◎ 王佩琦，趙瑞營，張峻嶺，陳 藝

（鄭州中糧科研設(shè)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(huán)境下對糧食與雜質(zhì)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(shè)備，配有先進的環(huán)保除塵設(shè)備，具有產(chǎn)量大，移動方便等特點[1-2]。

1 收購整理篩結(jié)構(gòu)及工作原理

本設(shè)備針對高溫、高濕等惡劣條件下糧食與雜質(zhì)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(jié)合，達到高效清選糧食雜質(zhì)的目的，適用于環(huán)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(shè)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(shè)備主要由圓筒篩、振動篩、垂直吸風道、脈沖除塵器、動力系統(tǒng)、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(huán)保。

圖1 收購整理篩總裝圖

本設(shè)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(nèi)，經(jīng)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(wǎng)，篩下物為小雜、粉粒物料，篩上物流通過垂直吸風道流出；經(jīng)過振動篩箱后的物料在垂直吸風道處再次經(jīng)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(yīng)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(yè)粉塵。

2 收購整理篩重要部件的有限元仿真分析及優(yōu)化設(shè)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(jīng)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(huán)境中，建立滾筒篩體的有限元模型。

2.1.2 網(wǎng)格劃分

對滾筒篩體的材料屬性進行定義，材料設(shè)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(wǎng)格劃分方式對滾筒篩體模型進行網(wǎng)格劃分，劃分后模型包含3 879 638個節(jié)點，1 616 456個單元，如圖2、圖3所示。

圖2 滾筒篩體的網(wǎng)格劃分圖

圖3 滾筒篩體網(wǎng)格劃分信息圖

2.1.3 載荷及邊界條件約束設(shè)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(wǎng)上施加垂直于篩網(wǎng)的壓力，壓力大小為單位時間流過篩箱的糧食質(zhì)量，壓力大小根據(jù)進糧效率為100 t·h-1，計算出每秒鐘篩網(wǎng)所受糧食的平均壓力為248.975 Pa，環(huán)境溫度設(shè)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(shè)定求解結(jié)果后，對模型進行求解，在后處理模塊中顯示出的分析結(jié)果參數(shù)如圖5、圖6所示。

由圖5可知，在滾筒篩體總變形結(jié)果云圖中，最大變形量為3.923 2 mm，發(fā)生在滾筒篩體的進糧口處，靠近進糧口一側(cè)的后部篩網(wǎng)端部，圖中紅色區(qū)域部分。

圖5 滾筒篩體總體變形結(jié)果云圖

由圖6可知，在滾筒篩體應(yīng)力云圖中，最大等效應(yīng)力為288.88 MPa，主要所受應(yīng)力集中較大的部位位于滾筒篩體靠近進糧口一側(cè)的后部篩網(wǎng)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(shù)是1.5，因此該材料的許用應(yīng)力最大值為156.67 MPa，本機構(gòu)經(jīng)過有限元仿真得到的最大等效應(yīng)力結(jié)果288.88 MPa超過了該材料的最大許用應(yīng)力，說明滾筒篩體的局部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行改進。

圖6 滾筒篩體等效應(yīng)力結(jié)果云圖

2.1.5 模型的優(yōu)化

根據(jù)ANSYS workbench軟件的分析結(jié)果得知，滾筒篩體的進糧口處的篩網(wǎng)變形受力最大，可增加篩網(wǎng)等零件的厚度來進行優(yōu)化設(shè)計。

在inventor中修改三維模型，將篩體雜質(zhì)出口篩網(wǎng)固定板厚度從4 mm加厚到10 mm，將篩網(wǎng)雜質(zhì)出口固定滾筒的厚度從4 mm加厚到10 mm，將雜質(zhì)出口鋼帶壓條加強筋板的厚度從1 mm改為6 mm，將出口轉(zhuǎn)筒和出口轉(zhuǎn)筒蓋板的厚度從4 mm改為16 mm，將篩體雜質(zhì)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(nèi)側(cè)焊接骨架的厚度從4 mm改為10 mm，將篩網(wǎng)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(cè)）和縱向鋼板外側(cè)的厚度從2 mm改為6 mm，將篩網(wǎng)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(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7可知，從優(yōu)化后的滾筒篩體總體變形結(jié)果云圖可以看出，最大變形量為0.567 57 mm，從優(yōu)化后的滾筒篩體等效應(yīng)力結(jié)果云圖中可以看出，最大應(yīng)力值為65.048 MPa，發(fā)生在滾筒篩體靠近進糧口的篩網(wǎng)處。

圖7 優(yōu)化后的滾筒篩體總體變形結(jié)果云圖

由圖8可知，與優(yōu)化前的結(jié)果相比，優(yōu)化后的最大變形量和最大等效應(yīng)力值明顯減少，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的滾動篩體最大變形量0.567 57 mm和最大等效應(yīng)力為65.048 MPa，能夠滿足強度設(shè)計要求。

圖8 優(yōu)化后的滾筒篩體等效應(yīng)力結(jié)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(jīng)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(huán)境中，建立篩箱的有限元模型。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

對篩箱的材料屬性進行定義，材料設(shè)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(wǎng)格劃分方式對篩箱模型進行網(wǎng)格劃分，劃分后模型包含108 875個單元，277 407個節(jié)點，如圖9所示。

圖9 篩箱的網(wǎng)格劃分圖及信息圖

2.2.3 載荷及邊界條件約束設(shè)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(zhì)量，環(huán)境溫度設(shè)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(shè)定求解結(jié)果后，對模型進行求解，在后處理模塊中顯示出的分析結(jié)果參數(shù)如圖11、圖12所示。

由圖11可知，在篩箱總變形結(jié)果云圖中，最大變形量為0.170 16 mm，發(fā)生在篩箱側(cè)面安裝振動電機處的側(cè)板上部，圖中紅色區(qū)域部分。

由圖12可知，在篩箱靜態(tài)應(yīng)力云圖中，最大等效應(yīng)力為286.1 MPa，主要所受應(yīng)力最大的位置位于篩箱側(cè)板下部，所用材料Q235的屈服極限235 MPa，安全系數(shù)是1.5，因此該材料的許用應(yīng)力最大值為156.67 MPa，最大等效應(yīng)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(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。為了更直觀的觀看變形狀態(tài)，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(jié)果云圖

圖12 篩箱靜態(tài)應(yīng)力云圖

2.2.5 模型的優(yōu)化

根據(jù)ANSYS workbench軟件的分析結(jié)果得知，振動篩箱的電機安裝處的側(cè)板上部受力最大，可在此處設(shè)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(cè)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(cè)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(jié)果如圖13～圖15所示。

圖13 優(yōu)化后的篩箱網(wǎng)格劃分圖

圖15 優(yōu)化后的篩箱等效應(yīng)力云圖

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

圖14 優(yōu)化后的篩箱總體變形云圖

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

3 結(jié)論

通過采用ANSYS有限元單元法對收購整理篩進行結(jié)構(gòu)靜力學分析[6]，得出以下結(jié)論。

（1）收購整理篩的滾筒篩體部分，在篩網(wǎng)受到最大壓力的狀態(tài)下，滾筒篩體的最大變形量為3.923 2 mm，發(fā)生在滾筒篩體的進糧口處，靠近進糧口一側(cè)的后部篩網(wǎng)端部，所受最大等效應(yīng)力為288.88 MPa，通過增加篩網(wǎng)等零件的厚度，對模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后，再進行有限元仿真，優(yōu)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(yīng)力為65.048 MPa，發(fā)生在滾筒篩體中部，靠近進糧口一側(cè)的后部篩網(wǎng)端部，變形量較小，能夠滿足強度應(yīng)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(tài)下，篩箱所受的最大形變位移量為0.170 16 mm，最大等效應(yīng)力為286.1 MPa，發(fā)生在篩箱側(cè)面安裝振動電機處的側(cè)板上部，通過在此處設(shè)加強筋加固后，再次進行有限元仿真，優(yōu)化后的篩箱最大變形量為0.112 66 mm，相比優(yōu)化前的最大變形量0.170 16 mm，變形量略有減??；發(fā)生最大形變的位置變化，從篩箱側(cè)面安裝振動電機處的側(cè)板上部，變化到篩箱前后兩端的橫梁中部。優(yōu)化后的篩箱最大等效應(yīng)力為65.031 MPa，相比于優(yōu)化前的最大等效應(yīng)力值286.1 MPa，數(shù)值顯著減小，最大等效應(yīng)力的受力位置不變。優(yōu)化后篩箱所受的最大變形量和最大應(yīng)力的數(shù)值較小，符合強度設(shè)計要求。