一種臥式筒體糞污發酵裝置的筒體設計與分析

王錦超，孫濤，秦錄芳

（徐州工程學院機電工程學院，江蘇 徐州 221018）

畜禽糞污是與工業污水和生活廢水并列的三大污染源之一，畜禽糞污資源化利用將有效改善人類生活環境[1]。好氧堆肥發酵是糞污發酵最常用的一種發酵方式，世界各國都在逐步使好氧堆肥技術向機械化，高效化發展[2]。糞污發酵裝置就很好的使好氧堆肥技術實現了機械化。臥式筒體糞污發酵裝置是糞污發酵裝置中應用很廣泛的一種裝置。糞污在臥式筒體發酵裝置的零部件筒體內部進行發酵。要使糞污快速且充分的發酵就要使其與空氣充分接觸。筒體不斷旋轉帶動內部的糞污不斷翻滾與空氣充分接觸進而使糞污得到快速且充分的發酵。因此筒體是使糞污快速充分發酵的關鍵零部件。如果筒體設計的不合理的話會導致筒體在其內部糞污所產生壓力的作用下發生變形，影響發酵效果和效率。

鑒于此，本文設計了一種在糞污所產生壓力的作用下變形量小，具有很高的工作可靠性，運轉更平穩的筒體。并通過Solidworks2016軟件的Simulation模塊對筒體在其內部裝有靜止糞污的狀態下進行靜力分析，分析筒體在該狀態下的應力及變形位移情況，以驗證臥式筒體糞污發酵裝置中筒體的可靠性。

1 總體設計

對于臥式筒體發酵裝置中的零部件筒體，需要滿足：一是筒體的剛度，筒體應具有足夠的剛度以保證在其內部糞污所產生的壓力作用下發生的變形位移小。二是筒體旋轉的平穩性，保證筒體的旋轉過程是連續平穩的。

目前，畜禽糞污一體化發酵裝置能夠快速高效處理畜禽糞污[3]。目前的糞污一體化發酵裝置有立式筒體發酵裝置、臥式筒體發酵裝置等。而立式筒體發酵裝置需要借助其他的攪拌裝置使糞污與空氣混合進行發酵，結構較復雜。而臥式筒體發酵裝置則是利用筒體的旋轉使糞污與空氣混合進行發酵，結構簡單，運行可靠。通過對筒體參數的設計可極大的提高筒體的使用性能和發酵效率，提升發酵效果。

1.1 筒體設計尺寸

本文所設計筒體的尺寸參數為內徑r=902.5mm，外徑R=914.5mm，軸向長度L=2100mm。

1.2 筒體材料的選擇

筒體因要承載糞污對其產生的壓力并盡量發生很小的變形，故所選的材料應具有高剛度，高強度等特點。本文所設計的筒體采用的材料為40Cr。通過Solidworks2016軟件中的編輯材料界面找到材料40Cr，并應用材料40Cr如圖1。

圖1 材料的選擇應用

1.3 筒體的受力分析

筒體主要承載的力主要來自其內部糞污對其產生的壓力。本文設計的筒體所針對的發酵對象是畜禽糞污。因為畜禽糞污中含有大量的水分，含水率在55%～65%之間[4]。在計算糞污對筒體產生的壓力時，我們采用將糞污的密度視為水的密度的方法進行計算。經查，水的密度為1000kg/。重力加速度取g=9.8m/S2。糞污的體積占筒體內部空間的一半，及糞污液面的高度正好處于筒體直徑處。由液體的壓力作用效果可知筒體內部空間底部承受的壓力最大。因此，本文所設計的筒體其底部所要承受的壓力為：

根據（1）式計算可得筒體底部承受的壓力為8844.5pa。

1.4 筒體的強度校核

2 基于Solidworks2016的零部件設計分析

本文所設計的筒體是糞污發酵的場所，對糞污發酵的效果起著很大的影響，其性能決定著臥式筒體發酵裝置的發酵性能。筒狀結構的零部件有時會出現變形彎曲的現象，該現象會導致筒體無法正常運轉進而影響發酵裝置的發酵性能。所以利用有限元分析對筒體進行受力分析是很有必要的。能夠在理論上得到筒體的應力和變形位移值，為筒體的使用可靠性研究提供了理論依據。本文采用Solidworks2016軟件的Simulation模塊對筒體進行應力和變形位移的分析。

2.1 筒體的有限元模型

筒體的材料為40Cr，該材料的密度為ρ=7.87×103kg/m3，彈性模量E=2.11Gpa，泊松比V=0.277。根據筒體的尺寸參數并結合工作情況在建模時設置了坐標系1并使用分割線將筒體分為上下兩部分，確定筒體的實體結構模型如圖2所示。

圖2 筒體的實體模型

圖3 筒體固定的定義

2.2 定義筒體自由度并施加非均勻載荷

利用夾具功能中的固定幾何體選項對筒體外壁施加固定約束，此時筒體的自由度為零。約束情況如圖3所示。經上述分析知，本文將筒體受到的壓力視為水對筒體產生的壓力。在施加外部載荷功能的選項里選擇壓力選項，并勾選非均勻分布，選擇下半面為受力面，選擇建模時創建的坐標系1為參考坐標，點擊編輯方程式，輸入算式9800*“y”，測量尺的單位選擇“m”。外部載荷添加情況如圖4，圖5所示。

圖4 受力面的選擇

圖5 使用非均勻分布

2.3 筒體的網格劃分

對模型網格劃分的好壞直接影響著最終計算與分析的結果的精度，是有限元分析的關鍵[5]。因此為了得到更高的分析精度，對筒體進行了較密集的網格劃分。采用基于曲率的網格，網格的最大尺寸約為9.8mm，如圖6所示。最終的網格劃分結果如圖7所示。

圖6 網格劃分的設置

圖7 筒體的網格劃分

2.4 對筒體靜力學分析的結果

通過使用Solidworks2016軟件的Simulation模塊對筒體內部在裝有靜止糞污的狀態下進行靜力分析，得到筒體的應力圖如圖8所示，位移圖如圖9所示。由應力圖可知筒體底部軸向兩端邊緣處存在最大應力為12190pa，筒體底部非兩端邊緣處的應力約為8800pa與（1）式計算得到的8844.5pa相差不大，且均遠小于屈服應力7.85×108pa。由變形位移圖可知最大位移發生在筒體底部軸向兩端邊緣處，最大位移為5.985×10-7mm，筒體底部非兩端邊緣處位移約為4.5×10-7mm。

圖8 筒體應力圖解

圖9 筒體變形位移圖解

3 結語

本文通過對筒體進行受力計算并應用有限元對其進行分析，得出結果，結果表明筒體底部軸向兩端邊緣處存在最大應力為12190pa，筒體底部非兩端邊緣處的應力約為8800pa和（1）式計算得到的8844.5pa相差不大，且均小于許用應力|σ|≥490.625Mpa。最大位移為5.985×10-7mm，變形量極小不會影響筒體的使用性能。顯然筒體各處的應力值均在許用應力范圍之內，變形位移極小可以忽略不記，即證明筒體的性能足以保證臥式筒體糞污發酵裝置的使用性能。