紫菜濾雜裝備中吸濾裝置的強度分析*

毛彬彬 ，陳勁松 ，韓服善 ，宋應杰

（江蘇海洋大學創新創業學院，江蘇 連云港 222005）

0 引言

鮮紫菜的除雜環節對紫菜成品的品質至關重要[1-3]，而除雜效果又取決于紫菜濾雜裝備中的關鍵部件，即吸濾裝置，其主要由組合式濾筒和剔盤組組成，濾筒的濾縫可根據不同物料、不同工藝階段進行隨意調節和設置，剔盤組用于動態剔除堵塞在濾縫內的雜物，保持濾縫始終暢通無阻。濾筒在工作中同時承受剔盤組的離心力、濾筒的離心力、混流泵吸濾時產生的離心力和軸向推力等，而剔盤組同樣會受到各種離心力以及吸濾時產生的混合物的壓力，受力情況非常復雜，強度和剛度很難用解析法完全計算。濾筒和剔盤組在各種力的耦合作用下，極易產生變形，導致濾筒濾縫增大，甚至使得插入濾筒的剔盤和濾筒發生劇烈摩擦。因此，應合理設計吸濾裝置的結構，提高其強度和剛度，這對于整個紫菜濾雜裝備的使用穩定性和可靠性至關重要。

課題組建立了紫菜吸濾裝置的樣機模型，對濾筒和剔盤組進行有限元分析，模擬其在各種載荷作用下的應力變化和結構變形等，驗證吸濾裝置結構尺寸設計的合理性，為后續樣機試制提供了理論依據。

1 吸濾裝置幾何模型

利用SolidWorks建立三維模型，為了降低有限元模型的復雜程度，在保證精度的前提下盡可能減少計算量，對模型結構進行了適當簡化[4-5]，將原本由若干濾盤組裝而成的濾筒和由若干剔盤組裝而成的剔盤組作為整體進行分析，簡化后的模型如圖1所示，主要由濾筒和剔盤組組成。吸濾裝置中的濾筒和剔盤組主要參數如表1所示。

圖1 吸濾裝置幾何模型

表1 吸濾裝置主要部件參數

工作原理：主軸電機通過齒輪傳動驅動濾筒和剔盤組轉動，經混流泵的負壓抽吸，紫菜與水的混合物通過濾筒上的濾縫進入濾筒，而體積較大的雜物則被阻隔在濾筒之外，濾雜后的紫菜和水經過出料口被抽出吸濾裝置，為了防止雜物吸附或堵塞在濾縫上，通過剔盤組連續轉動將其剔除掉。

2 吸濾裝置有限元仿真

在吸濾裝置工作時，濾筒主要受到自身轉動產生的離心力、剔盤組轉動產生的離心力、泵抽吸時作用在液體上的離心力和軸向推力[6-7]，剔盤組主要受到自身轉動產生的離心力和濾筒轉動產生的離心力，所以需要分析濾筒和剔盤組在各種力的耦合作用下，其變形和應力情況是否滿足設計要求。

2.1 零部件材料物理特性

吸濾裝置是紫菜濾雜裝備的關鍵部件，要求其具備較強的耐腐蝕性、較高的強度和剛度，因此選取304不銹鋼作為研制材料，材料物理特性如表2所示。

表2 材料物理特性

2.2 吸濾裝置網格劃分

采用ANSYS軟件進行網格劃分，通過精細的網格單元尺寸控制方式，對紫菜吸濾裝置進行六面體網格劃分[8-10]，本裝置總共有48 483個單元，275 568個節點，網格劃分后的模型如圖2所示，網格質量如圖3所示。從圖中可以看出，網格整體質量在0.85到1之間，說明網格質量達標，符合要求[11-12]。

圖2 網格劃分結果

圖3 網格質量

2.3 強度評價指標

吸濾裝置的材料為304不銹鋼，屬于塑性材料，通常以屈服的形式失效，在強度分析時一般采用第三或第四強度理論。實際工作時，材料往往受三向應力的作用，而且實驗表明第四強度理論最符合這類材料的實際情況，因而在強度評價中通常采用第四強度理論導出的等效應力（即ANSYS后處理器中的Von Mises Stress）來評價[13-14]。

2.4 仿真結果分析

2.4.1 位移結果分析

在吸濾裝置上添加固定約束以及載荷作用后[15]，通過軟件求解，得到裝置各構件變形和應力結果，變形云圖如圖4所示。其中，濾筒的最大位移為0.129 mm，位于濾筒的筒體上；剔盤組的最大位移為0.124 mm，位于插入濾縫的剔盤外緣處，兩者的變形都比較小，說明紫菜吸濾裝置在工作過程中的整體剛度和穩定性滿足設計要求。

圖4 吸濾裝置變形云圖

2.4.2 應力分析結果

紫菜吸濾裝置各構件應力云圖如圖5所示，其中，濾筒的最大應力為102.54 MPa，剔盤組的最大應力為89.46 MPa，說明裝置在工作過程中，各構件所受最大應力遠小于材料的許用應力，吸濾裝置結構強度滿足設計要求。

圖5 吸濾裝置應力云圖

2.5 位移矢量分布曲線圖

剔盤組和濾筒在工作過程中的位移矢量云圖如圖6所示，從圖中可以看出，在各種力的耦合作用下，濾筒內部筋板和出料端的位移矢量最大，其次是插入濾筒濾縫中的剔盤，符合實際情況需求[16]。

圖6 位移矢量云圖

3 結論

本文設計了濾雜裝備中的核心部件吸濾裝置，并用SolidWorks軟件對其進行三維建模，在考慮吸濾裝置工作時所受各種外力作用的條件下，用ANSYS軟件對吸濾裝置各組成構件進行變形和強度分析。分析結果表明：所設計結構的最大應力遠小于材料的屈服強度，最大變形量很小，所以該設計滿足強度、變形要求，驗證了設計方案的合理性。