一種臥式筒體糞污發(fā)酵裝置的筒體設(shè)計(jì)與分析

王錦超，孫濤，秦錄芳

（徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

畜禽糞污是與工業(yè)污水和生活廢水并列的三大污染源之一，畜禽糞污資源化利用將有效改善人類生活環(huán)境[1]。好氧堆肥發(fā)酵是糞污發(fā)酵最常用的一種發(fā)酵方式，世界各國都在逐步使好氧堆肥技術(shù)向機(jī)械化，高效化發(fā)展[2]。糞污發(fā)酵裝置就很好的使好氧堆肥技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。臥式筒體糞污發(fā)酵裝置是糞污發(fā)酵裝置中應(yīng)用很廣泛的一種裝置。糞污在臥式筒體發(fā)酵裝置的零部件筒體內(nèi)部進(jìn)行發(fā)酵。要使糞污快速且充分的發(fā)酵就要使其與空氣充分接觸。筒體不斷旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)內(nèi)部的糞污不斷翻滾與空氣充分接觸進(jìn)而使糞污得到快速且充分的發(fā)酵。因此筒體是使糞污快速充分發(fā)酵的關(guān)鍵零部件。如果筒體設(shè)計(jì)的不合理的話會(huì)導(dǎo)致筒體在其內(nèi)部糞污所產(chǎn)生壓力的作用下發(fā)生變形，影響發(fā)酵效果和效率。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種在糞污所產(chǎn)生壓力的作用下變形量小，具有很高的工作可靠性，運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)的筒體。并通過Solidworks2016軟件的Simulation模塊對(duì)筒體在其內(nèi)部裝有靜止糞污的狀態(tài)下進(jìn)行靜力分析，分析筒體在該狀態(tài)下的應(yīng)力及變形位移情況，以驗(yàn)證臥式筒體糞污發(fā)酵裝置中筒體的可靠性。

1 總體設(shè)計(jì)

對(duì)于臥式筒體發(fā)酵裝置中的零部件筒體，需要滿足：一是筒體的剛度，筒體應(yīng)具有足夠的剛度以保證在其內(nèi)部糞污所產(chǎn)生的壓力作用下發(fā)生的變形位移小。二是筒體旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，保證筒體的旋轉(zhuǎn)過程是連續(xù)平穩(wěn)的。

目前，畜禽糞污一體化發(fā)酵裝置能夠快速高效處理畜禽糞污[3]。目前的糞污一體化發(fā)酵裝置有立式筒體發(fā)酵裝置、臥式筒體發(fā)酵裝置等。而立式筒體發(fā)酵裝置需要借助其他的攪拌裝置使糞污與空氣混合進(jìn)行發(fā)酵，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。而臥式筒體發(fā)酵裝置則是利用筒體的旋轉(zhuǎn)使糞污與空氣混合進(jìn)行發(fā)酵，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠。通過對(duì)筒體參數(shù)的設(shè)計(jì)可極大的提高筒體的使用性能和發(fā)酵效率，提升發(fā)酵效果。

1.1 筒體設(shè)計(jì)尺寸

本文所設(shè)計(jì)筒體的尺寸參數(shù)為內(nèi)徑r=902.5mm，外徑R=914.5mm，軸向長度L=2100mm。

1.2 筒體材料的選擇

筒體因要承載糞污對(duì)其產(chǎn)生的壓力并盡量發(fā)生很小的變形，故所選的材料應(yīng)具有高剛度，高強(qiáng)度等特點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的筒體采用的材料為40Cr。通過Solidworks2016軟件中的編輯材料界面找到材料40Cr，并應(yīng)用材料40Cr如圖1。

圖1 材料的選擇應(yīng)用

1.3 筒體的受力分析

筒體主要承載的力主要來自其內(nèi)部糞污對(duì)其產(chǎn)生的壓力。本文設(shè)計(jì)的筒體所針對(duì)的發(fā)酵對(duì)象是畜禽糞污。因?yàn)樾笄菁S污中含有大量的水分，含水率在55%～65%之間[4]。在計(jì)算糞污對(duì)筒體產(chǎn)生的壓力時(shí)，我們采用將糞污的密度視為水的密度的方法進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)查，水的密度為1000kg/。重力加速度取g=9.8m/S2。糞污的體積占筒體內(nèi)部空間的一半，及糞污液面的高度正好處于筒體直徑處。由液體的壓力作用效果可知筒體內(nèi)部空間底部承受的壓力最大。因此，本文所設(shè)計(jì)的筒體其底部所要承受的壓力為：

根據(jù)（1）式計(jì)算可得筒體底部承受的壓力為8844.5pa。

1.4 筒體的強(qiáng)度校核

2 基于Solidworks2016的零部件設(shè)計(jì)分析

本文所設(shè)計(jì)的筒體是糞污發(fā)酵的場所，對(duì)糞污發(fā)酵的效果起著很大的影響，其性能決定著臥式筒體發(fā)酵裝置的發(fā)酵性能。筒狀結(jié)構(gòu)的零部件有時(shí)會(huì)出現(xiàn)變形彎曲的現(xiàn)象，該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致筒體無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)而影響發(fā)酵裝置的發(fā)酵性能。所以利用有限元分析對(duì)筒體進(jìn)行受力分析是很有必要的。能夠在理論上得到筒體的應(yīng)力和變形位移值，為筒體的使用可靠性研究提供了理論依據(jù)。本文采用Solidworks2016軟件的Simulation模塊對(duì)筒體進(jìn)行應(yīng)力和變形位移的分析。

2.1 筒體的有限元模型

筒體的材料為40Cr，該材料的密度為ρ=7.87×103kg/m3，彈性模量E=2.11Gpa，泊松比V=0.277。根據(jù)筒體的尺寸參數(shù)并結(jié)合工作情況在建模時(shí)設(shè)置了坐標(biāo)系1并使用分割線將筒體分為上下兩部分，確定筒體的實(shí)體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 筒體的實(shí)體模型

圖3 筒體固定的定義

2.2 定義筒體自由度并施加非均勻載荷

利用夾具功能中的固定幾何體選項(xiàng)對(duì)筒體外壁施加固定約束，此時(shí)筒體的自由度為零。約束情況如圖3所示。經(jīng)上述分析知，本文將筒體受到的壓力視為水對(duì)筒體產(chǎn)生的壓力。在施加外部載荷功能的選項(xiàng)里選擇壓力選項(xiàng)，并勾選非均勻分布，選擇下半面為受力面，選擇建模時(shí)創(chuàng)建的坐標(biāo)系1為參考坐標(biāo)，點(diǎn)擊編輯方程式，輸入算式9800*“y”，測量尺的單位選擇“m”。外部載荷添加情況如圖4，圖5所示。

圖4 受力面的選擇

圖5 使用非均勻分布

2.3 筒體的網(wǎng)格劃分

對(duì)模型網(wǎng)格劃分的好壞直接影響著最終計(jì)算與分析的結(jié)果的精度，是有限元分析的關(guān)鍵[5]。因此為了得到更高的分析精度，對(duì)筒體進(jìn)行了較密集的網(wǎng)格劃分。采用基于曲率的網(wǎng)格，網(wǎng)格的最大尺寸約為9.8mm，如圖6所示。最終的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。

圖6 網(wǎng)格劃分的設(shè)置

圖7 筒體的網(wǎng)格劃分

2.4 對(duì)筒體靜力學(xué)分析的結(jié)果

通過使用Solidworks2016軟件的Simulation模塊對(duì)筒體內(nèi)部在裝有靜止糞污的狀態(tài)下進(jìn)行靜力分析，得到筒體的應(yīng)力圖如圖8所示，位移圖如圖9所示。由應(yīng)力圖可知筒體底部軸向兩端邊緣處存在最大應(yīng)力為12190pa，筒體底部非兩端邊緣處的應(yīng)力約為8800pa與（1）式計(jì)算得到的8844.5pa相差不大，且均遠(yuǎn)小于屈服應(yīng)力7.85×108pa。由變形位移圖可知最大位移發(fā)生在筒體底部軸向兩端邊緣處，最大位移為5.985×10-7mm，筒體底部非兩端邊緣處位移約為4.5×10-7mm。

圖8 筒體應(yīng)力圖解

圖9 筒體變形位移圖解

3 結(jié)語

本文通過對(duì)筒體進(jìn)行受力計(jì)算并應(yīng)用有限元對(duì)其進(jìn)行分析，得出結(jié)果，結(jié)果表明筒體底部軸向兩端邊緣處存在最大應(yīng)力為12190pa，筒體底部非兩端邊緣處的應(yīng)力約為8800pa和（1）式計(jì)算得到的8844.5pa相差不大，且均小于許用應(yīng)力|σ|≥490.625Mpa。最大位移為5.985×10-7mm，變形量極小不會(huì)影響筒體的使用性能。顯然筒體各處的應(yīng)力值均在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，變形位移極小可以忽略不記，即證明筒體的性能足以保證臥式筒體糞污發(fā)酵裝置的使用性能。