齊 彭， 張春燕， 喬印虎， 陳 蒙， 辛 楠

(1.安徽科技學(xué)院機械工程學(xué)院，安徽 滁州 233100；2.安徽云龍糧機有限公司，安徽 阜陽 236500)

0 引 言

2021年是十四五規(guī)劃的開局之年，中共中央一號文件發(fā)布，對農(nóng)業(yè)發(fā)展中的糧食安全問題提出新措施新要求[1]。隨著國家農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的不斷發(fā)展壯大，對農(nóng)業(yè)機械對要求也在不斷提高；截止2020年我國糧食清選環(huán)節(jié)的機械化水平僅為36.06%，小麥清選處理環(huán)節(jié)的機械化水平達到45.72%[2-3]，小麥清選裝備是小麥在裝袋入庫前，篩分出優(yōu)質(zhì)小麥，保證小麥食品安全的重要環(huán)節(jié)之一[4]。圓筒篩是小麥清選裝備的重要組成部分，當(dāng)前市面上的圓筒篩大小形狀隨著其裝備的大型化、標準化的發(fā)展而發(fā)展。圓筒篩結(jié)構(gòu)形狀的增大，小麥喂入量增大，對其振動強度的要求也增加，圓筒篩體的負荷增加，在振動過程中對其剛度和強度的要求就越大[5-6]；圓筒篩的面積和體積越大就越易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致其較快破損，使用壽命降低[7]。因此，在優(yōu)化設(shè)計過程中，需采取針對原有的舊模型進行有限元建模來處理機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)強度問題，防止由于受力不均勻，使篩體產(chǎn)生變形，影響使用壽命[8]。

根據(jù)安徽云龍糧機有限公司生產(chǎn)的環(huán)保型圓筒振動清糧機SCY2000機型為模版，對這款機器中的重要部件——圓筒篩進行建模優(yōu)化分析，以期達到更科學(xué)的結(jié)構(gòu)組合，延長圓筒部件的使用壽命[9]。

1 模型建立及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)安徽云龍糧機有限公司生產(chǎn)的實物--SCY2000圓筒振動清糧機，進行現(xiàn)場實物測量，考慮到實物的復(fù)雜性和計算過程的簡單化，對三維模型進行了相對程度的簡化；如圖1所示。

a現(xiàn)場實物圖 b三維建模圖

如圖2所示為圓筒篩。該圓筒篩主要由固定件、外篩網(wǎng)、通軸、內(nèi)篩網(wǎng)、電機等組成。外篩網(wǎng)與內(nèi)篩網(wǎng)之間焊接零件固定，并且篩網(wǎng)外圈固定鋼圈，防止篩網(wǎng)脫落。內(nèi)外篩網(wǎng)共用一個電機，電機安裝鏈接內(nèi)篩網(wǎng)圓心結(jié)構(gòu)鋼延伸處，通過聯(lián)軸器帶動圓筒篩轉(zhuǎn)動。因為小麥圓筒清糧機整機機型較大，圓篩筒長度較長，在安裝固定時受到多方面制約，如變形、不易固定等，因此各層篩網(wǎng)上焊接環(huán)狀件。同時圓筒篩各項參數(shù)技術(shù)要求如表1所示。

a圓筒篩實物圖 b結(jié)構(gòu)示意圖

表1 圓筒篩各項參數(shù)

1.2 工作原理

設(shè)備運轉(zhuǎn)時，電機轉(zhuǎn)動，帶動聯(lián)軸器傳動動力，使圓筒篩裝置開始轉(zhuǎn)動。將待清選小麥放入圓筒篩入口，圓筒篩會帶動小麥做反復(fù)回轉(zhuǎn)運動。當(dāng)小麥與篩網(wǎng)之間有相對運動時，小麥與小麥、秸稈等其他雜質(zhì)也產(chǎn)生了相對運動，它們之間碰撞接觸，不同物理性質(zhì)的雜質(zhì)將會自動分離最終透過篩網(wǎng)。為提高篩分除雜率，可設(shè)置多層篩網(wǎng)，達到精細化清選。內(nèi)篩網(wǎng)使用較大孔徑的篩孔，篩選較大雜質(zhì)；外篩網(wǎng)采用較小孔徑的篩孔，篩選小雜質(zhì)[10]。圓筒篩篩分示意圖如圖3所示。

圖3 圓筒篩篩分示意圖

2 圓筒篩的運動分析

機器運轉(zhuǎn)時，電機發(fā)動，帶動傳動軸使圓筒篩轉(zhuǎn)動；當(dāng)小麥進入圓筒時，圓筒傾斜一定角度旋轉(zhuǎn)，篩分時，小麥通過篩孔自行分離，落入外篩筒，體積大的莖桿和雜質(zhì)物料被運送出去；小麥在外篩筒篩面上做滑動或跳動的運動狀態(tài)，進一步精細化篩分。

(1)小麥隨圓筒篩上做圓周轉(zhuǎn)動時，會受到自身的重力、轉(zhuǎn)動過程中的向心力和圓筒中其他雜質(zhì)間的作用力。為使小麥一直貼著筒壁進行物料篩選，需保持一定的轉(zhuǎn)速，使小麥的重力克服離心力。

對圓筒中的小麥作為質(zhì)點進行受力分析，它處在如圖4所示角度時，受重力G和離心力Fc作用，小麥在圓筒篩上產(chǎn)生的摩擦力f；當(dāng)小麥沿圓筒切線方向的重力分力Gsinβ

圖4 小麥對筒壁作用力圖

f=f0(Gcosβ+Fc)

(1)

(2)

(3)

f=tanφ

(4)

式中：f0為小麥與圓筒篩的摩擦系數(shù)；m為小麥質(zhì)量；g為重力加速度；R為圓筒篩內(nèi)半徑；v為小麥運動線速度；n為圓筒篩轉(zhuǎn)速；φ為摩擦角。

由于是雙層篩筒，直徑不同，所以取較大的直徑，當(dāng)Gsinβ=f時，取最大轉(zhuǎn)速。

(5)

(2)圓筒篩在運轉(zhuǎn)過程中，受內(nèi)部物料的壓力，自身的重力。其向心力根據(jù)公式

(6)

得出內(nèi)外筒的力近似為：F內(nèi)=1300N；F外=4000N。

(3)電機通過中心通軸帶動圓筒篩轉(zhuǎn)動，其外力偶矩計算公式為：

(7)

式中：P為軸輸入功率，n為軸轉(zhuǎn)速。

得出軸的偶矩約為2500M·m。

3 有限元分析與改進

企業(yè)裝備在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，提高裝備使用安全系數(shù)的同時，進行輕量化設(shè)計，減少不必要的材料使用浪費；對圓筒篩進行了有限元分析。根據(jù)上文得知，整體結(jié)構(gòu)選用力Q235材料。其材料各項參數(shù)如表2所示，并將材料參數(shù)添加到模型中。

表2 材料性能參數(shù)

因為圓筒篩的體積較大，其篩孔數(shù)量過多且密集，這些篩孔在劃分網(wǎng)格的過程中會導(dǎo)致出現(xiàn)大量的網(wǎng)格數(shù)量，導(dǎo)入時會對計算機負荷量較大，不易分析。所以為了減輕計算量和加快分析速度，對這些篩孔進行一定數(shù)量的刪減，但并不會對篩筒的剛度和強度造成很大的影響[11]。本次分析選擇了四面體單元進行網(wǎng)格化分析，如圖5所示，共9616097個節(jié)點，5206455個單元。

a結(jié)構(gòu)圖 b網(wǎng)格化圖

由公式(6),(7)求得，內(nèi)外筒分別受1300N、4000N壓力，軸受2500N·m；將數(shù)據(jù)添加到Ansys Workbench中，對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)添加對應(yīng)的約束，分析求解后觀察整體結(jié)構(gòu)的變形量和最大應(yīng)力值，如圖6所示：

圖6 ANSYS分析圖

通過圖示中，可以觀察到，圓筒篩在運轉(zhuǎn)過程中，發(fā)生了16.565mm的較大形變，且形變大多發(fā)生在外筒的邊緣處；同時觀察到，整體結(jié)構(gòu)在工作過程中，受到了431.3MPa的應(yīng)力，取安全系數(shù)n=1.5，帶入相乘得646.65MPa，遠大于材料許用應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)有破壞的風(fēng)險。通過局部圖也能看到，這些較大的應(yīng)力都集中在外筒邊緣處。與此同時，中心軸受到很小的力，中心軸的結(jié)構(gòu)尺寸對整體結(jié)構(gòu)影響較小。

通過初步分析，可以發(fā)現(xiàn)外筒在運轉(zhuǎn)過程中，受到較大對力，且外筒的固定只有兩端的支架和內(nèi)筒連接。所以其應(yīng)力大多集中在此，且整體中心軸在分析觀察中，未承擔(dān)較大的力，但在整體機構(gòu)中占據(jù)質(zhì)量，不僅影響整體裝備總重，大大增加材料的損耗；同時，一根長通軸的使用，也會增加整體加工，裝配的難度[12]。

綜上所述，對整體結(jié)構(gòu)進行改進，去除了中間的長通軸，該用兩端的短軸；內(nèi)外筒中間增加支架支撐，分散應(yīng)力集中。改進后的結(jié)構(gòu)如圖7所示：

a改進后的結(jié)構(gòu)圖 b 網(wǎng)格化圖

同時對改進后對圓筒進行網(wǎng)格化分析，將對應(yīng)數(shù)據(jù)添加到Ansys Workbench中進行分析，添加同上文一樣的約束，約束后觀察如圖8所示：

圖8 ANSYS分析圖

通過圖示中，可以明顯觀察到，在改進結(jié)構(gòu)后，應(yīng)力得到了分散，圓筒篩僅發(fā)生了0.411mm的微小形變，受到了最大107.68MP的應(yīng)力，取安全系數(shù)n=1.5，帶入相乘得161.52MPa，小于材料許用應(yīng)力值。形變量和所受應(yīng)力與改進前大幅度減少，且符合企業(yè)輕量化標準，提高滾筒篩運轉(zhuǎn)安全系數(shù)的同時，減少了材料的損耗，節(jié)約成本。

4 結(jié) 語

對安徽云龍糧機有限公司生產(chǎn)的圓筒振動清糧機SCY2000機型進行SolidWorks三維建模，并對其中的關(guān)鍵零部件--圓筒篩分裝置進行仿真測試，驗證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，和運動過程可能存在的問題，以及對結(jié)構(gòu)輕量化的重新優(yōu)化設(shè)計；更改原有的兩端支撐，添加內(nèi)部短軸支撐，減小應(yīng)力集中，使受力均勻，通過模擬仿真驗證，優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)構(gòu)模型符合裝備運行，增加圓筒篩結(jié)構(gòu)的可靠性，延長其使用壽命；同時去除中心長軸，降低材料損耗，給企業(yè)生產(chǎn)節(jié)省了成本；生產(chǎn)出的實物如圖9所示，在實際試驗運轉(zhuǎn)工作過程中，沒有發(fā)現(xiàn)特殊情況，篩分清選狀況良好，滿足預(yù)期要求。

圖9 改進后的實物圖

目前安徽云龍糧機生產(chǎn)的環(huán)保型圓筒振動清糧機SCY2000機型廣受好評，本次設(shè)計是在原有的圓筒篩的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化改進，在保證機器正常運行的情況下，減少其應(yīng)力集中，使其機械結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，更易裝配焊接。本次的設(shè)計也有不足之處，為減少計算機模擬計算負荷量，建模過程中相對簡化模型，減少了篩孔量，但對整體運算結(jié)果影響不大。后續(xù)會對圓筒振動清糧機SCY2000機型在實際運行中不斷地優(yōu)化，精益求精。