强度以及螺旋叶片的综合性能。另外，通过对轴的前端轴径进行适当的放大和在连接处做合适的圆角处理，也可以明显提高轴的综合性能。参考文献：1 李博，范德顺.动静环式螺旋挤压过滤机的有限元分析J.北京化工大学学报（自然科学版），2009，36(2)：92-95.2 蔡祖光.基于SolidWorks螺旋输送机螺旋叶片的展开设计J.粮食加工，2016，41(1)：50-52.3 张龙龙，贺李萍，常春，等.秸秆螺旋挤压脱水机叶片强度和变形的流固耦合分析J.农机化研究，2016，38(2)：26-30.4 贺李萍.秸秆螺旋挤压机的脱水试验研究D.郑州：郑州大学，2015.5 曾祥珺.新型螺旋挤压过滤机的研究D.北京：北京化工大学，2010.6 张涛然，晁晓洁，郭丽红，等.材料力学M.重庆：重庆大学出版社，2018.7 祝海容.普通中高碳钢性能及生产工艺的改进J.机械研究与应用，2016，29(4)：155-156+159.8 丁凤娟.微型智能餐厨垃圾处理设备开发D.滁州：安徽科技学院，2017.9 宫俊丽.轴材料的合理选择J.科技情报开发与经济，2010，20(6)：206-208.10 陆建忠.钢分类 与金属制品常用钢材 J.金属制品，1993(1)：39-41.南方农机 投稿须知南方农机 杂志为农业工程类学术期刊（TH），1970年创刊，由江西报业传媒集团主管主办，南方农机杂志社出版，半月刊，大16开，国内外