基于ANSYS Workbench的復合式發酵塔裝置重要零部件有限元分析

石義棟 馮天玉 陸偉安

摘要：以復合式發酵（好氧厭氧結合）塔裝置為研究對象，通過Solidworks建立復合式發酵塔三維實體模型，并對復合式發酵塔進行了簡化。利用ANSYS Workbench有限元分析軟件識別結合面特征，建立復合式發酵塔裝置重要零部件的有限元模型。通過理論計算與有限元分析的結合，分析得出螺旋桿軸受力較小，葉片受力大，葉片兩端受力最大，隔板右上端面厚度太小以至于承受不住物料的壓力。

關鍵詞：復合式發酵塔裝置重要零部件;受力分析;有限元分析;強度;ANSYS Workbench

中圖分類號：S232;TH16? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）10-0150-04

Abstract： Taking the composite fermentation （aerobic anaerobic combined） tower device as the research object， the solid three-dimensional solid model of the composite fermentation tower was established by Solidworks， and the composite fermentation tower was simplified. The ANSYS Workbench finite element analysis software was used to identify the characteristics of the joint surface， and the finite element model of the important parts of the composite fermentation tower was established. Through the combination of theoretical calculation and finite element analysis， it is found that the screw shaft has less force， the blade is subjected to large force， and the force at both ends of the blade is the largest. The thickness of the upper right end of the diaphragm is too small to withstand the pressure of the material.

Key words： compound fermentation tower equipment important parts; force analysis; finite element analysis; strength; ANSYS Workbench

隨著畜禽養殖業的迅速發展，畜牧養殖規模化、集約化和產業化的提高，中國接連幾年在禽肉、豬肉、蛋類產量均位列世界第一，但帶來的環境問題也相對不斷增加，越來越多的畜禽排泄物未能得到及時處理，占用了大量土地，導致中國城郊、農村、城鎮環境污染問題日趨嚴重，已逐漸發展成不可忽視的環境和生態保護問題。據《經濟日報》報道，中國畜禽養殖每年產生38億t畜禽糞便，有效處理率不足50%;湖北省每年各類農作物秸稈理論資源量3 680萬t，可收集的資源量3 300萬t，但每年仍然有大量秸稈被焚燒或丟棄，得不到利用[1]。目前，國內普遍采用床式發酵（在畜禽居住區放入墊料，加入菌種攪拌均勻）或堆肥發酵（用各種植物殘體、作物秸稈、雜草、樹葉、泥炭、垃圾以及其他廢棄物等）為主要原料，混合人畜糞尿經堆制腐解），該類技術雖能實現畜禽糞便轉化有機肥，但均存在較大的問題：場地占用土地面積大，無組織排放，危害周邊養殖人員、畜禽以及居住人員，污染水資源和大氣環境，發酵周期長。

針對上述問題，研發一種復合式發酵裝置，在塔內分層管理，進行好氧、厭氧的全密閉式發酵，降解抗生素，脫硫脫硝，除臭，鈍化重金屬殺滅病菌及蟲卵，以期徹底解決上述問題。以復合式發酵塔裝置為例，利用Solidworks建立復合式發酵塔裝置重要零部件的三維模型，并用有限元分析軟件ANSYS Workbench對螺旋桿進行了變形、應力計算，獲得了合理的分析結果，既為復合式發酵塔重要零部件的進一步優化提供了理論基礎，也為復合式發酵塔裝置重要零部件的正常運行提供了保障。

1? 復合式發酵塔重要零部件三維建模

螺旋葉片桿：該螺旋葉片桿全長5 960 mm，螺距160 mm，葉片高度100 mm，材料為45鋼，三維模型如圖1所示。

隔板：中間內外圓直徑分別為100、108 mm，垂直方向兩邊長度分別為80、312 mm;垂直和斜邊方向厚度分別為12、4 mm，中心桿長2 800 mm，板長2 776 mm，三維模型如圖2所示。

2? 螺旋葉片的基本參數

3? 螺旋葉片桿及隔板的理論計算

3.1? 螺旋葉片理論計算

該螺旋葉片桿配套的電機功率4 kW，轉速為30 r/min，每小時處理1.5 t的畜禽糞污量，螺旋桿葉片的受力情況如圖4所示。畜禽糞便對葉片的法向力Fn，將Fn分解為Fx和徑向力Fr，再將Fx分解為畜禽糞便對葉片的軸向力Fa和圓周力Ft[3-5]。

查閱相關資料[6-8]可查到畜禽糞便與螺旋葉片的動摩擦系數f=0.6，d為螺旋軸直徑，T為扭矩，T=9 549·P1/n1（N·m），P1為工作時的功率，n1為工作時的轉速，n1=30 r/min，正常工作時，轉換的功率為額定功率的98%，即P1=P×98%=4 kW×98%=3.92 kW，螺旋螺齒的推物料面傾角α為10°，背面的傾角β為27°。根據螺旋葉片的面積，可以求得At、Ar、Aa分別為30 558、30 558、251 327 mm2，通過計算可得螺旋的單位圓周力、單位軸向力、單位徑向力分別為0.778、12.657和0.888 MPa。

3.2? 隔板理論計算

該復合式發酵塔結構呈長方體，以其中一層進行分析，長6 000 mm，寬2 800 mm、高2 200 mm，計算出體積V=6 m×2.8 m×2.2 m=36.96 m3，在現場測得畜禽糞便的密度ρ為800 kg/m3，則該層的畜禽糞便質量m=ρ·V=800 kg/m3×36.96 m3=2.956 8×104 kg，一層中由12個隔板連續排列組成，畜禽糞便在塔內堆放，對隔板的壓力為靜壓力。因此，隔板承受的壓力p=F/A，其中，F為畜禽糞便的總質量的壓力，F=m·g=2.956 8×104 kg×9.8 N/kg=2.897 6×105 N（g為重力加速度），利用Solidworks的測量功能可以測得A=10.46 m2，求得p 總=2.77×104 Pa，發酵塔內有12個隔板共同承受壓力，所以單個隔板受到的壓力p=p 總/12=2 308 Pa。

4? ANSYS workbench受力分析

4.1? 網格劃分

通過Solidworks建立螺旋桿和隔板的三維模型，定義材料為45號鋼，主要力學性能[9]：彈性模量E=2.09×e11Pa，泊松比μ=0.269，密度ρ=7 850 kg/m3，抗拉強度為600 MPa，屈服點為355 MPa，選用Solid187完成網格劃分[2]，該模型比較大，所以選擇螺旋桿網格尺寸為30 mm，隔板網格尺寸為20 mm，網格劃分如圖5、圖6所示。

4.2? 定義邊界條件

螺旋桿用于傳輸物料，電機的旋轉帶動螺旋桿的旋轉，因此螺旋桿的兩端是固定的，螺旋桿軸做旋轉運動，對螺旋桿兩端添加約束。如果僅對兩端添加約束，會導致兩端面圓周應力過大，需對螺旋桿兩端面添加除Z軸旋轉方向外其余位置全約束。

隔板以水平方向靜置時，僅受到畜禽糞便的壓力，分析隔板受到畜禽糞便的壓力，隔板的中間軸固定在兩端，對隔板軸添加全約束。

4.3? 施加載荷及后處理

螺旋桿帶動物料運動，物料對螺旋桿有反作用力，分解為物料對螺旋桿的圓周力和軸向力以及底徑圓錐上的徑向力。根據螺旋桿推動物料運動時受到的單位圓周力，單位軸向力以及單位徑向力，分別施加相對應的載荷，處理結果如圖7至圖10所示，其中圖10為總應力。

除分析應力外，還應對螺旋桿進行模態分析，螺旋桿在復合式發酵塔的底部隨著電機的運轉而運轉，如果發生共振，將會縮短螺旋桿軸和發酵塔的使用年限，存在一定的安全隱患。利用ANSYS Workbench的modal模塊，對螺旋桿施加同樣的約束，進行6階模態分析[10]，處理結果如圖11所示。

隔板水平靜置，僅受到畜禽糞便對隔板兩上端面的壓力，對隔板兩上端面施加壓力，處理結果如圖12所示。

由圖10可知，螺旋桿的最小應力為1.26 MPa，最大應力為591.12 MPa，其中所受最大應力存在于螺旋桿葉片端面與螺旋軸接口的位置上，原因是螺旋桿在傳輸物料時，兩端面與物料直接擠壓，受到的反作用力比較大，且圓周力、軸向力以及徑向力都匯聚在葉片與軸的接口處，使其應力集中。綜合圖7、圖8、圖9可知，螺旋桿在除了兩端面的其他位置上受力均勻，螺旋軸受力最小，葉片受力比較大，這是因為物料隨著螺旋桿運動時，葉片與物料摩擦，圓周力、軸向力、徑向力作用在葉片上，而軸受到的力比較小，這與實際情況相吻合。從圖11中可以看到，前六階固有頻率分別為2.486 9×e-4、372.91、671.00、809.18、854.28、871.29，該固有頻率值都比較大，因此不會發生共振現象。

本研究所用螺旋桿材料為45鋼，其材料的屈服強度為355 MPa，此情況下的最大應力值超過了屈服應力，因此螺旋葉片會產生永久變形，縮短螺旋桿使用壽命。

從圖12可以看到，隔板受到的力不大，但隔板右側上端面已經發生嚴重變形，左上端面沒有變形，原因是右側上端面為斜邊，且非常薄，僅為4 mm，承受的力非常有限，隔板軸最上端受力較大，原因是隔板軸上方與畜禽糞便屬于線接觸，受到的壓力就大;物料畜禽糞便對隔板的壓力遠遠超出了右上端面能夠承受的力，在此情況下隔板也會產生永久變形，進而縮短隔板的使用壽命，存在安全隱患。

5? 總結

通過理論計算分析，螺旋桿葉片承受的單位軸向力遠遠大于單位圓周力和單位徑向力，結合ANSYS Workbench分析結果，確定螺旋桿葉片兩端承受的力最大，螺旋軸承受的力相對較小，因此對螺旋桿進行結構優化時，總體應加強螺旋桿葉片的強度，特別加強葉片兩端的強度;通過對隔板的理論計算和ANSYS Workbench分析，確定隔板右上端面承受的力十分有限，針對隔板的優化，應進一步增加隔板右上端面的厚度，同時應加強強度。

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