大型環保設備關鍵部件設計分析

大型環保設備關鍵部件設計分析

田國富，張西棟，唐媛媛，宋江波

(沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽110870)

摘要：大型發酵機是一種環保設備。為了提高其運行的穩定性，對發酵機筒體、齒輪以及托輪裝置進行了計算分析。建立了筒體的三維實體模型，對筒體進行了有限元分析。利用對比分析的方法，研究了壁厚對筒體強度的影響規律。分別按照齒面接觸疲勞強度和齒根彎曲疲勞強度進行了齒輪傳動的設計計算，最終確定了安全緊湊的齒面接觸強度計算方案。對托輪軸軸承進行了壽命計算,保證了托輪裝置的安全性。對發酵機相關部件的分析計算為后續相關研究奠定了一定基礎。

關鍵詞：環保設備；有限元分析；齒面接觸強度；軸承

中圖分類號：TH164; TQ920.5文獻標識碼：A

收稿日期：2015-05-06；修訂日期：2015-06-21

基金項目：高等學校博士學科點專項科研基金(2013210212007)

作者簡介：田國富(1968-)，男，吉林長春人，副教授，博士學位，沈陽工業大學機械工程學院，研究領域：機械系統CAD/CAE技術、工程車輛設計與試驗、智能算法的應用。

Design and analysis of the key parts in the large-scale environmental protection equipment

TIAN Guo-fu，ZHANG Xi-dong，TANG Yuan-yuan，SONG Jiang-bo

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

Abstract：Large-scale fermentation machine is a kind of environmental protection equipment. In order to improve its stability, the cylinder, gear and roller device of the fermentation machine are calculated and analyzed. The three-dimensional cylinder model is built and analyzed by FEM. The effect of the wall thickness on the cylinder strength is studied by the means of comparative analysis. The design calculation of gear transmission system is obtained, according to the tooth surface contact fatigue strength and tooth root bending fatigue strength, respectively. Eventually, it determines the tooth surface contact strength calculation scheme, which is safe and compact. In order to guarantee the safety of the roller device, the bearing life of the roller axle is calculated. The analysis of the key parts in the fermentation machine provided a certain foundation for the follow-up related research.

Keywords：environmental protection equipment; finite element analysis; gear surface contact analysis; bearing

通信作者：張西棟(1989-)，男，山東濟南人，沈陽工業大學機械工程學院碩士研究生。

0前言

以廢棄物的減量化、無害化和資源化為目標而發展起來的大型環保設備[1]-好氧發酵機是在有控制的條件下，利用好氧微生物對物料中的易腐有機物進行生物降解，使之成為具有良好穩定性的腐殖質粒狀物。發酵機主要有以下幾種：淺盤發酵式、螺旋攪伴式、柱狀塔式和旋轉圓盤式等[2]。

隨著國家可持續發展戰略的實施，以富含有機質的城市廢棄物、污泥以及農業生產中的作物秸稈作為加工對象的好氧發酵機的研發生產在國內得到快速推進[3]。目前國內外正在研究開發的物料好氧發酵技術都是采用進料、攪拌、通氣、出料同時進行的高效發醉成套工藝裝置，核心是好氧發酵裝置[4]。某公司采用的是螺旋攪拌式好氧發酵機，主要由進料裝置、回轉筒體、滾筒齒圈、電機驅動裝置、托輪支承裝置等部分組成。在實際運轉過程中發酵裝置中的回轉筒承擔主要載荷，齒輪齒圈傳遞較大轉矩，滾輪支承裝置處的軸承是易損件[5]，所以對回轉筒的筒體強度進行有限元分析、對齒輪齒圈傳動進行設計計算、對支承裝置的軸承進行壽命校核是好氧發酵裝置設計的核心內容。

1發酵機回轉筒筒體壁厚的校核分析

1.1設備參數

該右旋好氧發酵機的回轉筒筒體重量為m1=70 000 kg，正常運轉過程中筒體內物料的重量為m2=200 000 kg，筒體最大轉速為4.8 r/h，筒體規格為φ3 m(外徑)×30 m(長度),筒體與物料總重270 t,筒體上安裝的齒圈的重量為m3=3 900 kg,每個托圈加墊板的總重量為m4=2 900 kg。

圖1是發酵機回轉筒實物圖，圖2是發酵機回轉筒三維模型圖，模型圖中用60°夾角的V形塊模擬筒體底部兩側的托輪支承裝置，筒壁開有孔洞，用于安裝曝氣頭。

圖1　發酵機回轉筒實物圖 Fig.1　The revolving cylinder of the fermentation machine

圖2　發酵機回轉筒三維模型圖 Fig.2　3D model of the fermentation machine revolving cylinder

1.2筒體的校核分析

1.2.1材料屬性描述

筒體材料是Q235，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 858 kg/m3，屈服強度是235 MPa，抗拉強度是375～500 MPa。托圈是鑄鋼ZG340-640，彈性模量E=1.75×1011Pa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 800 kg/m3，屈服強度是340 MPa，抗拉強度是640 MPa。

1.2.2約束與載荷描述

筒體底部有兩組支承裝置，每組支承裝置由兩組帶托圈的托輪軸組成，這兩組托輪軸與回轉筒的筒體軸線之間的夾角是60°，在三維模型中采用等寬度的單口V型塊替代托輪軸裝置，簡化建模過程。由于V型塊的作用，所以在V型塊與筒體接觸的V型面上添加Y方向的位移約束。筒體左側端面與頂部平臺上的送料絞龍連接，所以在左側端面上添加Y方向的位移約束。在筒體內表面上添加筒體與物料總的重力均布載荷G1，方向為Y的負方向。在安裝齒圈的筒體突臺外表面上添加齒圈自身重力載荷G2，方向為Y的負方向。在安裝托圈的筒體突臺外表面上添加托圈與墊板總的重力載荷G3，方向是Y的負方向。

1.2.3筒體的仿真分析

右旋好氧發酵機的筒體外徑是3 000 mm，壁厚20 mm。利用ANSYS Workbench分別對壁厚為14 mm、16 mm、18 mm、20 mm以及22 mm的筒體進行應力與應變分析，以便于總結分析不同壁厚對筒體強度的影響，進而確定最佳的筒體壁厚。

對筒體進行有限元網格劃分，其中筒體部分網格劃分的單元尺寸是150 mm，托圈與墊板網格劃分的單元尺寸是50 mm。筒體的網格劃分結果如圖3所示。

圖3　發酵機回轉筒有限元模型圖 Fig.3　Finite element model of the fermentation machine revolving cylinder

1.2.4仿真結果

將五種壁厚情況下，筒體受載后的最大應力以及最大應變數值整理統計，如表1所示。分析不同壁厚條件下的仿真結果，綜合考慮安全性與經濟性原則，選取筒體強度的安全系數S=1.5，壁厚14 mm情況下最大應力為221.5 MPa<[σ]=340 MPa，滿足強度條件。計算壁厚14 mm時的安全系數為

s= [σ]/ σ≈1.5

滿足安全系數條件，按照仿真的結果，推薦該型好氧發酵機回轉筒體壁厚采用14 mm。壁厚14 mm的筒體應變、應力云圖如圖4、圖5所示。

圖4　壁厚14 mm情況下筒體應力云圖 Fig.4　 Stress cloud of the 14mm thickness cylinder

圖5　壁厚14 mm情況下筒體應變云圖 Fig.5　Strain cloud of the 14mm thickness cylinder

2齒輪傳動的設計校核

回轉筒體采用DpSH13/DK97-Y11kw-2100-W1-A型的電動機(帶減速機)作為動力源，初選齒輪軸上的齒輪齒數Z1=21，大齒輪齒數Z2=175，齒數比u=8.3。筒體轉速是n2=4.8 r/h=0.08 r/min，齒輪軸的轉速是n1=n2×175/21=40 r/h=0.67 r/min，減速機的輸出轉速是0.67 r/min，輸入功率P1=11 kW，工作壽命是10年(設定每年工作300天)，兩班制，轉向不變。

2.1選定齒輪類型、材料、精度等級

發酵機是普通工作機器，運轉速度不高，選擇9級精度的直齒圓柱齒輪傳動。齒輪軸材料為45#鋼，熱處理后硬度：190-230HB，熱處理調質硬度：HB228-269，齒面表面硬度：HRC40-45。大齒輪材料為ZG310-570，屈服強度310 MPa，拉伸強度570 MPa，熱處理硬度為HB220-250。

2.2按齒面接觸強度計算數值

設計公式為

(1)

2.2.1 確定公式內的各計算數值

(1)試選載荷系數Kt=1.3，查表[6]選取齒寬系數φd=1.1，材料的彈性影響系數ZE=188.9 MPa1/2，計算齒輪軸傳遞的轉矩。查圖[6]按齒面硬度查得齒輪軸的接觸疲勞強度極限σHlim1=625 MPa；大齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim2=480 MPa。

T1=95.5×105P1/n1=1.568×109N·mm

(2)

(2)算應力循環次數：

N1=60n1jLh=1.930×106

(3)

(4)

查取取接觸疲勞壽命系數KHN1=0.88，KHN2=0.92，取失效概率1%，安全系數S=1，計算接觸疲勞許用應力：

(5)

(6)

2.2.2設計計算

(1)算小齒輪分度圓直徑d1t，代入[σH]中較小的值。進而推算圓周速度ν。

(2)模數mt=d1t/Z1=80 mm，齒高h=2.25×mt=180 mm，齒寬b=φdd1t=1.848×103mm，齒寬與齒高之比b/h=10.27。

(3)計算載荷系數。根據ν=5.894×10-3m/s，9級精度，查圖[5]得動載荷系數KV=1.01，直齒輪KHα=KFα=1，使用系數KA=1.25，利用插值法算得9級精度、小齒輪相對支承對稱布置時KHβ=1.345。由齒寬與齒高之比，查得KFβ=1.19，故載荷系數

K=KAKVKHαKHβ=1.25×1.01×1×1.345=1.698

4)根據實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，計算分度圓直徑與模數。

(7)

m=d1/Z1=87.45

2.3按齒根彎曲強度設計

彎曲疲勞強度的設計公式：

(8)

2.3.1確定公式內的各計算數值

(1)齒輪軸的彎曲疲勞強度極限σFE1=360 MPa，σFE2=400 MPa。取彎曲疲勞壽命系數KFN1=0.81，KFN2=0.87。取彎曲疲勞安全系數S=1.4，計算彎曲疲勞許用應力與載荷系數：

(9)

(10)

K=KAKVKFαKFβ=1.25×1.01×1×1.19=1.50

(2)查表得齒形系數YFa1=2.76，YFa2=2.13，應力校正系數YSa1=1.56，YSa2=1.8475。

YFa1YSa1/[σF]1=0.02067

YFa2YSa2/[σF]2=0.01583

齒輪軸的比較大。

2.3.2設計計算

對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數的大小主要取決與彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑(即模數與齒數的乘積)有關，可取由彎曲強度算得的模數58.52，并就近圓整為標準值m=58 mm，按照接觸強度算得的分度圓直徑是d1=1 836.43 mm，算出齒輪軸的齒數Z1=d1/m≈32，大齒輪齒數Z2=8.3×32=265.6，取Z2=265。這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸疲勞強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。分度圓直徑d1=Z1m=1 856 mm，d2=Z2m=15 370 mm。中心距a=(d1+d2)/2=8 613 mm，齒寬b=φdd1=2 041.6 mm，取B1=2 045 mm，B2=2 040 mm。

3托輪軸裝置的校核計算

托輪軸裝置中的軸承是易損件，需要對其壽命進行校核計算。該托輪軸軸承是雙面向心球面滾子軸承3634(GB286-64)，對應的新國標的軸承為調心滾子軸承22334(GB/T288-1994)，軸承的基本參數為：內徑d=170 mm，基本額定動載荷Cr=1 150 kN，基本額定靜載荷C0r=2 060 kN。軸承壽命的計算公式為

(11)

式中，C=1 150 kN(由于軸承轉動很慢，所以也可以用靜載荷進行計算)；ε= 10/3(滾子軸承)；P=Fr(只承受徑向載荷)。

3.1危險支撐點的計算確定

設定托輪的支撐力分別為N1′和N2′(排除托圈和墊板的重量)。距筒體兩端的距離分別為 8 000 mm和4 000 mm。中間距離為18 000 mm。筒體受力簡圖如圖6所示。

圖6　筒體受力分析簡圖 Fig.6　Stress analysis of the cylinder

將筒體(含物料等)的重力G1簡化到筒體的中間部位，則筒體的重量為G1=2.646×106N，大齒輪的重量為G2=3.822×104N 。托圈的質量為2 850 kg，墊板的質量約為50 kg，即托圈與墊板的總重量為：G3=m4g=(2850+50)×9.8N=28 420 N

A與B處的支撐力總和等于筒體與物料的總體重力，得方程(12)

N1′+N2′=2.646×106+3.822×104

(12)

對A點取矩，得方程(13)

G1×7000+G2×13 700=N2′×18 000

(13)

聯立方程式(12)與(13)，解得N2′=1 058 090 N，N1′=1 626 130 N 。

折算托圈與墊板的重量之后，A與B處的實際支撐力分別為：

N1=N1′+G3=1 654 550 N

N2=N2′+G3=1 086 510 N

由于N1> N2，即A支撐點是危險點，只需對A點處的軸承支承做校核即可。

3.2軸承所受徑向力Fr的計算確定

兩托輪軸對稱布置在轉筒的底面兩側，兩托輪軸與筒體軸線連線的夾角為60°，沿托輪軸徑向的力為F左=F右，則有

2F左sin60°=N1=1 432 882 N

即F左=F右=955 254.89 N，其中一側托輪軸上的兩個軸承平均分配承擔托輪的徑向力，F左或者F右，則軸承所受徑向力為

Fr=F左/2=477 627.44 N=p

托圈的半徑R1=1650，轉數為4 r/h。托輪的半徑R2=350,求托輪的轉數為n1=nR1/R2=18.86 r/h。托輪的轉數等于軸承的轉數，即n=18.86/60(r/min)=0.314 3 r/min。

3.3軸承壽命計算

將參數代入軸承的壽命計算公式(11)，計算得

經過校核計算，托輪軸裝置用的調心滾子軸承22334滿足整機的設計壽命要求。

4結論

本文對一種常用的大型環保設備-發酵機的關鍵部件進行了設計分析。對發酵機回轉筒體進行了三維建模，針對不同壁厚的筒體進行了有限元分析，利用對比分析的方法對壁厚與筒體最大應力和最大應變之間的規律進行了探討研究，出于安全性考慮，兼顧經濟性原則，推薦使用滿足強度條件的14 mm壁厚的回轉筒。對驅動筒體回轉的開式齒輪傳動進行了分析計算，確定了齒輪模數為58 mm，齒數Z1=32，Z2=265等基本參數。對于回轉筒運轉中承受大部分載荷的托輪軸軸承進行了壽命計算，驗算結果滿足回轉筒工作的設計壽命要求。通過對大型發酵機關鍵部件的設計分析，提高了相關部件的工作性能，為相關部件后續分析優化提供了一定的理論依據和基礎。

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