收購整理篩的有限元仿真分析及結構優化

◎ 王佩琦，趙瑞營，張峻嶺，陳 藝

（鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450001）

收購整理篩主要適用于高溫、高濕等惡劣環境下對糧食與雜質的分離整理，是糧食收購倉儲時進行糧食收購整理除雜的理想設備，配有先進的環保除塵設備，具有產量大，移動方便等特點[1-2]。

1 收購整理篩結構及工作原理

本設備針對高溫、高濕等惡劣條件下糧食與雜質不易分離的難題，巧妙組合了多種清理工藝，分別將圓筒、振動、風選清理相結合，達到高效清選糧食雜質的目的，適用于環境脅迫下的糧食收購整理，滿足“一帶一路”倡議下共建國家糧油收購整理需求，本設備綜合除雜率75%以上，糧食處理量40～80 t·h-1。收購整理篩的總裝示意圖，如圖1所示。本設備主要由圓筒篩、振動篩、垂直吸風道、脈沖除塵器、動力系統、機架等部件組成。其適用于收獲后的稻谷、玉米的高效收購整理，可對谷物的大雜、小雜以及輕雜進行有效清理，收購整理效率高，除塵效果好，綠色環保。

圖1 收購整理篩總裝圖

本設備的工作原理：柱狀或堆狀物料通過進料口后進入滾筒篩體內，經過滾筒篩初清后，將大雜物料篩出，篩下物進入振動篩箱；振動篩箱為單層篩網，篩下物為小雜、粉粒物料，篩上物流通過垂直吸風道流出；經過振動篩箱后的物料在垂直吸風道處再次經過風選作用，癟粒及殼類物料被吸出進入脈沖除塵器。脈沖除塵器與垂直吸風道的組合應用，既解決了癟粒及殼類物料的清理，同時也解決了清理時的作業粉塵。

2 收購整理篩重要部件的有限元仿真分析及優化設計

2.1 滾筒篩體的有限元仿真分析

2.1.1 模型的建立

利用inventor軟件建立收購整理篩的滾筒篩體三維實體模型，經簡化后，將三維模型保存為IGS中性格式文件形式，導入到ANSYS workbench環境中，建立滾筒篩體的有限元模型。

2.1.2 網格劃分

對滾筒篩體的材料屬性進行定義，材料設置為Q235，其彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.26，材料密度為7.85 kg·m-3。采用自動網格劃分方式對滾筒篩體模型進行網格劃分，劃分后模型包含3 879 638個節點，1 616 456個單元，如圖2、圖3所示。

圖2 滾筒篩體的網格劃分圖

圖3 滾筒篩體網格劃分信息圖

2.1.3 載荷及邊界條件約束設置

對模型施加自身的重力Gravity，在滾筒出口的軸上安裝軸承的位置施加固定支撐力，在滾筒入口外圈施加固定支撐力，在滾筒入口處的篩網上施加垂直于篩網的壓力，壓力大小為單位時間流過篩箱的糧食質量，壓力大小根據進糧效率為100 t·h-1，計算出每秒鐘篩網所受糧食的平均壓力為248.975 Pa，環境溫度設置為22 ℃。施加受力圖如圖4所示。

圖4 滾筒篩體的受力施加圖

2.1.4 滾筒篩體的靜力學分析

設定求解結果后，對模型進行求解，在后處理模塊中顯示出的分析結果參數如圖5、圖6所示。

由圖5可知，在滾筒篩體總變形結果云圖中，最大變形量為3.923 2 mm，發生在滾筒篩體的進糧口處，靠近進糧口一側的后部篩網端部，圖中紅色區域部分。

圖5 滾筒篩體總體變形結果云圖

由圖6可知，在滾筒篩體應力云圖中，最大等效應力為288.88 MPa，主要所受應力集中較大的部位位于滾筒篩體靠近進糧口一側的后部篩網中部。查詢機械手冊[3-4]得知，所用材料Q235的屈服極限235 MPa，安全系數是1.5，因此該材料的許用應力最大值為156.67 MPa，本機構經過有限元仿真得到的最大等效應力結果288.88 MPa超過了該材料的最大許用應力，說明滾筒篩體的局部結構強度不足，會影響滾筒篩體的使用壽命[5]，需要對滾筒篩體結構進行改進。

圖6 滾筒篩體等效應力結果云圖

2.1.5 模型的優化

根據ANSYS workbench軟件的分析結果得知，滾筒篩體的進糧口處的篩網變形受力最大，可增加篩網等零件的厚度來進行優化設計。

在inventor中修改三維模型，將篩體雜質出口篩網固定板厚度從4 mm加厚到10 mm，將篩網雜質出口固定滾筒的厚度從4 mm加厚到10 mm，將雜質出口鋼帶壓條加強筋板的厚度從1 mm改為6 mm，將出口轉筒和出口轉筒蓋板的厚度從4 mm改為16 mm，將篩體雜質出口傳動筋板以及三角形加強筋板的厚度從4 mm改為10 mm，將滾筒內側焊接骨架的厚度從4 mm改為10 mm，將篩網入口固定滾筒及固定板的厚度從4 mm改為10 mm，將滾筒周向鋼板（外側）和縱向鋼板外側的厚度從2 mm改為6 mm，將篩網厚度從1 mm改為2 mm。按照之前的步驟再進行ANSYS靜力學仿真，得到的仿真結果如圖7、圖8所示。

由圖7可知，從優化后的滾筒篩體總體變形結果云圖可以看出，最大變形量為0.567 57 mm，從優化后的滾筒篩體等效應力結果云圖中可以看出，最大應力值為65.048 MPa，發生在滾筒篩體靠近進糧口的篩網處。

圖7 優化后的滾筒篩體總體變形結果云圖

由圖8可知，與優化前的結果相比，優化后的最大變形量和最大等效應力值明顯減少，通過結構優化，優化后的滾動篩體最大變形量0.567 57 mm和最大等效應力為65.048 MPa，能夠滿足強度設計要求。

圖8 優化后的滾筒篩體等效應力結果云圖

2.2 篩箱的有限元仿真分析

2.2.1 模型的建立

利用inventor軟件建立振動篩箱的三維實體模型，經簡化后，將三維模型保存為sat中性格式文件形式，導入到ANSYS workbench環境中，建立篩箱的有限元模型。

2.2.2 網格劃分

對篩箱的材料屬性進行定義，材料設置為Q235，其彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.26，材料密度為7.85 kg·m-3。采用自動網格劃分方式對篩箱模型進行網格劃分，劃分后模型包含108 875個單元，277 407個節點，如圖9所示。

圖9 篩箱的網格劃分圖及信息圖

2.2.3 載荷及邊界條件約束設置

對模型施加自身的重力Gravity，在兩個振動電機的安裝處施加電機激振力，本模型選擇的振動電機的激振力為10 kN，且與篩箱存在一定的傾斜夾角。在4個減震器安裝孔處施加固定支撐，以及在整個箱體底面施加壓力，壓力大小為單位時間流過篩箱的糧食質量，環境溫度設置為22 ℃。施加受力圖如圖10所示。

圖10 篩箱施加受力圖

2.2.4 篩箱的靜力學分析

設定求解結果后，對模型進行求解，在后處理模塊中顯示出的分析結果參數如圖11、圖12所示。

由圖11可知，在篩箱總變形結果云圖中，最大變形量為0.170 16 mm，發生在篩箱側面安裝振動電機處的側板上部，圖中紅色區域部分。

由圖12可知，在篩箱靜態應力云圖中，最大等效應力為286.1 MPa，主要所受應力最大的位置位于篩箱側板下部，所用材料Q235的屈服極限235 MPa，安全系數是1.5，因此該材料的許用應力最大值為156.67 MPa，最大等效應力超過了篩箱所用材料Q235的屈服極限156.67 MPa，因此，需要對篩箱結構進行優化。為了更直觀的觀看變形狀態，圖11與圖12中顯示的變形比例與實際變形相比放大了1 100倍。

圖11 篩箱總變形結果云圖

圖12 篩箱靜態應力云圖

2.2.5 模型的優化

根據ANSYS workbench軟件的分析結果得知，振動篩箱的電機安裝處的側板上部受力最大，可在此處設計若干加強筋進行加固處理。在inventor中修改篩箱模型，在篩箱框架中將60 mm×40 mm×2 mm的矩形鋼改為60 mm×40 mm×4 mm的矩形鋼，將篩箱框架中50 mm×50 mm×3 mm的角鋼改為50 mm×50 mm×5 mm的角鋼，兩邊的篩箱側板厚度從1 mm改為3 mm，篩箱下板厚度也從1 mm改為3 mm，細雜變徑管厚度從1 mm改為2 mm，出料口堵板厚度從1 mm改為4 mm，在振動篩箱的電機安裝處的篩箱側板上部，受力最大的位置加入一根加強筋，直徑為100 mm；將修改后的三維模型導入ANSYS有限元軟件中，再進行仿真，所得仿真結果如圖13～圖15所示。

圖13 優化后的篩箱網格劃分圖

圖15 優化后的篩箱等效應力云圖

由圖13、圖14和圖15可知，優化后的篩箱，最大變形量為0.112 66 mm，相比優化前的最大變形量0.170 16 mm，變形量略有減小；發生最大形變的位置改變，從篩箱側面安裝振動電機處的側板上部，變化到篩箱前后兩端的橫梁中部。

圖14 優化后的篩箱總體變形云圖

優化后的篩箱最大等效應力為65.031 MPa，相比于優化前的最大等效應力值286.1 MPa，數值明顯減小，低于材料的屈服極限強度，最大等效應力的受力位置不變。為了更直觀的觀看變形狀態，圖14與圖15中顯示的變形比例放大了820倍。優化后的變形量及所受應力不大，該篩箱設計能夠滿足強度設計需求，設計合理。

3 結論

通過采用ANSYS有限元單元法對收購整理篩進行結構靜力學分析[6]，得出以下結論。

（1）收購整理篩的滾筒篩體部分，在篩網受到最大壓力的狀態下，滾筒篩體的最大變形量為3.923 2 mm，發生在滾筒篩體的進糧口處，靠近進糧口一側的后部篩網端部，所受最大等效應力為288.88 MPa，通過增加篩網等零件的厚度，對模型進行結構優化設計后，再進行有限元仿真，優化后的滾筒篩體所受的最大形變位移量為0.567 57 mm，最大等效應力為65.048 MPa，發生在滾筒篩體中部，靠近進糧口一側的后部篩網端部，變形量較小，能夠滿足強度應用要求。

（2）收購整理篩的振動篩箱部分，在篩箱受到最大壓力及電機激振力的狀態下，篩箱所受的最大形變位移量為0.170 16 mm，最大等效應力為286.1 MPa，發生在篩箱側面安裝振動電機處的側板上部，通過在此處設加強筋加固后，再次進行有限元仿真，優化后的篩箱最大變形量為0.112 66 mm，相比優化前的最大變形量0.170 16 mm，變形量略有減小；發生最大形變的位置變化，從篩箱側面安裝振動電機處的側板上部，變化到篩箱前后兩端的橫梁中部。優化后的篩箱最大等效應力為65.031 MPa，相比于優化前的最大等效應力值286.1 MPa，數值顯著減小，最大等效應力的受力位置不變。優化后篩箱所受的最大變形量和最大應力的數值較小，符合強度設計要求。