基于ANSYS Workbench 的螺旋脫水機結構優化

王東昌，張 燕

（棗莊科技職業學院 山東滕州 277569）

0 引言

目前，菜市場有機垃圾螺旋脫水機被普遍推廣應用，但在實際應用中存在著脫水螺旋體因磨損導致強度不足而出現斷裂的現象。脫水螺旋體是脫水機的關鍵核心部件，其主要結構為螺旋軸和螺旋葉片，強度要求高，而螺旋脫水機螺旋體結構設計的優劣則關系著整個脫水機的使用壽命及脫水效果。

螺旋體的強度優化，是在預定工況下找到合理的結構參數，保證螺旋體處于良好的工作狀態[1]。本文通過分析葉片厚度、螺旋直徑（螺距）對螺旋體靜強度的影響，進而選取較合理的結構參數、優化其強度，降低螺旋體的應力值和徑向位移。最后，在分析螺旋體結構靜力學的基礎上分析結構參數，研究相關參數對螺旋體強度的影響趨勢，對提升螺旋脫水機的使用壽命和脫水效果具有重要意義。

1 葉片厚度對螺旋體的強度影響

螺旋體結構設計是由螺旋軸及螺旋葉片的相關參數選取決定的。螺旋葉片是螺旋體實現壓縮脫水的主要部件，其厚度對實現脫水工藝不起作用，但厚度較小則會影響螺旋體強度和使用壽命。本文將從螺旋葉片最大Von Mises 應力方面，來分析其對螺旋體靜強度的影響。

本文研究的螺旋壓縮脫水機葉片設計厚度10 mm，出于選擇最優角度，從計算葉片厚度減小和增大兩個方向對螺旋體最大Von Mises 應力的影響，計算葉片厚度從8 mm 到12 mm五種尺寸參數的變化。計算結果經Matlab 進行曲線擬合后，Von Mises 最大應力值隨葉片厚度的變化關系如圖1 所示。

圖1 Von Mises 最大應力值隨葉片厚度的變化曲線

可以看出，最大Von Mises 應力隨著葉片厚度的增加而減小：在葉片厚度為8～9 mm（降25.2 MPa）和11～12 mm（降34.27 MPa）時，最大Von Mises 應力隨葉片厚度的增加減小趨勢較“緩”；而在厚度為9～10 mm（降68.51 MPa）和10～11 mm（降61.7 MPa）時，最大Von Mises 應力隨葉片厚度的增加減小趨勢較“急”。可見，葉片厚度增加對降低螺旋體的最大Von Mises 應力值是有影響的。

考慮到螺桿工作所處的環境腐蝕性較強，所處理的物料混有沙粒等硬質顆粒雜質、磨琢性也比較強，如果葉片厚度較薄，葉片外緣會較早地出現缺損，從而影響螺旋體脫水的效果。從這個角度考慮，葉片厚度應取較大值。因為增大葉片厚度有利于提高螺旋體強度，從而保證螺旋體的使用壽命。

2 螺旋軸直徑對螺旋體強度的影響

螺旋直徑和螺距是螺旋體結構設計中十分重要的一對參數，它們的大小影響著螺旋脫水機的生產效率和強度。但由于螺距的設計是由處理物料及進料口物料的顆粒大小決定，所以更側重研究螺旋軸的直徑對螺旋體結構強度的影響。在產生軸向力相同的情況下，最后一節螺距的大小可以根據實際情況進行調整。這里仍取螺旋體的最后一節螺距為240 mm。螺旋軸直徑分別為80 mm、90 mm、100 mm、110 mm、120 mm 時，對螺旋體結構靜強度的影響。

2.1 螺旋直徑和螺距對螺桿最大Von Mises 應力的影響

螺旋直徑對螺旋體靜強度的影響主要從最大Von Mises 應力和徑向位移UX、UY及總體位移兩類方面分析。

圖2 為最大Von Mises 應力值（SMX）隨螺旋直徑的變化曲線。從圖2 可以看出，當螺旋軸直徑小于90 mm 時，最大Von Mises 在高位，但變化較“緩”；當螺旋軸直徑大于90 mm 時，最大Von Mises 迅速減小且變化較“急”。

圖2 最大Von Mises 應力值隨螺旋直徑的變化曲線

2.2 螺旋直徑對螺旋體徑向位移UX、UY 和總位移的影響

圖3 為最大徑向位移UX、UY及Total Displacement 隨螺旋直徑的變化曲線，可以看出最大徑向位移UX、UY及總體位移都隨螺旋軸直徑的增加而減小。

圖3 最大位移UX、UY 及總位移隨螺旋直徑的變化曲線

不過，當螺旋葉片厚度小于90 mm 時變形量變化較“急”，大于90 mm 時變形量變化較“緩”（X 向擬合曲線）；當螺旋軸直徑小于90 mm 時變形量變化較“急”，在90～100 mm 時變形量變化較“緩”，在100～110 mm 之間有一個急劇的變化（變形量僅減小0.578 07 mm），螺旋軸直徑大于110 mm 后位移變化微小（Y 向擬合曲線）；總體位移量隨螺旋軸直徑的增大而減小，并無明顯的“越變”（總位移曲線）。因此，螺旋直徑對螺旋體強度影響較大，螺旋軸直徑增加可以降低螺旋體的應力值、徑向UX和UY的位移及整體變形位移，有利于提高螺旋體的靜力學強度。

3 螺旋體結構參數的優化選取

由上述分析可知，葉片厚度的增加有利于螺旋體強度的提高，可以滿足使用強度的要求，且影響較小，增大葉片厚度對螺桿還是十分有益的；增加螺旋直徑對螺旋體的強度有利，為了提高螺旋體的強度，可以是適當增加螺旋軸的直徑，但增加直徑也會使整體設備重量增加很多。綜合考慮葉片厚度和螺旋軸的直徑因素的同時，還要考慮所處理物料的性質。

經本設計優化、比較后，最終確定的螺旋體的結構參數為葉片厚度10 mm、螺旋直徑110 mm。重新建立有限元模型、施加載荷[2]，得到的應力值和徑向位移值（圖4～圖5）。

圖4 優化后的Von Mises 應力強度分布圖

圖5 優化后的徑向位移分布圖

可見，最大Von Mises 應力值由原來的268.94 MPa 下降為132.59 MPa，徑向位移UY由原來的1.182 90 mm 降為0.659 43 mm。對比原來數據，可知優化后螺旋體的強度顯著改善，其整體性能參數見表1。

表1 脫水機性能參數

4 結論

本文針對菜市場有機垃圾螺旋脫水機螺旋體結構優化進行研究。通過ANSYS Workbench 對脫水機螺旋體的三維有限元模型進行靜力學強度分析的基礎上[3]，對螺桿直徑，葉片厚度等金屬結構的設計進行優化，以提高強度，提高設備可靠性、降低成本并延長使用壽命，最終完成菜場有機垃圾螺旋脫水機螺旋體的結構優化。通過試驗及模擬分析得出：

（1）在ANSYS Workbench 中對金屬結構的有限元模型進行有限元分析[4]，可以幫助設計人員檢測設計的合理性，并合理避免應力集中和局部過載情況的發生，提高設備可靠性。

（2）分析螺旋體的幾何結構參數對其靜力學強度的影響，并在此基礎上調整結構參數，對該脫水機螺旋體進行結構優化，模擬結果表明，改進后的螺旋體的靜力學強度得到較大的提高[5]。