基于ANSYS Workbench 的螺旋脫水機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王東昌，張 燕

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院 山東滕州 277569）

0 引言

目前，菜市場有機(jī)垃圾螺旋脫水機(jī)被普遍推廣應(yīng)用，但在實際應(yīng)用中存在著脫水螺旋體因磨損導(dǎo)致強(qiáng)度不足而出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。脫水螺旋體是脫水機(jī)的關(guān)鍵核心部件，其主要結(jié)構(gòu)為螺旋軸和螺旋葉片，強(qiáng)度要求高，而螺旋脫水機(jī)螺旋體結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣則關(guān)系著整個脫水機(jī)的使用壽命及脫水效果。

螺旋體的強(qiáng)度優(yōu)化，是在預(yù)定工況下找到合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證螺旋體處于良好的工作狀態(tài)[1]。本文通過分析葉片厚度、螺旋直徑（螺距）對螺旋體靜強(qiáng)度的影響，進(jìn)而選取較合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化其強(qiáng)度，降低螺旋體的應(yīng)力值和徑向位移。最后，在分析螺旋體結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的基礎(chǔ)上分析結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究相關(guān)參數(shù)對螺旋體強(qiáng)度的影響趨勢，對提升螺旋脫水機(jī)的使用壽命和脫水效果具有重要意義。

1 葉片厚度對螺旋體的強(qiáng)度影響

螺旋體結(jié)構(gòu)設(shè)計是由螺旋軸及螺旋葉片的相關(guān)參數(shù)選取決定的。螺旋葉片是螺旋體實現(xiàn)壓縮脫水的主要部件，其厚度對實現(xiàn)脫水工藝不起作用，但厚度較小則會影響螺旋體強(qiáng)度和使用壽命。本文將從螺旋葉片最大Von Mises 應(yīng)力方面，來分析其對螺旋體靜強(qiáng)度的影響。

本文研究的螺旋壓縮脫水機(jī)葉片設(shè)計厚度10 mm，出于選擇最優(yōu)角度，從計算葉片厚度減小和增大兩個方向?qū)β菪w最大Von Mises 應(yīng)力的影響，計算葉片厚度從8 mm 到12 mm五種尺寸參數(shù)的變化。計算結(jié)果經(jīng)Matlab 進(jìn)行曲線擬合后，Von Mises 最大應(yīng)力值隨葉片厚度的變化關(guān)系如圖1 所示。

圖1 Von Mises 最大應(yīng)力值隨葉片厚度的變化曲線

可以看出，最大Von Mises 應(yīng)力隨著葉片厚度的增加而減?。涸谌~片厚度為8～9 mm（降25.2 MPa）和11～12 mm（降34.27 MPa）時，最大Von Mises 應(yīng)力隨葉片厚度的增加減小趨勢較“緩”；而在厚度為9～10 mm（降68.51 MPa）和10～11 mm（降61.7 MPa）時，最大Von Mises 應(yīng)力隨葉片厚度的增加減小趨勢較“急”?？梢?，葉片厚度增加對降低螺旋體的最大Von Mises 應(yīng)力值是有影響的。

考慮到螺桿工作所處的環(huán)境腐蝕性較強(qiáng)，所處理的物料混有沙粒等硬質(zhì)顆粒雜質(zhì)、磨琢性也比較強(qiáng)，如果葉片厚度較薄，葉片外緣會較早地出現(xiàn)缺損，從而影響螺旋體脫水的效果。從這個角度考慮，葉片厚度應(yīng)取較大值。因為增大葉片厚度有利于提高螺旋體強(qiáng)度，從而保證螺旋體的使用壽命。

2 螺旋軸直徑對螺旋體強(qiáng)度的影響

螺旋直徑和螺距是螺旋體結(jié)構(gòu)設(shè)計中十分重要的一對參數(shù)，它們的大小影響著螺旋脫水機(jī)的生產(chǎn)效率和強(qiáng)度。但由于螺距的設(shè)計是由處理物料及進(jìn)料口物料的顆粒大小決定，所以更側(cè)重研究螺旋軸的直徑對螺旋體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。在產(chǎn)生軸向力相同的情況下，最后一節(jié)螺距的大小可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。這里仍取螺旋體的最后一節(jié)螺距為240 mm。螺旋軸直徑分別為80 mm、90 mm、100 mm、110 mm、120 mm 時，對螺旋體結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度的影響。

2.1 螺旋直徑和螺距對螺桿最大Von Mises 應(yīng)力的影響

螺旋直徑對螺旋體靜強(qiáng)度的影響主要從最大Von Mises 應(yīng)力和徑向位移UX、UY及總體位移兩類方面分析。

圖2 為最大Von Mises 應(yīng)力值（SMX）隨螺旋直徑的變化曲線。從圖2 可以看出，當(dāng)螺旋軸直徑小于90 mm 時，最大Von Mises 在高位，但變化較“緩”；當(dāng)螺旋軸直徑大于90 mm 時，最大Von Mises 迅速減小且變化較“急”。

圖2 最大Von Mises 應(yīng)力值隨螺旋直徑的變化曲線

2.2 螺旋直徑對螺旋體徑向位移UX、UY 和總位移的影響

圖3 為最大徑向位移UX、UY及Total Displacement 隨螺旋直徑的變化曲線，可以看出最大徑向位移UX、UY及總體位移都隨螺旋軸直徑的增加而減小。

圖3 最大位移UX、UY 及總位移隨螺旋直徑的變化曲線

不過，當(dāng)螺旋葉片厚度小于90 mm 時變形量變化較“急”，大于90 mm 時變形量變化較“緩”（X 向擬合曲線）；當(dāng)螺旋軸直徑小于90 mm 時變形量變化較“急”，在90～100 mm 時變形量變化較“緩”，在100～110 mm 之間有一個急劇的變化（變形量僅減小0.578 07 mm），螺旋軸直徑大于110 mm 后位移變化微小（Y 向擬合曲線）；總體位移量隨螺旋軸直徑的增大而減小，并無明顯的“越變”（總位移曲線）。因此，螺旋直徑對螺旋體強(qiáng)度影響較大，螺旋軸直徑增加可以降低螺旋體的應(yīng)力值、徑向UX和UY的位移及整體變形位移，有利于提高螺旋體的靜力學(xué)強(qiáng)度。

3 螺旋體結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化選取

由上述分析可知，葉片厚度的增加有利于螺旋體強(qiáng)度的提高，可以滿足使用強(qiáng)度的要求，且影響較小，增大葉片厚度對螺桿還是十分有益的；增加螺旋直徑對螺旋體的強(qiáng)度有利，為了提高螺旋體的強(qiáng)度，可以是適當(dāng)增加螺旋軸的直徑，但增加直徑也會使整體設(shè)備重量增加很多。綜合考慮葉片厚度和螺旋軸的直徑因素的同時，還要考慮所處理物料的性質(zhì)。

經(jīng)本設(shè)計優(yōu)化、比較后，最終確定的螺旋體的結(jié)構(gòu)參數(shù)為葉片厚度10 mm、螺旋直徑110 mm。重新建立有限元模型、施加載荷[2]，得到的應(yīng)力值和徑向位移值（圖4～圖5）。

圖4 優(yōu)化后的Von Mises 應(yīng)力強(qiáng)度分布圖

圖5 優(yōu)化后的徑向位移分布圖

可見，最大Von Mises 應(yīng)力值由原來的268.94 MPa 下降為132.59 MPa，徑向位移UY由原來的1.182 90 mm 降為0.659 43 mm。對比原來數(shù)據(jù)，可知優(yōu)化后螺旋體的強(qiáng)度顯著改善，其整體性能參數(shù)見表1。

表1 脫水機(jī)性能參數(shù)

4 結(jié)論

本文針對菜市場有機(jī)垃圾螺旋脫水機(jī)螺旋體結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行研究。通過ANSYS Workbench 對脫水機(jī)螺旋體的三維有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上[3]，對螺桿直徑，葉片厚度等金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以提高強(qiáng)度，提高設(shè)備可靠性、降低成本并延長使用壽命，最終完成菜場有機(jī)垃圾螺旋脫水機(jī)螺旋體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過試驗及模擬分析得出：

（1）在ANSYS Workbench 中對金屬結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行有限元分析[4]，可以幫助設(shè)計人員檢測設(shè)計的合理性，并合理避免應(yīng)力集中和局部過載情況的發(fā)生，提高設(shè)備可靠性。

（2）分析螺旋體的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對其靜力學(xué)強(qiáng)度的影響，并在此基礎(chǔ)上調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，對該脫水機(jī)螺旋體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，模擬結(jié)果表明，改進(jìn)后的螺旋體的靜力學(xué)強(qiáng)度得到較大的提高[5]。