一种卧式筒体粪污发酵装置的筒体设计与分析

王锦超，孙涛，秦录芳

（徐州工程学院机电工程学院，江苏 徐州 221018）

畜禽粪污是与工业污水和生活废水并列的三大污染源之一，畜禽粪污资源化利用将有效改善人类生活环境[1]。好氧堆肥发酵是粪污发酵最常用的一种发酵方式，世界各国都在逐步使好氧堆肥技术向机械化，高效化发展[2]。粪污发酵装置就很好的使好氧堆肥技术实现了机械化。卧式筒体粪污发酵装置是粪污发酵装置中应用很广泛的一种装置。粪污在卧式筒体发酵装置的零部件筒体内部进行发酵。要使粪污快速且充分的发酵就要使其与空气充分接触。筒体不断旋转带动内部的粪污不断翻滚与空气充分接触进而使粪污得到快速且充分的发酵。因此筒体是使粪污快速充分发酵的关键零部件。如果筒体设计的不合理的话会导致筒体在其内部粪污所产生压力的作用下发生变形，影响发酵效果和效率。

鉴于此，本文设计了一种在粪污所产生压力的作用下变形量小，具有很高的工作可靠性，运转更平稳的筒体。并通过Solidworks2016软件的Simulation模块对筒体在其内部装有静止粪污的状态下进行静力分析，分析筒体在该状态下的应力及变形位移情况，以验证卧式筒体粪污发酵装置中筒体的可靠性。

1 总体设计

对于卧式筒体发酵装置中的零部件筒体，需要满足：一是筒体的刚度，筒体应具有足够的刚度以保证在其内部粪污所产生的压力作用下发生的变形位移小。二是筒体旋转的平稳性，保证筒体的旋转过程是连续平稳的。

目前，畜禽粪污一体化发酵装置能够快速高效处理畜禽粪污[3]。目前的粪污一体化发酵装置有立式筒体发酵装置、卧式筒体发酵装置等。而立式筒体发酵装置需要借助其他的搅拌装置使粪污与空气混合进行发酵，结构较复杂。而卧式筒体发酵装置则是利用筒体的旋转使粪污与空气混合进行发酵，结构简单，运行可靠。通过对筒体参数的设计可极大的提高筒体的使用性能和发酵效率，提升发酵效果。

1.1 筒体设计尺寸

本文所设计筒体的尺寸参数为内径r=902.5mm，外径R=914.5mm，轴向长度L=2100mm。

1.2 筒体材料的选择

筒体因要承载粪污对其产生的压力并尽量发生很小的变形，故所选的材料应具有高刚度，高强度等特点。本文所设计的筒体采用的材料为40Cr。通过Solidworks2016软件中的编辑材料界面找到材料40Cr，并应用材料40Cr如图1。

图1 材料的选择应用

1.3 筒体的受力分析

筒体主要承载的力主要来自其内部粪污对其产生的压力。本文设计的筒体所针对的发酵对象是畜禽粪污。因为畜禽粪污中含有大量的水分，含水率在55%～65%之间[4]。在计算粪污对筒体产生的压力时，我们采用将粪污的密度视为水的密度的方法进行计算。经查，水的密度为1000kg/。重力加速度取g=9.8m/S2。粪污的体积占筒体内部空间的一半，及粪污液面的高度正好处于筒体直径处。由液体的压力作用效果可知筒体内部空间底部承受的压力最大。因此，本文所设计的筒体其底部所要承受的压力为：

根据（1）式计算可得筒体底部承受的压力为8844.5pa。

1.4 筒体的强度校核

2 基于Solidworks2016的零部件设计分析

本文所设计的筒体是粪污发酵的场所，对粪污发酵的效果起着很大的影响，其性能决定着卧式筒体发酵装置的发酵性能。筒状结构的零部件有时会出现变形弯曲的现象，该现象会导致筒体无法正常运转进而影响发酵装置的发酵性能。所以利用有限元分析对筒体进行受力分析是很有必要的。能够在理论上得到筒体的应力和变形位移值，为筒体的使用可靠性研究提供了理论依据。本文采用Solidworks2016软件的Simulation模块对筒体进行应力和变形位移的分析。

2.1 筒体的有限元模型

筒体的材料为40Cr，该材料的密度为ρ=7.87×103kg/m3，弹性模量E=2.11Gpa，泊松比V=0.277。根据筒体的尺寸参数并结合工作情况在建模时设置了坐标系1并使用分割线将筒体分为上下两部分，确定筒体的实体结构模型如图2所示。

图2 筒体的实体模型

图3 筒体固定的定义

2.2 定义筒体自由度并施加非均匀载荷

利用夹具功能中的固定几何体选项对筒体外壁施加固定约束，此时筒体的自由度为零。约束情况如图3所示。经上述分析知，本文将筒体受到的压力视为水对筒体产生的压力。在施加外部载荷功能的选项里选择压力选项，并勾选非均匀分布，选择下半面为受力面，选择建模时创建的坐标系1为参考坐标，点击编辑方程式，输入算式9800*“y”，测量尺的单位选择“m”。外部载荷添加情况如图4，图5所示。

图4 受力面的选择

图5 使用非均匀分布

2.3 筒体的网格划分

对模型网格划分的好坏直接影响着最终计算与分析的结果的精度，是有限元分析的关键[5]。因此为了得到更高的分析精度，对筒体进行了较密集的网格划分。采用基于曲率的网格，网格的最大尺寸约为9.8mm，如图6所示。最终的网格划分结果如图7所示。

图6 网格划分的设置

图7 筒体的网格划分

2.4 对筒体静力学分析的结果

通过使用Solidworks2016软件的Simulation模块对筒体内部在装有静止粪污的状态下进行静力分析，得到筒体的应力图如图8所示，位移图如图9所示。由应力图可知筒体底部轴向两端边缘处存在最大应力为12190pa，筒体底部非两端边缘处的应力约为8800pa与（1）式计算得到的8844.5pa相差不大，且均远小于屈服应力7.85×108pa。由变形位移图可知最大位移发生在筒体底部轴向两端边缘处，最大位移为5.985×10-7mm，筒体底部非两端边缘处位移约为4.5×10-7mm。

图8 筒体应力图解

图9 筒体变形位移图解

3 结语

本文通过对筒体进行受力计算并应用有限元对其进行分析，得出结果，结果表明筒体底部轴向两端边缘处存在最大应力为12190pa，筒体底部非两端边缘处的应力约为8800pa和（1）式计算得到的8844.5pa相差不大，且均小于许用应力|σ|≥490.625Mpa。最大位移为5.985×10-7mm，变形量极小不会影响筒体的使用性能。显然筒体各处的应力值均在许用应力范围之内，变形位移极小可以忽略不记，即证明筒体的性能足以保证卧式筒体粪污发酵装置的使用性能。