一種水糞分離筒體離心風干設施的設計及其強度分析

摘 要：近年來，隨著鄉村振興戰略的實施，用于農村水糞分離回收利用的多種筒體離心風干設施應運而生。介紹一種新型的水糞分離筒體離心風干設施，其主要包括離心風干桶、進水管路、轉軸、承托層、破碎棒、排水管路和電機等結構，同時對該設施的主軸和主體強度進行分析。結果表明，該設施的主軸和主體強度都滿足要求，該設施在使用過程中安全可靠，可進一步推廣使用。

關鍵詞：農村；水糞分離；筒體離心風干設施；安全可靠；強度分析

中圖分類號：U455.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2023）03-154-4

0 引言

隨著社會發展和人們生活水平的提高，美麗鄉村建設進程加快，我國部分農村地區農戶家里接通了自來水，也采用了水沖式坐便器，極大地方便了村民的生活。然而，中國傳統文化中“天人合一”與“物盡其用”的觀念，仍深深影響著村民的日常生活與農業生產。古人們從西周時就開始探索糞便與土地肥力的關系，戰國時已掌握糞便積肥技術，漢代便有“美糞良田”的說法。在現代化的新農村，人們在享受各項基礎設施建設帶來的便利的同時，也應最大限度地利用好現有資源。因此，農村急需一種能夠將各種糞污進行有效收集利用的裝置，以便為農作物的種植提供天然有機肥，從而幫助農業生產提質增效［1-3］。筆者以自己設計并獲得相關專利的用于農村水糞分離回收利用的筒體離心風干設施為研究對象，基于Abaqus有限元軟件對其主軸和主體強度進行分析。

1 水糞分離筒體離心風干設施的構造和設計原理

1.1 設施構造

水糞分離筒體離心風干設施是一種用于農村糞污收集處理的離心風干裝置，主要包括離心風干桶、進水管路、轉軸、承托層、破碎棒、排水管路和電機等結構。離心風干桶頂部與進水管路連通，底部與排水管路連通，轉軸設置于離心風干桶內并與離心風干桶的軸線重合，轉軸底端伸出離心風干桶的底部并與電機輸出軸連接。離心風干桶內設有水平的承托層，承托層上設有穿過轉軸的軸孔，且承托層上設有多個通孔，破碎棒包括連接桿和設置于連接桿上的破碎部，連接桿的一端與轉軸連接，破碎部在承托層上并繞連接桿轉動。該設施的具體構造如圖1、圖2所示。

1.2 工作原理

水糞分離筒體離心風干設施工作原理如圖3所示。①離心風干桶呈圓柱狀，優選鋼筋混凝土框架結構，且框架結構間隙設置玻璃幕墻，使得離心風干桶內得到充足的光照。②進水管路與離心風干桶頂部連通，糞污通過進水管路流入離心風干桶。③轉軸設置于離心風干桶內并與離心風干桶的軸線重合，轉軸底端伸出離心風干桶底面并通過齒輪與電機輸出軸連接。④破碎棒包括連接桿和套設于連接桿上的破碎部，破碎部呈鋸齒狀，連接桿的一端設置于轉軸上，破碎部在承托層上并繞連接桿轉動，破碎棒隨轉軸轉動從而帶動離心風干桶內的糞污轉動，且破碎部將承托層上的糞污進一步破碎，提升固體糞污與水分的分離效果。⑤承托層中心設有供轉軸穿過的軸孔，且承托層外周與離心風干桶內側壁固定連接，承托層表面設置通孔，通孔用于過濾糞污中的水分，承托層外周設置擋板從而將糞污阻攔在承托層內，離心后的水分經通孔流下，最終經由離心風干桶底部的排水管路排出，離心風干桶頂部設有通風孔，自然通風進一步帶走固體糞污內的水分，再配合充足的光照，從而高效地將承托層上的固體糞污制作成優質的固態糞肥。承托層可根據應用環境的需要設置多層，并且通孔尺寸自上而下逐漸縮小，通孔在承托層上的分布自上而下逐層由稀疏到密集，每層承托層都配套設置有破碎棒。設置多層承托層能夠更好地將糞污中的水分分離，分離后的固體糞污也能得到更為充分的晾干，從而形成優質的固態肥料［4-5］。⑥排水管路與離心風干桶側壁底部連通，糞污中被分離出的水分通過排水管路排出。

為進一步提升糞肥的晾曬效率，離心風干桶側壁外設置鼓風機。鼓風機將氣流從離心風干桶底部輸入，氣流穿過承托層上設置的通孔，最終經由離心風干桶頂部設置的通風孔排出，從而快速晾干固體糞污。

2 水糞分離簡體離心風干設施的強度校核

2.1 主軸強度校核

根據此設計通風機的軸向尺寸和帶輪的一些基本尺寸，以及機械零件相互間的結構要求，確定傳動主軸的基本尺寸如圖4所示。

該設施中離心通風機的傳動方式為C式傳動，在工作中運轉的傳動主軸同時承受彎矩和轉矩的作用。為保證設施運行無礙，需要計算出設計中傳動主軸承受的最大彎矩和轉矩，最終計算出應力合成數值。以下設計中所用計算公式均參考《風機手冊》［6］。

2.1.1 主軸所受荷載計算。該裝置中主軸的懸臂端直徑是階梯式變化的。設計中為了簡化，將其看作是直徑相等的軸。估算葉輪質量m1=450 kg，帶輪質量m2=50 kg，兩軸承支承間軸的質量m4=60 kg，葉輪端懸臂軸質量m5=22 kg，帶輪端懸臂軸m6=10 kg，帶輪直徑D=0.56 m，g取9.81 N/kg。

葉輪質量與不平衡力重力之和計算公式為

[G1=m1[g+（nK1）2]] （1）

帶輪質量與帶拉力重力之和計算公式為

[G2=m2g+K2][NDn] （2）

兩軸承支承間軸的重力計算公式為

[G4=m4g] （3）

葉輪端懸臂軸的重力計算公式為

[G5=m5g] （4）

帶輪端懸臂軸的重力計算公式為

[G6=m6g] （5）

式（1）～（5）中：n為轉速，取950 r/min；K1為傳動系數，取2 135；N為拉力，取37×104 N。將相關數值帶入上式中，得G1=4 503.60 N，G2=2 483.08 N，G4=593.36 N，G5=221.37 N，G6=98.28 N。

2.1.2 主軸所受內力計算［6］。傳動主軸支撐點A處的反作用力計算公式為

[FA=（G1+G5）×（L+L1）+G4L4-（G2+G6）×L3L] （6）

傳動主軸支撐點B處的反作用力計算公式為

[FB=G1+G2+G4+G5+G6-FA] （7）

傳動主軸截面A上的彎矩計算公式為

[MA=（G1+G5）×L1] （8）

傳動主軸截面B上的彎矩計算公式為

[MB=（G2+G6）×L2] （9）

AB段軸的扭矩計算公式為

[MB=λ×Pn] （10）

式（6）～（10）中：P為功率，取37 kW；λ為系數，取9 551；L1、L2、L4、L為主軸變截面間的長度（見圖5）。將2.1.1得到的數據帶入上式中，得FA=7 081.19 N，FB=818.50 N，MA=1 729.34 N·m，MB=419.47 N·m，Mt=371.99 N·m。

根據計算可得扭矩在每個截面都相同，彎矩在傳動主軸截面A支座處最大，Mmax=1 729.34 N·m，如圖5所示。

2.1.3 計算軸的最大應力和材料選用。由圖6可知，最大彎矩發生在傳動主軸A支座處，因此合成最大的應力位置同樣在傳動主軸A支座處。

傳動主軸A支座處的抗彎截面系數計算公式為

[W=π32d31] （11）

傳動主軸A支座處的彎矩計算公式為

[Mn=M2max+M2t] （12）

最大應力計算公式為

[σn=MnW] （13）

式（11）中：d1為傳動主軸直徑，取0.1 m。將數據帶入上式中，得σn=18.02×106 N/m2。根據計算結果，主軸材料最終選用35號優質碳素鋼，屈服點σs=530×106 N/m2，σn[lt;]σs，滿足要求。

2.2 葉輪強度校核

2.2.1 輪盤強度計算。葉輪和軸盤的簡單示意圖如圖6所示。

中間孔的直徑D1=0.64 m，輪盤直徑D2=1.40 m，輪盤厚度δ=0.008 m。軸向力F1、徑向力F2計算公式分別為

[F1=ρ012δ（D32-D31）ω2] （14）

[F2=ZπmRcω2] （15）

式（14）（15）中：ρ0為葉輪材料密度，取7.85×103 kg/m3；ω為角速度，取49.74 rad/s；Z為葉輪葉片數量，取16片；m為總葉片質量，取3.87 kg；Rc為葉輪半徑，取32.9 mm。將數據帶入上式中，得F1=32.13×103 N，F2=16.04×103 N。

輪盤的最大應力計算公式為

[σt1=λ1u22[1+λ2（D1D2）2]] （16）

葉片引起的附加應力計算公式為

[σt2=σt1KF2F1] （17）

輪盤的最大應力計算公式為

[σ′=σt1+σt2] （18）

式（16）～（18）中：λ1、λ2、u2為推導系數，分別取6 500、0.212和69.64；K為輪盤的葉片負荷分配系數，取1。將相關數據代入式中，σt1=32.92×106 N/m2，σt2=16.43×106 N/m2，σ′=49.35×106 N/m2。

輪盤的材料為Q235A，其屈服點σ=235×106 N/mm2。安全系數n=σ/σ′=4.76[gt;]1，安全。

2.2.2 輪蓋的強度計算［6］。此計算過程類似于2.2.1中輪盤強度的計算，不同的是負荷分配系數K′=0.5。輪蓋的強度計算公式為

[σ′t2=K′F2F1σt1] （19）

輪蓋的最大應力計算公式為

[σ″=σt1+σ′t2] （20）

輪蓋的材料為Q235A，其屈服點σ[=]235×106 N/m2。將數據帶入上式中，得σ″=41.14×106 N/m2，安全系數n=σ/σ″=5.71[gt;]1，安全。

3 離心風干桶框架結構強度分析

離心風干桶呈圓柱狀，優選鋼筋混凝土框架結構，且框架結構間隙設置玻璃幕墻，主要荷載為靜水壓力和固體糞便的側向分力，對其強度進行分析。

3.1 圓柱狀框架結構壓力分析

考慮固體糞便的側向壓力，將總的側向壓力設定為水壓力的1.2倍即可滿足設計要求。為方便計算，取1/8結構進行計算，即φ=45°，水壓力受力分析如圖7所示。

水平分力計算公式為

[Fpx=ρghAx] （21）

鉛直分力計算公式為

[Fpz=ρg（18πR2）-12h2b] （22）

總壓力大小計算公式為

[Fp=Fpx2+Fpz2] （23）

式（21）～（23）中：h為高度，取2.687 m；ρ為水和糞便等效密度，取1.5 kg/m3；R為半徑，取3.8 m；b為桶厚度，取0.2 m；Ax為截面面積，取15.32 m2。將各數值帶入上式中，得Fpx=41.89 kN，Fpz=52.34 kN，Fp=66.84 kN。

圓柱狀離心風干桶優選鋼筋混凝土框架結構，混凝土強度等級為C50；框架結構間隙設置玻璃幕墻，玻璃幕墻抗壓強度為90 MPa。Fpx=41.89 MPa，小于50 MPa，小于90 MPa，符合強度要求。

3.2 結構有限元分析

3.2.1 結構建模。利用Abaqus有限元分析軟件建立三維模型，確定邊界條件。根據材料確定E=2.5×106 N/mm3，μ=0.35，建立圖8三維模型圖。

3.2.2 計算并進行結果對比。利用Abaqus有限元分析軟件進行計算，得到離心風干桶應力云圖，如圖9所示。

根據有限元計算結果可知，最大應力為31.89 MPa，小于50 MPa。由此可見，其強度和變形都符合基本要求。

4 結論

建立農村水糞分離回收利用的筒體離心風干設施模型，利用Abaqus有限元軟件進行受力分析，計算載荷作用下應力分布和變形情況，對其結構設計有較好的指導作用。對最大應力進行分析，可以在設施設計階段校驗其結構的安全性。這種分析方法對用于農村水糞分離回收利用的筒體離心風干設施的設計提供了依據，具有很強的實際意義。

參考文獻：

［1］王錦超，孫濤，秦錄芳.一種臥式筒體糞污發酵裝置的筒體設計與分析［J］.農村實用技術，2021（1）：185-186.

［2］王紹勇.畜禽糞污收集處理與綜合利用［J］.四川畜牧獸醫，2021（10）：35-38.

［3］肖建新，劉奇，劉亮東，等.一種離心過濾式畜禽養殖糞污處理用固液分離裝置：212051071U［P］.2020-12-01.

［4］張凱，王國軍，鄒偉，等.一種畜禽糞水自動分離刮糞機：211379163U［P］.2020-09-01.

［5］吳淑靜，張敬中，劉太記.畜禽糞污資源化利用生態產業鏈模式效益分析［J］.河南畜牧獸醫，2022（7）：10-14.

［6］續魁昌，王洪強，蓋京方.風機手冊［M］.2版.北京：機械工業出版社，2011：380-450.