楊 浩， 黃 濤， 吳 亮， 徐彥瑞， 萬芳新， 黃曉鵬*

(1.甘肅農業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農業(yè)機械化技術推廣總站，甘肅 蘭州 730046)

籽瓜皮含有大量的多糖、氨基酸、纖維素，營養(yǎng)價值十分豐富，具備開發(fā)成膳食纖維或者禽畜類青飼料等產品的潛力[1，2]。目前籽瓜加工的主要目的為收取瓜子和利用瓜瓤制作籽瓜水、籽瓜汁等，導致占籽瓜比重25%左右的籽瓜皮未被合理利用。如果對籽瓜皮進行綜合開發(fā)利用，一方面可降低廢棄瓜皮對環(huán)境的污染，另一方面也可大大提升籽瓜的經濟效益。

在籽瓜皮綜合開發(fā)利用過程中，瓜皮的粉碎至關重要。目前，國內外針對瓜皮類物料的粉碎機研究較少。近年來，國內錘片式粉碎機的發(fā)展取得了很多新的成果，例如水滴型粉碎室技術、振篩粉碎技術、雙軸粉碎機技術等[3-5]。國外由于地域差異，粉碎機的發(fā)展方向也各不相同。以歐美發(fā)展來看，美國多以增大篩網的篩理面積來提高粉碎效率，而歐洲多以安置齒板和增大沖擊齒板面積來提高粉碎效率[5]。本文以設計籽瓜全加工利用生產線用瓜皮粉碎機為研究目標，對其關鍵部件進行有限元分析，以期為整機結構優(yōu)化提供理論依據。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

本文設計的籽瓜瓜皮粉碎機整機結構如圖1所示，主要包括電機、喂料口、粉碎室、出料口和機座等，其中粉碎室由箱體、錘片、篩板、錘片架組成。該機采用錘片式轉子機構作為粉碎裝置，選擇切向喂料方式，粉碎機篩片包角設為180°，錘片采用交錯排列的方式。

圖1 整機結構圖

1.2 工作原理

籽瓜瓜皮經由進料口喂入到由錘片、轉子、篩片構成的粉碎空間內。瓜皮在高速旋轉的錘片沖擊作用下被反復捶打、磋磨，并與箱體、篩網產生劇烈碰撞，從而逐步粉碎，直到粒度滿足所需要求后從下部篩孔落入收集裝置。

1.3 技術參數

本文設計的籽瓜瓜皮粉碎機主要技術參數如表1所示。

表1 籽瓜皮粉碎機的主要技術參數

2 關鍵部件有限元分析和拓撲優(yōu)化

2.1 錘片靜力學分析

在籽瓜瓜皮粉碎機中，錘片是最主要的工作部件，物料破碎所需要的力主要由其提供。工作時，錘片在箱體內部做高速回轉運動，其表面所受的撞擊力是不均勻的，導致工作表面每個點的磨損都不一樣。通過靜力學仿真可確定錘片在工作過程中應力集中較大的部位[6]。因此，有必要對錘片進行靜力學分析，分析錘片在工作狀態(tài)下應力和應變的規(guī)律，驗證錘片材料的剛度和疲勞強度是否滿足設計。

利用Solidworks軟件建立錘片的結構模型，錘片材料選用40 Cr食品級不銹鋼。在ANSYS軟件中通過Engineering Date菜單界面自定義材料，設定材料的各項物理屬性，其中40 Cr材料的各項物理屬性如表2所示[5]。

表2 40 Cr材料的物理屬性

網格劃分采用自動劃分法，根據模型形狀自動劃分為四面體網格和六面體網格，所選取網格的邊長為3 mm，再進行網格質量檢驗，保證無畸形網格，劃分后的網格單元為2 457個，節(jié)點數為11 273個。連接銷軸的錘片孔施加固定約束，根據對粉碎過程錘片的受力分析，在錘片的一側面施加集中力，其方向沿轉子的切線方向[4]。有限元模型及分析結果如圖2所示。

圖2 錘片靜力學計算結果

由圖2可以看出，錘片的最大應力出現(xiàn)在錘片刃口部分，為133 MPa，小于材料得許用應力，總變形量為0.049 mm，安全系數10，可以滿足實際工作需求[7]。由計算結果可知錘片的應變與受力較為集中，絕大部分面積所受載荷和變形較小，所以其還存在拓撲優(yōu)化空間。

2.2 錘片的拓撲優(yōu)化

在保證錘片的強度和剛度滿足工況的條件下，利用ANSYS拓撲優(yōu)化模塊對錘片結構進行優(yōu)化，以達到節(jié)約材料、提高粉碎機性能的目的。材料添加、網格劃分、添加約束載荷等步驟參數與錘片靜力學分析步驟相似，對其分別進行去除材料15%、30%、45%和60%的優(yōu)化計算，得到計算結果如圖3所示。

圖3 錘片拓撲優(yōu)化結果

從粉碎機錘片的拓撲優(yōu)化的云圖可以發(fā)現(xiàn)，錘片的中心部位為受力最小區(qū)域，因此優(yōu)化可從減少錘片中心部分材料的方向考慮。以錘片的拓撲優(yōu)化云圖為參考，綜合考慮錘片的強度、剛度、可靠性和材料成本等因素，確定錘片材料減少30%為較佳的優(yōu)化方案，此方案一方面可減少材料成本，另一方面也可減少機器自重，提高整機安全性和可靠性[8]。

2.3 轉子主軸的模態(tài)分析

轉子結構主要由錘片架板和轉子主軸所組成，錘片架板是支撐錘片運動的主要部件，主軸一方面負責破碎機的動力傳遞，另一方面起間接支撐錘片的作用。通過對粉碎機的轉子進行有限元模態(tài)分析，獲取其固有頻率和振型，避免轉子在破碎機工作時所產生的共振，以確保機構的穩(wěn)定性[9]。轉子前六階固有頻率如表3。

表3 轉子結構前六階固有頻率

當轉子結構引起軸系共振時的轉速稱為臨界轉速。當轉子結構在臨界轉速工作時，會引起轉子系統(tǒng)的劇烈振動，甚至造成轉子系統(tǒng)的破壞[5]。將籽瓜瓜皮粉碎機轉子的前六階固有頻率轉化為臨界轉速，結果如表4。

表4 轉子的臨界轉速

圖4 轉子模態(tài)變形圖

為了保證籽瓜皮粉碎機的安全運行和正常工作，應使轉子的工作轉速n離開其各階臨界轉速一定范圍。當工作轉速在臨界轉速以下時，臨界轉速應高于工作轉速25%～30%。由于本文所研究的錘片式粉碎機工作轉速1 400 r/min 左右，遠低于危險工作轉速12 375.9 r/min，所以轉子的轉速和結構設計是合理的[10，11]。

2.4 錘片架板靜力學分析

轉子主軸除了動力傳輸的作用外，其上安裝的錘片架板還需在粉碎過程中支撐錘片做高速回轉運動。物料與錘片的碰撞會給架板帶來較大的沖擊力，可能導致架板的結構形狀發(fā)生變化，進而影響錘片工作狀態(tài)的受力，加大錘片磨損，因此對其有必要進行靜力學分析[11]。粉碎過程中錘片架板的載荷集中在銷孔處，每個錘片架板有6個銷孔，中間3個架板6個銷控受力，兩側2個架板3個銷控受力。對錘片架板進行靜力學分析，錘片架板材料與錘片相同，計算結果如圖5所示。

圖5 錘片架板靜力學計算結果

由后處理計算結果可知，錘片架板工作過程中所受的最大應力為75.18 MPa，小于材料的許用應力，總變形量4.63 μm，符合工況要求。不難發(fā)現(xiàn)錘片架板變形部位主要集中在銷孔位置，而其余位置變形較小，因此其具有拓撲優(yōu)化的空間，以達到減少成本，提升粉碎機性能的目的[12，13]。

2.5 錘片架板的拓撲優(yōu)化

在錘片架板的剛度、強度等滿足粉碎工況的前提下，對其進行拓撲優(yōu)化。對錘片架板應變較小部位的材料適當刪減，以達到節(jié)約材料、提升性能的目的。利用ANSYS添加結構優(yōu)化模塊進行優(yōu)化，載荷約束與靜力學分析相同。添加求解模塊，設定去除材料分別為15%、30%、45%和60%，求解結果如圖6所示

圖6 錘片架板拓撲優(yōu)化結果

從粉碎機錘片架板的拓撲優(yōu)化云圖中發(fā)現(xiàn)，由于兩側錘片架板只有三個銷孔受力，因此紅色部分建議去除的材料也較多，而中間三塊錘片架板由于受力相同且受力較大，因而灰色部分建議保留材料較多[8]。從錘片架板優(yōu)化結果云圖可知，優(yōu)化思路可從減少兩側錘片架板不受力銷孔處的材料為方向，綜合考慮錘片架板材料成本、錘片優(yōu)化后的安裝、實際工況等要求，并且參考錘片架板優(yōu)化結果云圖，確定優(yōu)化去除材料為35%為較佳優(yōu)化方案，一方面可減少材料成本，另一方面也可減少粉碎機自重，提高機器穩(wěn)定性[14]。

3 結論

瓜皮粉碎是籽瓜全利用加工生產線的一個關鍵環(huán)節(jié)，本文針對設計的籽瓜瓜皮粉碎機，對其關鍵部件錘片和轉子主軸進行了有限元分析，主要結論如下：

(1)錘片的最大應力為133 MPa，小于材料的許用應力，最大總變形量為4.93 μm，安全系數為10，符合設計要求。錘片的中心部位為受力最小區(qū)域，利用拓撲優(yōu)化模塊對錘片進行優(yōu)化，確定最優(yōu)結果為去除35%的中心部位材料。

(2)對轉子主軸進行了模態(tài)分析和靜力學分析，通過模態(tài)分析的結果表明錘片式粉碎機工作轉速1 400 r/min遠遠低于危險轉速12 375.9 r/min，符合設計要求。

(3)錘片架板的最大應力為75.18 MPa，小于材料的許用應力，總變形量4.63 μm，符合設計要求。錘片架板變形部位主要集中在銷孔位置，利用拓撲優(yōu)化模塊對錘片架板結構進行優(yōu)化，確定最優(yōu)結果為去除35%的邊緣部位材料。