基于ANSYS_Workb...nch的螺旋脱水机结构优化_王东昌.pdf

设备管理与维修2023 2（上）装配的规范动作方法，从而在氧气附件装配过程形成有效控制，避免了装配后的壳体断裂和漏气现象的发生，提高氧气附件装配的质量和可靠性。为后续飞机同类机械产品组装件装配提供技术支持和借鉴作用。参考文献1赵威.飞机非封闭组件气密性的超声波检测技术研究 D.南京：南京航空航天大学，2018.编辑石跋序0引言目前，菜市场有机垃圾螺旋脱水机被普遍推广应用，但在实际应用中存在着脱水螺旋体因磨损导致强度不足而出现断裂的现象。脱水螺旋体是脱水机的关键核心部件，其主要结构为螺旋轴和螺旋叶片，强度要求高，而螺旋脱水机螺旋体结构设计的优劣则关系着整个脱水机的使用寿命及脱水效果。螺旋体的强度优化，是在预定工况下找到合理的结构参数，保证螺旋体处于良好的工作状态1。本文通过分析叶片厚度、螺旋直径（螺距）对螺旋体静强度的影响，进而选取较合理的结构参数、优化其强度，降低螺旋体的应力值和径向位移。最后，在分析螺旋体结构静力学的基础上分析结构参数，研究相关参数对螺旋体强度的影响趋势，对提升螺旋脱水机的使用寿命和脱水效果具有重要意义。1叶片厚度对螺旋体的强度影响螺旋体结构设计是由螺旋轴及螺旋叶片的相关参数选取决定的。螺旋叶片是螺旋体实现压缩脱水的主要部件，其厚度对实现脱水工艺不起作用，但厚度较小则会影响螺旋体强度和使用寿命。本文将从螺旋叶片最大 Von Mises 应力方面，来分析其对螺旋体静强度的影响。本文研究的螺旋压缩脱水机叶片设计厚度 10 mm，出于选择最优角度，从计算叶片厚度减小和增大两个方向对螺旋体最大 Von Mises 应力的影响，计算叶片厚度从 8 mm 到 12 mm五种尺寸参数的变化。计算结果经 Matlab 进行曲线拟合后，Von Mises 最大应力值随叶片厚度的变化关系如图 1 所示。可以看出，最大 Von Mises 应力随着叶片厚度的增加而减小：在叶片厚度为 89 mm（降 25.2 MPa）和 11 12 mm（降34.27 MPa）时，最大 Von Mises 应力随叶片厚度的增加减小趋势较“缓”；而在厚度为 9 10 mm（降 68.51 MPa）和 1011 mm（降61.7 MPa）时，最大 Von Mises 应力随叶片厚度的增加减小趋势较“急”。可见，叶片厚度增加对降低螺旋体的最大 Von Mises 应力值是有影响的。考虑到螺杆工作所处的环境腐蚀性较强，所处理的物料混有沙粒等硬质颗粒杂质、磨琢性也比较强，如果叶片厚度较薄，叶片外缘会较早地出现缺损，从而影响螺旋体脱水的效果。从这个角度考虑，叶片厚度应取较大值。因为增大叶片厚度有利于提高螺旋体强度，从而保证螺旋体的使用寿命。2螺旋轴直径对螺旋体强度的影响螺旋直径和螺距是螺旋体结构设计中十分重要的一对参数，它们的大小影响着螺旋脱水机的生产效率和强度。但由于螺距的设计是由处理物料及进料口物料的颗粒大小决定，所以更侧重研究螺旋轴的直径对螺旋体结构强度的影响。在产生轴向力相同的情况下，最后一节螺距的大小可以根据实际情况进行调整。这里仍取螺旋体的最后一节螺距为 240 mm。螺旋轴直径分别为 80 mm、90 mm、100 mm、110 mm、120 mm 时，对螺旋体结构静强度的影响。2.1螺旋直径和螺距对螺杆最大 Von Mises 应力的影响螺旋直径对螺旋体静强度的影响主要从最大 Von Mises 应力和径向位移 UX、UY及总体位移两类方面分析。基于 ANSYS Workbench 的螺旋脱水机结构优化王东昌，张燕（枣庄科技职业学院 山东滕州277569）摘要：螺旋体结构参数的设计及优化，是提高压榨脱水机螺旋体使用寿命及脱水效率的关键因素。通过三维有限元建模进行静力学强度分析，获得螺旋体工作状态下的应力分布场和位移分布场，进而调整设计参数中的叶片厚度、螺旋轴直径，优化其结构强度。关键词：螺旋脱水机；螺旋体结构；有限元分析；静力学强度分析中图分类号：TP273；TH132.1文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.02.10图 1Von Mises 最大应力值随叶片厚度的变化曲线30设备管理与维修2023 2（上）图 2 为最大 Von Mises 应力值（SMX）随螺旋直径的变化曲线。从图 2 可以看出，当螺旋轴直径小于 90 mm 时，最大 VonMises 在高位，但变化较“缓”；当螺旋轴直径大于 90 mm 时，最大 Von Mises 迅速减小且变化较“急”。2.2螺旋直径对螺旋体径向位移 UX、UY和总位移的影响图 3 为最大径向位移 UX、UY及 Total Displacement 随螺旋直径的变化曲线，可以看出最大径向位移 UX、UY及总体位移都随螺旋轴直径的增加而减小。不过，当螺旋叶片厚度小于 90 mm 时变形量变化较“急”，大于 90 mm 时变形量变化较“缓”（X 向拟合曲线）；当螺旋轴直径小于 90 mm 时变形量变化较“急”，在 90100 mm 时变形量变化较“缓”，在 100110 mm 之间有一个急剧的变化（变形量仅减小 0.578 07 mm），螺旋轴直径大于 110 mm 后位移变化微小（Y 向拟合曲线）；总体位移量随螺旋轴直径的增大而减小，并无明显的“越变”（总位移曲线）。因此，螺旋直径对螺旋体强度影响较大，螺旋轴直径增加可以降低螺旋体的应力值、径向 UX和 UY的位移及整体变形位移，有利于提高螺旋体的静力学强度。3螺旋体结构参数的优化选取由上述分析可知，叶片厚度的增加有利于螺旋体强度的提高，可以满足使用强度的要求，且影响较小，增大叶片厚度对螺杆还是十分有益的；增加螺旋直径对螺旋体的强度有利，为了提高螺旋体的强度，可以是适当增加螺旋轴的直径，但增加直径也会使整体设备重量增加很多。综合考虑叶片厚度和螺旋轴的直径因素的同时，还要考虑所处理物料的性质。经本设计优化、比较后，最终确定的螺旋体的结构参数为叶片厚度 10 mm、螺旋直径 110 mm。重新建立有限元模型、施加载荷2，得到的应力值和径向位移值（图 4图 5）。可见，最大 Von Mises 应力值由原来的 268.94 MPa 下降为 132.59 MPa，径向位移 UY由原来的 1.182 90 mm 降为0.659 43 mm。对比原来数据，可知优化后螺旋体的强度显著改善，其整体性能参数见表 1。4结论本文针对菜市场有机垃圾螺旋脱水机螺旋体结构优化进行研究。通过 ANSYS Workbench 对脱水机螺旋体的三维有限元模型进行静力学强度分析的基础上3，对螺杆直径，叶片厚度等金图 5优化后的径向位移分布图图 2最大 Von Mises 应力值随螺旋直径的变化曲线图 3最大位移 UX、UY及总位移随螺旋直径的变化曲线图 4优化后的 Von Mises 应力强度分布图31设备管理与维修2023 2（上）表 1脱水机性能参数设计参数数值设计参数数值日处理量/m35螺杆转速/（r/min）6.5轴向力/kN4160螺旋叶片厚度/mm10电机功率/kW4螺旋轴直径/mm110属结构的设计进行优化，以提高强度，提高设备可靠性、降低成本并延长使用寿命，最终完成菜场有机垃圾螺旋脱水机螺旋体的结构优化。通过试验及模拟分析得出：（1）在 ANSYS Workbench 中对金属结构的有限元模型进行有限元分析4，可以帮助设计人员检测设计的合理性，并合理避免应力集中和局部过载情况的发生，提高设备可靠性。（2）分析螺旋体的几何结构参数对其静力学强度的影响，并在此基础上调整结构参数，对该脱水机螺旋体进行结构优化，模拟结果表明，改进后的螺旋体的静力学强度得到较大的提高5。基金项目：枣庄市科技发展计划项目（2020GX14），山东省职业教育韩玉勇名师工作室资助。参考文献1张翔宇.液压挖掘机卸车工具的设计 D.济南：山东大学，2007.2王连栋.变径变螺距榨螺的参数化建模与结构分析 D.杨凌：西北农林科技大学，2010.3宋亚英.变螺距螺旋结构参数的理论研究 J.苏州大学学报（自然科学版），1996（4）：96-100.4张安宁，钱壮壮，茆亮亮，张忠瑞，卢小雨.MG400/920WD 型采煤机导向滑靴的有限元分析 J.煤矿机械，2017（12）：50-52.5吴蔚，王军，施璐，刘强，杨科，廖猜猜.基于 FOCUS 的大型风力机叶片结构分析与铺层改进 J.水电能源科学，2011（10）：135-137.编辑吴建卿0引言随着我国陆上油田逐步进入开发衰退期，油田增量不足，目前陆上发现新油气田的概率非常小，近十年来发现的大型油气田 60%位于海洋。我国虽然石油资源丰富，但目前开发远低于世界水平，在目前天然气紧缺与能源安全战略下，加强海洋油气资源开发将成为重中之重1。近些年来我国海洋油气资源开发步伐加快，海上平台数量急剧增长，压力容器作为海上平台重要的油气储运设备设施之一，其服役环境含盐量高、湿度大，保证其安全稳定运行显得尤为重要。海上压力容器检验检测一直是特种设备安全监管的重要内容，对其检验方法可靠性要求更高。1海上压力容器损伤模式海上平台压力容器与陆上压力容器制造工艺相同，但所处海洋环境相对陆上更为恶劣，空气湿度大、含盐量高，同时海上压力容器的服役温度高、运行压力大、介质腐蚀性强，这些增加了海上平台压力容器发生故障和失效的风险2。由于海上压力容器服役环境的复杂性，损伤模式多种多样，通过对渤海某海上油气生产设施的调研发现，以下为 4 种较为常见的压力容器损伤模式。1.1均匀腐蚀均匀腐蚀也称为全面腐蚀，是最常见压力容器腐蚀损伤模式之一，压力容器在腐蚀环境中其表面或内部由于化学或电化学反应导致的均匀减薄，通常表现为在其暴露的表面或大部分面积上均匀地覆盖着腐蚀产物膜（图 1）。1.2电偶腐蚀电偶腐蚀又称接触腐蚀，是指当一种不太活泼的金属（阴极）和一种比较活泼的金属（阳极）在电解质溶液中接触时，因构成腐蚀原电池而引发电流，从而造成（主要是阳极金属）电偶腐海上平台压力容器基于风险的检验方法王健，陈涛，张少洋（中海油安全技术服务有限公司，天津300456）摘要：我国海洋石油勘探开发事业的迅速发展，海上生产设施、作业设施不断增多，海洋石油专业设备数量也不断增加。压力容器作为海上平台至关重要的设备，其检验方法的可靠性、经济性尤为重要。介绍基于风险的检验方法的优越性，并探讨其实施过程中存在的问题。关键词：基于风险的检验；海上平台；压力容器中图分类号：TE973文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.02.11图 1海上生产分离器外部的均匀腐蚀32