紫菜滤杂装备中吸滤装置的强度分析_毛彬彬.pdf

2023 年 3 月下南方论坛9South Forum紫菜滤杂装备中吸滤装置的强度分析*毛彬彬，陈劲松，韩服善，宋应杰（江苏海洋大学创新创业学院，江苏 连云港 222005）摘要：紫菜滤杂装备通过吸滤装置分离出混入紫菜中的杂物，吸滤装置主要由滤筒和剔盘组组成。工作中的吸滤装置会受到各种力的耦合作用，导致主要构件有可能变形失效，从而影响装备的正常运行和滤杂效果，所以需对吸滤装置进行强度分析。运用三维建模软件SolidWorks对吸滤装置进行建模，利用ANSYS对模型进行有限元分析。通过滤筒和剔盘组的应力和应变云图得出应力分布情况，仿真结果表明：滤筒的最大位移为0.129 mm，最大应力为102.54 MPa；剔盘组的最大位移为0.124 mm，最大应力为89.46 MPa。吸滤装置工作时的组成构件变形较小，满足刚度要求；最大应力远小于材料的许用应力，满足强度要求。该吸滤装置结构设计合理，能够为后续吸滤装置的优化设计和样机试制提供理论参考。关键词：吸滤装置；应力；强度；变形中图分类号：TS254.3 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.06.0030 引言鲜紫菜的除杂环节对紫菜成品的品质至关重要1-3，而除杂效果又取决于紫菜滤杂装备中的关键部件，即吸滤装置，其主要由组合式滤筒和剔盘组组成，滤筒的滤缝可根据不同物料、不同工艺阶段进行随意调节和设置，剔盘组用于动态剔除堵塞在滤缝内的杂物，保持滤缝始终畅通无阻。滤筒在工作中同时承受剔盘组的离心力、滤筒的离心力、混流泵吸滤时产生的离心力和轴向推力等，而剔盘组同样会受到各种离心力以及吸滤时产生的混合物的压力，受力情况非常复杂，强度和刚度很难用解析法完全计算。滤筒和剔盘组在各种力的耦合作用下，极易产生变形，导致滤筒滤缝增大，甚至使得插入滤筒的剔盘和滤筒发生剧烈摩擦。因此，应合理设计吸滤装置的结构，提高其强度和刚度，这对于整个紫菜滤杂装备的使用稳定性和可靠性至关重要。课题组建立了紫菜吸滤装置的样机模型，对滤筒和剔盘组进行有限元分析，模拟其在各种载荷作用下的应力变化和结构变形等，验证吸滤装置结构尺寸设计的合理性，为后续样机试制提供了理论依据。1 吸滤装置几何模型利用SolidWorks建立三维模型，为了降低有限元模型的复杂程度，在保证精度的前提下尽可能减少计算量，对模型结构进行了适当简化4-5，将原本由若干滤盘组装而成的滤筒和由若干剔盘组装而成的剔盘组作为整体进行分析，简化后的模型如图1所示，主要由滤筒和剔盘组组成。吸滤装置中的滤筒和剔盘组主要参数如表1所示。图1吸滤装置几何模型表1吸滤装置主要部件参数参数数值滤筒外径/mm260长度/mm500厚度/mm10剔盘直径/mm130厚度/mm0.5滤筒内部筋板厚度/mm20工作原理：主轴电机通过齿轮传动驱动滤筒和剔盘组转动，经混流泵的负压抽吸，紫菜与水的混合物通过滤筒上的滤缝进入滤筒，而体积较大的杂物则被阻隔在滤筒之外，滤杂后的紫菜和水经过出料口被抽出吸滤装置，为了防止杂物吸附或堵塞在滤缝上，通过剔盘组连续转动将其剔除掉。基金项目：江苏省苏北科技专项（SZ-LYG202121）；江苏省农业科技自主创新基金（cx（19）3084）作者简介：毛彬彬（1973），男，江苏无锡人，硕士研究生，讲师，研究方向为农业机械化工程。剔盘组滤筒南方论坛102023 年 3 月下South Forum2 吸滤装置有限元仿真在吸滤装置工作时，滤筒主要受到自身转动产生的离心力、剔盘组转动产生的离心力、泵抽吸时作用在液体上的离心力和轴向推力6-7，剔盘组主要受到自身转动产生的离心力和滤筒转动产生的离心力，所以需要分析滤筒和剔盘组在各种力的耦合作用下，其变形和应力情况是否满足设计要求。2.1 零部件材料物理特性吸滤装置是紫菜滤杂装备的关键部件，要求其具备较强的耐腐蚀性、较高的强度和刚度，因此选取304不锈钢作为研制材料，材料物理特性如表2所示。表2材料物理特性材料名称弹性模量/GPa泊松比密度/（kg/m3）抗拉强度/MPa屈服极限/MPa304L2090.297 8606203452.2 吸滤装置网格划分采用ANSYS软件进行网格划分，通过精细的网格单元尺寸控制方式，对紫菜吸滤装置进行六面体网格划分8-10，本装置总共有48 483个单元，275 568个节点，网格划分后的模型如图2所示，网格质量如图3所示。从图中可以看出，网格整体质量在0.85到1之间，说明网格质量达标，符合要求11-12。图2网格划分结果图3网格质量2.3 强度评价指标吸滤装置的材料为304不锈钢，属于塑性材料，通常以屈服的形式失效，在强度分析时一般采用第三或第四强度理论。实际工作时，材料往往受三向应力的作用，而且实验表明第四强度理论最符合这类材料的实际情况，因而在强度评价中通常采用第四强度理论导出的等效应力（即ANSYS后处理器中的Von Mises Stress）来评价13-14。2.4 仿真结果分析2.4.1位移结果分析在吸滤装置上添加固定约束以及载荷作用后15，通过软件求解，得到装置各构件变形和应力结果，变形云图如图4所示。其中，滤筒的最大位移为0.129 mm，位于滤筒的筒体上；剔盘组的最大位移为0.124 mm，位于插入滤缝的剔盘外缘处，两者的变形都比较小，说明紫菜吸滤装置在工作过程中的整体刚度和稳定性满足设计要求。（a）滤筒变形云图（b）剔盘组变形云图图4吸滤装置变形云图2.4.2应力分析结果紫菜吸滤装置各构件应力云图如图 5 所示，其中，滤筒的最大应力为102.54 MPa，剔盘组的最大应力为89.46 MPa，说明装置在工作过程中，各构件所2023 年 3 月下南方论坛11South Forum受最大应力远小于材料的许用应力，吸滤装置结构强度满足设计要求。（a）滤筒应力云图（b）剔盘组应力云图图5吸滤装置应力云图2.5 位移矢量分布曲线图剔盘组和滤筒在工作过程中的位移矢量云图如图6所示，从图中可以看出，在各种力的耦合作用下，滤筒内部筋板和出料端的位移矢量最大，其次是插入滤筒滤缝中的剔盘，符合实际情况需求16。图6位移矢量云图3 结论本文设计了滤杂装备中的核心部件吸滤装置，并用SolidWorks软件对其进行三维建模，在考虑吸滤装置工作时所受各种外力作用的条件下，用ANSYS软件对吸滤装置各组成构件进行变形和强度分析。分析结果表明：所设计结构的最大应力远小于材料的屈服强度，最大变形量很小，所以该设计满足强度、变形要求，验证了设计方案的合理性。参考文献：1 冯智银.条斑紫菜干紫菜加工技术J.渔业现代化，2002(5)：29-30.2 朱文嘉，王联珠，郭莹莹，等.我国紫菜产业现状及质量控制J.食品安全质量检测学报，2018，9(13)：3353-3358.3 王志聪，刘桃英，胡月珍，等.江苏出口条斑紫菜产业质量状况研究J.安徽农业科学，2018，46(11)：207-209.4 胡显辉，邓年春，郝天之.箱型梁桥荷载试验有限元模型简化研究J.西部交通科技，2021(1)：113-116.5 高峰，武殿梁，程奂翀，等.大型有限元网格模型的快速简化与交互绘制J.机械设计与制造，2011(4)：15-17.6 张德胜，施卫东，潘大志，等.基于数值模拟的特种混流泵水力性能优化与试验J.机械工程学报，2014，50(6)：177-184.7 夏铖.基于CFD-DEM方法的两级混流泵内部粗颗粒固液两相流特性研究D.镇江：江苏大学，2019.8 王华侨.结构有限元分析中的网格划分技术及其应用实例J.CAD/CAM与制造业信息化，2005(1)：42-47.9 虞松，赵国群，王广春，等.金属塑性成形有限元六面体网格自动划分J.塑性工程学报，2004(4)：48-51.10 谢莉，许第洪，李小龙.斜流泵结构强度及振动特性分析J.CAD/CAM与制造业信息化，2010(7)：57-61.11 杜平安.有限元网格划分的基本原则J.机械设计与制造，2000(1)：34-36.12 王明强，朱永梅，刘文欣.有限元网格划分方法应用研究J.机械设计与制造，2004(1)：22-24.13 张显程，巩建鸣，涂善东，等.不同材料涂层/基体界面应力的有限元评价J.南京工业大学学报（自然科学版），2002(4)：22-25.14 刘楚强.浅述无滤布真空吸滤系统 J.热带农业工程，2003(3)：19-21.15 朱石明，傅澄朋，陈柏传.电子焊接烟雾吸滤处理装置J.发明与创新（中学生），2020(7)：22-23.16 黄汉东，王玉兴，唐艳芹，等.甘蔗切割过程的有限元仿真J.农业工程学报，2011，27(2)：161-166.