劉鑒鈺，黃興元

(南昌大學(xué)a.機電工程學(xué)院；b.江西省輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)材料重點實驗室，江西 南昌 330031)

近年來以纖維素燃料為代表的生物質(zhì)能源的研究開始受到越來越多的關(guān)注。如果儲量豐富、價格低廉的秸稈等木制纖維素能夠用于燃料的工業(yè)化生產(chǎn)，既能解決農(nóng)村秸稈存放的問題、保護環(huán)境，同時又能增加農(nóng)民的收入、緩解能源危機[1]。

20世紀80年代后，很多學(xué)者將蒸汽爆破預(yù)處理用于各類木質(zhì)纖維的預(yù)處理中，如使用松樹[2]、甘蔗[3-4]進行蒸汽爆破預(yù)處理，得出蒸汽爆破預(yù)處理有助于酶水解的結(jié)論。余先純等[5]以蒸汽爆破處理技術(shù)預(yù)處理鋸木屑催化制備糠醛，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蒸汽爆破預(yù)處理可以有效提高糠醛得率，并優(yōu)化得出最佳處理工藝條件。

但是目前將秸稈類纖維素原料轉(zhuǎn)化成生物油、乙醇等可燃性能源物質(zhì)的技術(shù)還不夠成熟，存在諸多難題亟待解決，尤其是纖維素螺桿擠出預(yù)處理環(huán)節(jié)，螺旋葉片部位容易產(chǎn)生失效，許多學(xué)者對此進行了研究。顧張麗[6]、張常春[7]對連續(xù)式蒸汽爆破設(shè)備的螺桿進料裝置、活塞壓縮裝置和酶解反應(yīng)器進行設(shè)計計算校核，利用ANSYS的APDL及polyflow對所設(shè)計的部分進行靜力學(xué)的模擬分析，得到具有較好混合效果的螺葉開槽角度。張毅提出木制纖維素連續(xù)蒸煮汽爆預(yù)處理技術(shù)，使用單因素法對蒸煮器、汽蒸器和噴爆器進行分析，并利用正交試驗設(shè)計方法對其進行優(yōu)化[8]。賀李萍[9]、楊艷明[10]自行設(shè)計加工，選定3個主要因素進行響應(yīng)面優(yōu)化試驗研究，對螺旋葉片進行優(yōu)化。

然而，目前對蒸汽爆破中蒸汽的高溫產(chǎn)生的熱應(yīng)力和物料擠壓產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力耦合對螺桿和螺旋葉片性能的影響研究還不夠深入，為此本文將采用ANSYS的穩(wěn)態(tài)熱分析模塊、靜力學(xué)模塊對所蒸汽爆破設(shè)備中的擠出螺桿葉片進行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果研究葉片形狀對強度的影響，從而進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

筆者所在團隊研究了一種帶尾氣回收連續(xù)式秸稈類物質(zhì)蒸汽爆破設(shè)備[11]，其結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動機構(gòu)、進料機構(gòu)、螺旋輸送機構(gòu)、出料機構(gòu)和蒸汽補充裝置，物料處理能力為1 t·h-1。在機器一開始啟動時從蒸汽提供源送入足夠量的蒸汽，物料從進料機構(gòu)進入并初步壓實，再進入螺旋輸送機構(gòu)進一步壓縮至達到爆破所需的密度，與蒸汽一起進入暫存?zhèn)}等待噴放閥控制爆破，經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后出料，蒸汽進行循環(huán)利用，從出料機構(gòu)的旋風(fēng)分離器管道處回收蒸汽，通過蒸汽回風(fēng)管道保溫回收至蒸汽進氣口，并回收旋風(fēng)分離器排出廢氣中的細微顆粒物料并防止其污染環(huán)境。本文對該蒸汽爆破設(shè)備中擠出螺桿的螺旋葉片強度展開分析。

1 有限元分析

1.1 模型的建立

擠出螺桿結(jié)構(gòu)如圖1，螺旋葉片作為螺桿的主要受力部位，在工作中受力情況較為復(fù)雜，既有高溫蒸汽和摩擦導(dǎo)致的熱應(yīng)力，又有物料擠壓導(dǎo)致的擠壓應(yīng)力，二者的耦合容易使得螺旋葉片因強度導(dǎo)致的失效問題。螺旋葉片包含等螺距的進料螺旋葉片與螺距漸小的壓縮螺旋葉片，隨著螺旋葉片的螺距逐漸漸小，物料所受的作用力逐漸變大，所以最后一片螺旋葉片的推進面所承受的壓力較其余葉片是最大的，因此分析主要針對最后一片螺旋葉片進行。經(jīng)過前期設(shè)計計算，螺桿的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

設(shè)計時選擇電機正常工作時的功率P=315 kW，選取螺桿正常工作時的轉(zhuǎn)速n=30 r·min-1，壓縮段的最后一個螺旋角φ=6.3°。螺旋葉片與螺桿均采用合金結(jié)構(gòu)鋼。因螺旋葉片的根部較易發(fā)生失效，通過查閱文獻資料[12]，螺旋葉片采用材料性能較好的合金結(jié)構(gòu)鋼30rMnSiA，故動態(tài)摩擦系數(shù)取fk=0.45。如圖3與圖4所示，螺桿轉(zhuǎn)動時，螺旋葉片對物料有力的作用，同時物料對葉片有1個反作用力，螺旋對物料的總推力經(jīng)過計算可以得到為

式中：?為摩擦角，(°)，與動態(tài)摩擦系數(shù)有關(guān)，通常有tan?=fk。

由于物料對螺旋葉片的反作用力，可以得到最后1個螺旋葉片受到來自物料的壓力

式中：F為螺旋對物料的總推力；A為末端螺葉橫面積，m2，A=π×(R2-r2)=0.06 m2。

1.2 物性參數(shù)設(shè)置

螺桿均采用合金結(jié)構(gòu)鋼Q235。螺旋葉片采用材料性能較好的低溫退火處理過的合金結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiA，其材料性能如表1所示。

表1 合金結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiA的材料性能Tab.1 Material properties of alloy structural steel 30CrMnSiA

設(shè)備所使用的飽和蒸汽溫度大約在200 ℃左右，根據(jù)表2可知，壓縮蒸汽的對流傳熱系數(shù)取值區(qū)間為60～120 kW·m-2·℃-1，選擇其對流傳熱系數(shù)為120 kW·m-2·℃-1。

表2 常見典型的對流傳熱系數(shù)[13]Tab.2 Common and typical convective heat transfer coefficient

由文獻資料[14]可知，200 ℃時飽和蒸汽的密度ρ=7.86 kg·m-3，焓值H=2 791.5 kJ·kg-1，受力截面積S=0.279 m2，蒸汽流速v=10 m·s-1，其流通量大小為

φ=ρ·S·H/(v·t)=614.13 kJ·m-2

因此，熱流量大小為614.13 kJ·m-2。

1.3 螺旋葉片截面形狀分析

目前，典型的螺旋葉片一般為矩形斷面，矩形斷面的裝料體積較大。另一種經(jīng)典的螺旋斷面為鋸齒形斷面，具有裝料體積較大的優(yōu)點，并且有利于改善物料的流動狀態(tài)，避免存料現(xiàn)象。

機器運行時，在加料過程中物料間存在相對滑移，下層物料被機筒拖曳而不易前進，因此在螺槽的底部容易形成一層滯流，在螺紋的推進面，后面也會形成滯流區(qū)(見圖5)，導(dǎo)致上下層物料的運動速度不同，使得物料發(fā)生相對滑移。而近年來比較流行的雙楔形斷面可以較好地解決這些問題，剪切滑移面與螺旋棱的2個側(cè)面將形成一定角度。

如圖6所示，在相同條件下，雖然矩形與鋸齒形截面也能滿足要求，但是雙楔形截面的葉片根部較之矩形與鋸齒形，面積更大，應(yīng)力集中現(xiàn)象能得到更好的緩解，因此是更優(yōu)的選擇。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

雙楔形結(jié)構(gòu)能較好地改善物料的流動情況與螺桿的應(yīng)力分布，不同的α與β角可以改變物料推進及物料滯流的情況，對改變最易發(fā)生失效的葉片根部的受力情況影響較大。

因此接下來針對擁有不同α與β角的雙楔形斷面，對擠出螺桿的最后一片螺旋葉片的受力情況進行仿真模擬，將受力的仿真結(jié)果進行比對。因最后一段的螺距只有100 mm，若按照矩形葉片厚度20 mm進行設(shè)計，雙楔形截面不能適用，因此螺旋葉片厚度設(shè)計成e=10 mm。通過圖6可以得出

e+H(tanα+tanβ)

式中：H為螺旋葉片高度，m；L為螺距，m。

因此選擇以下各螺旋葉片的斷面尺寸如表3進行仿真分析。

表3 各螺旋葉片的斷面尺寸Tab.3 Sectional dimensions of each spiral blade

3 邊界條件

1) 熱分析邊界：設(shè)置軸及螺旋葉片的溫度為200 ℃；熱載荷分為熱流量和熱對流，在螺旋葉片的表面施加熱流量614.13 kJ·m-2，在軸面和螺旋葉片表面施加熱對流，設(shè)置飽和蒸汽的對流傳熱膜系數(shù)為120 kW·m-2·℃-1。

2) 靜力學(xué)分析邊界：如圖4所示在軸端A面施加固定約束，軸端B為自由端面；在螺旋葉片的受力面施加壓力19.1 MPa。

4 熱-結(jié)構(gòu)耦合

經(jīng)過ANSYS的熱-結(jié)構(gòu)耦合計算，斷面尺寸1的結(jié)果如圖7～圖10。其余斷面尺寸的仿真結(jié)果見表3。

從熱-結(jié)構(gòu)耦合的仿真結(jié)果可以看出，在載荷、邊界條件和約束相同的情況下，改變α、β角，螺旋葉片所受到等效變化幅度較大，而最后的結(jié)果溫度、總熱通量和等效應(yīng)變等變化較小，如表4。

表4 不同螺旋葉片截面的仿真計算結(jié)果Tab.4 Simulation calculation results of different spiral blade sections

從表4可以看出，14組形狀均滿足所選螺旋葉片材料30CrMnSiA的要求，改變雙楔形的螺旋葉片斷面的α與β角，對于穩(wěn)態(tài)熱分析結(jié)果中最高溫度與最大總熱通量，雖有變化，但影響不大。從最后耦合的仿真結(jié)果可以看出，當雙楔形的螺旋葉片斷面的α=10°、β=30°時，能夠有效地改善螺旋葉片根部的受力情況 ，減少等效應(yīng)變和等效應(yīng)力。因此將原設(shè)計的擠出螺桿的螺旋葉片截面改進設(shè)計成雙楔形截面形狀，選擇α=10°、β=30°，如圖11。

5 結(jié)論

基于ANSYS軟件對于秸稈類纖維素燃料預(yù)處理設(shè)備的擠出螺桿，在高溫?zé)釕?yīng)力作用下，容易出現(xiàn)損壞的螺旋葉片部位進行仿真模擬，得到以下結(jié)論：

1) 對于經(jīng)典的矩形、鋸齒形和雙楔形螺旋葉片截面形狀，由于最大強度出現(xiàn)在螺旋葉片的根部位置，載荷主要由根部承擔，因此雙楔形的螺旋葉片截面優(yōu)于其余2種。

2) 當雙楔形截面的α為10°、β為30°時，熱-結(jié)構(gòu)耦合后的靜力學(xué)仿真結(jié)果等效應(yīng)力和等效位移得到明顯改善，選用該種雙楔形截面可以大大降低對于螺旋葉片材料的抗剪強度等性能要求。