紫菜濾雜裝備中吸濾裝置的強(qiáng)度分析*

毛彬彬 ，陳勁松 ，韓服善 ，宋應(yīng)杰

（江蘇海洋大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

0 引言

鮮紫菜的除雜環(huán)節(jié)對(duì)紫菜成品的品質(zhì)至關(guān)重要[1-3]，而除雜效果又取決于紫菜濾雜裝備中的關(guān)鍵部件，即吸濾裝置，其主要由組合式濾筒和剔盤(pán)組組成，濾筒的濾縫可根據(jù)不同物料、不同工藝階段進(jìn)行隨意調(diào)節(jié)和設(shè)置，剔盤(pán)組用于動(dòng)態(tài)剔除堵塞在濾縫內(nèi)的雜物，保持濾縫始終暢通無(wú)阻。濾筒在工作中同時(shí)承受剔盤(pán)組的離心力、濾筒的離心力、混流泵吸濾時(shí)產(chǎn)生的離心力和軸向推力等，而剔盤(pán)組同樣會(huì)受到各種離心力以及吸濾時(shí)產(chǎn)生的混合物的壓力，受力情況非常復(fù)雜，強(qiáng)度和剛度很難用解析法完全計(jì)算。濾筒和剔盤(pán)組在各種力的耦合作用下，極易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致濾筒濾縫增大，甚至使得插入濾筒的剔盤(pán)和濾筒發(fā)生劇烈摩擦。因此，應(yīng)合理設(shè)計(jì)吸濾裝置的結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度和剛度，這對(duì)于整個(gè)紫菜濾雜裝備的使用穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。

課題組建立了紫菜吸濾裝置的樣機(jī)模型，對(duì)濾筒和剔盤(pán)組進(jìn)行有限元分析，模擬其在各種載荷作用下的應(yīng)力變化和結(jié)構(gòu)變形等，驗(yàn)證吸濾裝置結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)樣機(jī)試制提供了理論依據(jù)。

1 吸濾裝置幾何模型

利用SolidWorks建立三維模型，為了降低有限元模型的復(fù)雜程度，在保證精度的前提下盡可能減少計(jì)算量，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化[4-5]，將原本由若干濾盤(pán)組裝而成的濾筒和由若干剔盤(pán)組裝而成的剔盤(pán)組作為整體進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化后的模型如圖1所示，主要由濾筒和剔盤(pán)組組成。吸濾裝置中的濾筒和剔盤(pán)組主要參數(shù)如表1所示。

圖1 吸濾裝置幾何模型

表1 吸濾裝置主要部件參數(shù)

工作原理：主軸電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)濾筒和剔盤(pán)組轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)混流泵的負(fù)壓抽吸，紫菜與水的混合物通過(guò)濾筒上的濾縫進(jìn)入濾筒，而體積較大的雜物則被阻隔在濾筒之外，濾雜后的紫菜和水經(jīng)過(guò)出料口被抽出吸濾裝置，為了防止雜物吸附或堵塞在濾縫上，通過(guò)剔盤(pán)組連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)將其剔除掉。

2 吸濾裝置有限元仿真

在吸濾裝置工作時(shí)，濾筒主要受到自身轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力、剔盤(pán)組轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力、泵抽吸時(shí)作用在液體上的離心力和軸向推力[6-7]，剔盤(pán)組主要受到自身轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力和濾筒轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力，所以需要分析濾筒和剔盤(pán)組在各種力的耦合作用下，其變形和應(yīng)力情況是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1 零部件材料物理特性

吸濾裝置是紫菜濾雜裝備的關(guān)鍵部件，要求其具備較強(qiáng)的耐腐蝕性、較高的強(qiáng)度和剛度，因此選取304不銹鋼作為研制材料，材料物理特性如表2所示。

表2 材料物理特性

2.2 吸濾裝置網(wǎng)格劃分

采用ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過(guò)精細(xì)的網(wǎng)格單元尺寸控制方式，對(duì)紫菜吸濾裝置進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分[8-10]，本裝置總共有48 483個(gè)單元，275 568個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示，網(wǎng)格質(zhì)量如圖3所示。從圖中可以看出，網(wǎng)格整體質(zhì)量在0.85到1之間，說(shuō)明網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)標(biāo)，符合要求[11-12]。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量

2.3 強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)

吸濾裝置的材料為304不銹鋼，屬于塑性材料，通常以屈服的形式失效，在強(qiáng)度分析時(shí)一般采用第三或第四強(qiáng)度理論。實(shí)際工作時(shí)，材料往往受三向應(yīng)力的作用，而且實(shí)驗(yàn)表明第四強(qiáng)度理論最符合這類材料的實(shí)際情況，因而在強(qiáng)度評(píng)價(jià)中通常采用第四強(qiáng)度理論導(dǎo)出的等效應(yīng)力（即ANSYS后處理器中的Von Mises Stress）來(lái)評(píng)價(jià)[13-14]。

2.4 仿真結(jié)果分析

2.4.1 位移結(jié)果分析

在吸濾裝置上添加固定約束以及載荷作用后[15]，通過(guò)軟件求解，得到裝置各構(gòu)件變形和應(yīng)力結(jié)果，變形云圖如圖4所示。其中，濾筒的最大位移為0.129 mm，位于濾筒的筒體上；剔盤(pán)組的最大位移為0.124 mm，位于插入濾縫的剔盤(pán)外緣處，兩者的變形都比較小，說(shuō)明紫菜吸濾裝置在工作過(guò)程中的整體剛度和穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 吸濾裝置變形云圖

2.4.2 應(yīng)力分析結(jié)果

紫菜吸濾裝置各構(gòu)件應(yīng)力云圖如圖5所示，其中，濾筒的最大應(yīng)力為102.54 MPa，剔盤(pán)組的最大應(yīng)力為89.46 MPa，說(shuō)明裝置在工作過(guò)程中，各構(gòu)件所受最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，吸濾裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 吸濾裝置應(yīng)力云圖

2.5 位移矢量分布曲線圖

剔盤(pán)組和濾筒在工作過(guò)程中的位移矢量云圖如圖6所示，從圖中可以看出，在各種力的耦合作用下，濾筒內(nèi)部筋板和出料端的位移矢量最大，其次是插入濾筒濾縫中的剔盤(pán)，符合實(shí)際情況需求[16]。

圖6 位移矢量云圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了濾雜裝備中的核心部件吸濾裝置，并用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模，在考慮吸濾裝置工作時(shí)所受各種外力作用的條件下，用ANSYS軟件對(duì)吸濾裝置各組成構(gòu)件進(jìn)行變形和強(qiáng)度分析。分析結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，最大變形量很小，所以該設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度、變形要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。