基于ANSYS Workbench的复合式发酵塔装置重要零部件有限元分析

石义栋 冯天玉 陆伟安

摘要：以复合式发酵（好氧厌氧结合）塔装置为研究对象，通过Solidworks建立复合式发酵塔三维实体模型，并对复合式发酵塔进行了简化。利用ANSYS Workbench有限元分析软件识别结合面特征，建立复合式发酵塔装置重要零部件的有限元模型。通过理论计算与有限元分析的结合，分析得出螺旋杆轴受力较小，叶片受力大，叶片两端受力最大，隔板右上端面厚度太小以至于承受不住物料的压力。

关键词：复合式发酵塔装置重要零部件;受力分析;有限元分析;强度;ANSYS Workbench

中图分类号：S232;TH16         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）10-0150-04

Abstract： Taking the composite fermentation （aerobic anaerobic combined） tower device as the research object， the solid three-dimensional solid model of the composite fermentation tower was established by Solidworks， and the composite fermentation tower was simplified. The ANSYS Workbench finite element analysis software was used to identify the characteristics of the joint surface， and the finite element model of the important parts of the composite fermentation tower was established. Through the combination of theoretical calculation and finite element analysis， it is found that the screw shaft has less force， the blade is subjected to large force， and the force at both ends of the blade is the largest. The thickness of the upper right end of the diaphragm is too small to withstand the pressure of the material.

Key words： compound fermentation tower equipment important parts; force analysis; finite element analysis; strength; ANSYS Workbench

随着畜禽养殖业的迅速发展，畜牧养殖规模化、集约化和产业化的提高，中国接连几年在禽肉、猪肉、蛋类产量均位列世界第一，但带来的环境问题也相对不断增加，越来越多的畜禽排泄物未能得到及时处理，占用了大量土地，导致中国城郊、农村、城镇环境污染问题日趋严重，已逐渐发展成不可忽视的环境和生态保护问题。据《经济日报》报道，中国畜禽养殖每年产生38亿t畜禽粪便，有效处理率不足50%;湖北省每年各类农作物秸秆理论资源量3 680万t，可收集的资源量3 300万t，但每年仍然有大量秸秆被焚烧或丢弃，得不到利用[1]。目前，国内普遍采用床式发酵（在畜禽居住区放入垫料，加入菌种搅拌均匀）或堆肥发酵（用各种植物残体、作物秸秆、杂草、树叶、泥炭、垃圾以及其他废弃物等）为主要原料，混合人畜粪尿经堆制腐解），该类技术虽能实现畜禽粪便转化有机肥，但均存在较大的问题：场地占用土地面积大，无组织排放，危害周边养殖人员、畜禽以及居住人员，污染水资源和大气环境，发酵周期长。

针对上述问题，研发一种复合式发酵装置，在塔内分层管理，进行好氧、厌氧的全密闭式发酵，降解抗生素，脱硫脱硝，除臭，钝化重金属杀灭病菌及虫卵，以期彻底解决上述问题。以复合式发酵塔装置为例，利用Solidworks建立复合式发酵塔装置重要零部件的三维模型，并用有限元分析软件ANSYS Workbench对螺旋杆进行了变形、应力计算，获得了合理的分析结果，既为复合式发酵塔重要零部件的进一步优化提供了理论基础，也为复合式发酵塔装置重要零部件的正常运行提供了保障。

1  復合式发酵塔重要零部件三维建模

螺旋叶片杆：该螺旋叶片杆全长5 960 mm，螺距160 mm，叶片高度100 mm，材料为45钢，三维模型如图1所示。

隔板：中间内外圆直径分别为100、108 mm，垂直方向两边长度分别为80、312 mm;垂直和斜边方向厚度分别为12、4 mm，中心杆长2 800 mm，板长2 776 mm，三维模型如图2所示。

2  螺旋叶片的基本参数

3  螺旋叶片杆及隔板的理论计算

3.1  螺旋叶片理论计算

该螺旋叶片杆配套的电机功率4 kW，转速为30 r/min，每小时处理1.5 t的畜禽粪污量，螺旋杆叶片的受力情况如图4所示。畜禽粪便对叶片的法向力Fn，将Fn分解为Fx和径向力Fr，再将Fx分解为畜禽粪便对叶片的轴向力Fa和圆周力Ft[3-5]。

查阅相关资料[6-8]可查到畜禽粪便与螺旋叶片的动摩擦系数f=0.6，d为螺旋轴直径，T为扭矩，T=9 549·P1/n1（N·m），P1为工作时的功率，n1为工作时的转速，n1=30 r/min，正常工作时，转换的功率为额定功率的98%，即P1=P×98%=4 kW×98%=3.92 kW，螺旋螺齿的推物料面倾角α为10°，背面的倾角β为27°。根据螺旋叶片的面积，可以求得At、Ar、Aa分别为30 558、30 558、251 327 mm2，通过计算可得螺旋的单位圆周力、单位轴向力、单位径向力分别为0.778、12.657和0.888 MPa。

3.2  隔板理论计算

该复合式发酵塔结构呈长方体，以其中一层进行分析，长6 000 mm，宽2 800 mm、高2 200 mm，计算出体积V=6 m×2.8 m×2.2 m=36.96 m3，在现场测得畜禽粪便的密度ρ为800 kg/m3，则该层的畜禽粪便质量m=ρ·V=800 kg/m3×36.96 m3=2.956 8×104 kg，一层中由12个隔板连续排列组成，畜禽粪便在塔内堆放，对隔板的压力为静压力。因此，隔板承受的压力p=F/A，其中，F为畜禽粪便的总质量的压力，F=m·g=2.956 8×104 kg×9.8 N/kg=2.897 6×105 N（g為重力加速度），利用Solidworks的测量功能可以测得A=10.46 m2，求得p 总=2.77×104 Pa，发酵塔内有12个隔板共同承受压力，所以单个隔板受到的压力p=p 总/12=2 308 Pa。

4  ANSYS workbench受力分析

4.1  网格划分

通过Solidworks建立螺旋杆和隔板的三维模型，定义材料为45号钢，主要力学性能[9]：弹性模量E=2.09×e11Pa，泊松比μ=0.269，密度ρ=7 850 kg/m3，抗拉强度为600 MPa，屈服点为355 MPa，选用Solid187完成网格划分[2]，该模型比较大，所以选择螺旋杆网格尺寸为30 mm，隔板网格尺寸为20 mm，网格划分如图5、图6所示。

4.2  定义边界条件

螺旋杆用于传输物料，电机的旋转带动螺旋杆的旋转，因此螺旋杆的两端是固定的，螺旋杆轴做旋转运动，对螺旋杆两端添加约束。如果仅对两端添加约束，会导致两端面圆周应力过大，需对螺旋杆两端面添加除Z轴旋转方向外其余位置全约束。

隔板以水平方向静置时，仅受到畜禽粪便的压力，分析隔板受到畜禽粪便的压力，隔板的中间轴固定在两端，对隔板轴添加全约束。

4.3  施加载荷及后处理

螺旋杆带动物料运动，物料对螺旋杆有反作用力，分解为物料对螺旋杆的圆周力和轴向力以及底径圆锥上的径向力。根据螺旋杆推动物料运动时受到的单位圆周力，单位轴向力以及单位径向力，分别施加相对应的载荷，处理结果如图7至图10所示，其中图10为总应力。

除分析应力外，还应对螺旋杆进行模态分析，螺旋杆在复合式发酵塔的底部随着电机的运转而运转，如果发生共振，将会缩短螺旋杆轴和发酵塔的使用年限，存在一定的安全隐患。利用ANSYS Workbench的modal模块，对螺旋杆施加同样的约束，进行6阶模态分析[10]，处理结果如图11所示。

隔板水平静置，仅受到畜禽粪便对隔板两上端面的压力，对隔板两上端面施加压力，处理结果如图12所示。

由图10可知，螺旋杆的最小应力为1.26 MPa，最大应力为591.12 MPa，其中所受最大应力存在于螺旋杆叶片端面与螺旋轴接口的位置上，原因是螺旋杆在传输物料时，两端面与物料直接挤压，受到的反作用力比较大，且圆周力、轴向力以及径向力都汇聚在叶片与轴的接口处，使其应力集中。综合图7、图8、图9可知，螺旋杆在除了两端面的其他位置上受力均匀，螺旋轴受力最小，叶片受力比较大，这是因为物料随着螺旋杆运动时，叶片与物料摩擦，圆周力、轴向力、径向力作用在叶片上，而轴受到的力比较小，这与实际情况相吻合。从图11中可以看到，前六阶固有频率分别为2.486 9×e-4、372.91、671.00、809.18、854.28、871.29，该固有频率值都比较大，因此不会发生共振现象。

本研究所用螺旋杆材料为45钢，其材料的屈服强度为355 MPa，此情况下的最大应力值超过了屈服应力，因此螺旋叶片会产生永久变形，缩短螺旋杆使用寿命。

从图12可以看到，隔板受到的力不大，但隔板右侧上端面已经发生严重变形，左上端面没有变形，原因是右侧上端面为斜边，且非常薄，仅为4 mm，承受的力非常有限，隔板轴最上端受力较大，原因是隔板轴上方与畜禽粪便属于线接触，受到的压力就大;物料畜禽粪便对隔板的压力远远超出了右上端面能够承受的力，在此情况下隔板也会产生永久变形，进而缩短隔板的使用寿命，存在安全隐患。

5  总结

通过理论计算分析，螺旋杆叶片承受的单位轴向力远远大于单位圆周力和单位径向力，结合ANSYS Workbench分析结果，确定螺旋杆叶片两端承受的力最大，螺旋轴承受的力相对较小，因此对螺旋杆进行结构优化时，总体应加强螺旋杆叶片的强度，特别加强叶片两端的强度;通过对隔板的理论计算和ANSYS Workbench分析，确定隔板右上端面承受的力十分有限，针对隔板的优化，应进一步增加隔板右上端面的厚度，同时应加强强度。

参考文献：

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