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，剔盤組用于動態(tài)剔除堵塞在濾縫內(nèi)的雜物，保持濾縫始終暢通無阻。濾筒在工作中同時承受剔盤組的離心力、濾筒的離心力、混流泵吸濾時產(chǎn)生的離心力和軸向推力等，而剔盤組同樣會受到各種離心力以及吸濾時產(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算。濾筒和剔盤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和濾筒發(fā)生劇烈摩擦。因此，應(yīng)合理設(shè)計吸濾裝置的結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度和剛度，這對于整個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，對濾筒和剔盤組進(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算量，對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)簡化[4-5]，將原本由若干濾盤組裝而成的濾筒和由若干剔盤組裝而成的剔盤組作為整體進(jìn)行分析，簡化后的模型如圖1所示，主要由濾筒和剔盤組組成。吸濾裝置中的濾筒和剔盤組主要參數(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)通過齒輪傳動驅(qū)動濾筒和剔盤組轉(zhuǎn)動，經(jīng)混流泵的負(fù)壓抽吸，紫菜與水的混合物通過濾筒上的濾縫進(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，通過剔盤組連續(xù)轉(zhuǎn)動將其剔除掉。

2 吸濾裝置有限元仿真

在吸濾裝置工作時，濾筒主要受到自身轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力、剔盤組轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力、泵抽吸時作用在液體上的離心力和軸向推力[6-7]，剔盤組主要受到自身轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力和濾筒轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力，所以需要分析濾筒和剔盤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，通過精細(xì)的網(wǎng)格單元尺寸控制方式，對紫菜吸濾裝置進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分[8-10]，本裝置總共有48 483個單元，275 568個節(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)度評價指標(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)度分析時一般采用第三或第四強(qiáng)度理論。實(shí)際工作時，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)度評價中通常采用第四強(qiáng)度理論導(dǎo)出的等效應(yīng)力（即ANSYS后處理器中的Von Mises Stress）來評價[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；剔盤組的最大位移為0.124 mm，位于插入濾縫的剔盤外緣處，兩者的變形都比較小，說明紫菜吸濾裝置在工作過程中的整體剛度和穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

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，剔盤組的最大應(yīng)力為89.46 MPa，說明裝置在工作過程中，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

剔盤組和濾筒在工作過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，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)計了濾雜裝備中的核心部件吸濾裝置，并用SolidWorks軟件對其進(jìn)行三維建模，在考慮吸濾裝置工作時所受各種外力作用的條件下，用ANSYS軟件對吸濾裝置各組成構(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)計滿足強(qiáng)度、變形要求，驗(yàn)證了設(shè)計方案的合理性。