何 娟

（武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

基于ABAQUS的廚余處理器刀盤(pán)仿真研究

何 娟

（武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

現(xiàn)代人們的環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，廚余垃圾的處理越來(lái)越受到重視。文章對(duì)廚余處理器采用SolidWorks進(jìn)行建模，得到廚余處理器的三維圖。在Hypermesh中進(jìn)行仿真前處理，基于ABAQUS，對(duì)廚余垃圾處理器關(guān)鍵部件—旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)進(jìn)行了靜力學(xué)和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)的應(yīng)力圖和位移圖，以驗(yàn)證廚余處理器的可靠性。

廚余處理器；旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)；ABQUS

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-67-03

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活得到了很大的改善，但是廚余垃圾隨之快速增多。廚余垃圾已經(jīng)變成了城市發(fā)展的負(fù)擔(dān)，現(xiàn)在的很多發(fā)達(dá)國(guó)家也曾有過(guò)垃圾圍城的危機(jī)。全世界每產(chǎn)生的廚余垃圾高達(dá)4.9億噸，然而在我國(guó)每年就會(huì)產(chǎn)生1.5億噸[1]。近些年，廚余垃圾再以飛快的速度增長(zhǎng)著，因此，在目前的這種情況下，廚余垃圾處理器一定會(huì)逐步普及以減輕城市垃圾處理壓力。

本文基于SolidWorks對(duì)廚余處理器進(jìn)行建模，對(duì)廚余處理器的攪拌腔進(jìn)行理論受力分析[2]。利用有限元處理軟件ABAQUS對(duì)廚余處理器的關(guān)鍵部件—轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)進(jìn)行靜強(qiáng)度、模態(tài)、以及瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，以驗(yàn)證廚余處理器的強(qiáng)度。

1、廚余處理器介紹

1.1 廚余處理器模型

廚余處理器主要用于處理動(dòng)物骨頭和食物殘?jiān)Ｓ尚⌒碗姍C(jī)帶動(dòng)刀盤(pán)和刀具高速旋轉(zhuǎn)，刀盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，被處理物不會(huì)與刀盤(pán)同步旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一個(gè)速度差，加上離心力對(duì)被處理物的作用，使被處理物與刀盤(pán)的運(yùn)動(dòng)不同向，使得被處理的廚余垃圾向刀盤(pán)的邊緣處運(yùn)動(dòng)。刀盤(pán)上裝有活動(dòng)錘擊頭粉碎刀具可以對(duì)被處理的廚余垃圾進(jìn)行柔性錘擊碾磨，達(dá)到迅速粉碎廚余垃圾的作用。廚余垃圾從投料口倒入粉碎腔內(nèi)，立刻被高速旋轉(zhuǎn)的錘擊頭的撞擊、沖擊、研磨、剪切等作用而破壞粉碎[3]。破碎后的廚余垃圾小于2mm 尺寸的顆粒隨水流流進(jìn)下水管，2mm尺寸以上的顆粒繼續(xù)留在粉碎腔進(jìn)行循環(huán)撞擊粉碎?；赟olidWorks的三維模型如圖1所示，剖視圖如圖2所示。

圖1 廚余處理器三維模型

圖2 廚余處理器剖視圖

1.2 廚余處理器的布置

廚余處理器直接安裝在洗碗槽下面，節(jié)約空間，安裝示意圖如下圖3所示。一般標(biāo)準(zhǔn)水槽的內(nèi)徑是90mm，如果不是可以使用轉(zhuǎn)接頭。符合安裝的條件[3]應(yīng)滿(mǎn)足洗碗槽下面的櫥柜預(yù)留400mm的寬度，300mm的寬度，下水口距離水槽底部的距離應(yīng)大于190mm。

圖3 廚余處理器的安裝示意圖

2、關(guān)鍵零部件的仿真分析

根據(jù)大量的調(diào)查分析，廚余處理器的關(guān)鍵部件是旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)。長(zhǎng)時(shí)間的使用，旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)易發(fā)生磨損甚至破壞。經(jīng)試驗(yàn)得，旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)的撞擊力大小為29.47N，故本文主要對(duì)廚余處理器的粉碎刀盤(pán)進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

2.1 旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)有限元模型

將旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)導(dǎo)入前處理軟件Hypermesh進(jìn)行前處理，為了提高網(wǎng)格劃分的成功率及效率，本文在劃分前對(duì)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，忽略了其中一些比較細(xì)微和對(duì)結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)[4]。網(wǎng)格劃分成功后，共得到單元數(shù)162261，網(wǎng)格數(shù)34847。網(wǎng)格劃分結(jié)果如下圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)網(wǎng)格劃分圖

2.2 旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)靜力學(xué)分析

粉碎刀盤(pán)長(zhǎng)期在有液體的情況下工作，轉(zhuǎn)速高，并且會(huì)受到循環(huán)載荷的作用，主要的破壞形式為疲勞破壞，因此在選擇材料時(shí)不僅在滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的要求，同時(shí)也要有一定的耐腐蝕性。根據(jù)這些條件，選取的粉碎刀盤(pán)材料為1Cr13不銹鋼。1Cr13不銹鋼的材料特性如下表1所示。

表11 Cr13的材料特性

基于有限元處理軟件ABAQUS，定義材料的彈性模量Young’s Modulus=200000，Poisson’s Ratio=0.3。如下圖5所示，對(duì)旋轉(zhuǎn)中心孔施加耦合約束[5]，在旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)主要承受撞擊力的四個(gè)部位施加大小為29.47N的沖擊載荷。旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)靜力學(xué)分析結(jié)果應(yīng)力圖如下圖6所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)靜力分析加載圖

圖6 旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)靜力學(xué)分析應(yīng)力圖

由旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)靜力學(xué)分析應(yīng)力圖可以看出，應(yīng)力的最大值是170.595MPa。并且可以看出應(yīng)力比較大的集中在旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)與主軸相連的連接孔處。根據(jù)1Cr13的材料特性可知，其屈服極限為345MPa，超過(guò)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)的最大應(yīng)力值，因此該旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)符合強(qiáng)度要求。

2.3 旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)動(dòng)力學(xué)分析

圖7 旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)瞬態(tài)分析載荷圖

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析（時(shí)間歷程分析）是用來(lái)分析任意載荷情況下，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)是分析確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷、簡(jiǎn)諧載荷的任意組合作用下的應(yīng)力、應(yīng)變、位移隨時(shí)間變化規(guī)律。如下圖7所示，在旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)主要撞擊的部分施加沖擊載荷，載荷的大小為29.47N，載荷的作用時(shí)間為0.01S。旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)分析應(yīng)力圖如下圖8所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)瞬態(tài)分析應(yīng)力圖

由旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)瞬態(tài)分析應(yīng)力圖可以看出，應(yīng)力的最大值為200.157MPa，且應(yīng)力集中在旋轉(zhuǎn)中心以及引導(dǎo)機(jī)構(gòu)。由1Cr13的屈服極限為345MPa，超過(guò)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)的最大應(yīng)力值，因此該旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)符合強(qiáng)度要求。

3、結(jié)論

本文基于ABAQUS，利用仿真分析，對(duì)粉碎機(jī)的關(guān)鍵零部件—旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)進(jìn)行了靜力學(xué)和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得出了一致結(jié)論，旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)的強(qiáng)度能夠符合要求。因此該種廚余處理器能滿(mǎn)足日常生活垃圾處理的要求。

[1] 趙欣,田宇,湯建化,等.我國(guó)生活垃圾處理現(xiàn)狀分析與技術(shù)發(fā)展方向研究[J]. 廣西輕工業(yè). 2008(07)： 85-87. Xin Zhao,Yu Tian, Jianhua Tang，等. 2008(07)： 85-87.

[2] 王靜泉. 廚房食物垃圾處理器的研制[D]. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué), 2005. Jingquan Wang. 2005.

[3] 張?jiān)讫?廚余垃圾處理器,科技設(shè)計(jì)助力環(huán)保[J]. 工業(yè)設(shè)計(jì). 2011 (11)： 52-53. Yunlong Zhang. 2011(11)： 52-53.

[4] Wang Y, Tan G, Yang B, et al. The Finite Element Analysis and Optimization on a Special Vehicle[Z]. SAE International, 2015-.

[5] 鮑敏. 廚余處理器研制及關(guān)鍵零部件可靠性分析[D]. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2011. Min Bao. 2011.

Research on the simulation of cutter disk of kitchen waste processor based on ABAQUS

He Juan
（School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070）

The modern people's environmental protection consciousness strengthens gradually, more and more attention is paid to the disposal of kitchen waste. The kitchen waste processor using SolidWorks modeling, and the key parts of the rotating cutter for theory of strength check and the use of fluid mechanics, structural mechanics, theoretical derivation of the load. Based on ABAQUS, the simulation analysis of the key parts of kitchen waste processor, rotary cutter, is carried out to verify the reliability of kitchen waste processor.

kitchen processor; rotary cutter head; ABQUS

U467.3

A

1671-7988 (2017)05-67-03

第一作者及通訊作者簡(jiǎn)介：何娟，（1993-）在讀研究生，就讀于武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院。主要研究方向：汽車(chē)CAD/CAE。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.022