平贝母清洗机的结构设计与有限元分析

吴立国， 李三平， 满大为， 苗振坤， 李艳娜， 徐克生*， 丁晓涵

(1.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.国家林业和草原局林业机电工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086；3.国家林业和草原局林业装备工程技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086；4.东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

林药是中药材重要的组成部分，大力发展中药材种植产业，是发展大健康产业重要途径之一，既可以保护生态，又能节约耕地，又可带动广大农民增收致富，发展前景广阔。林药平贝母又称平贝，为百合科多年生草本药用植物，常以鳞茎入药、味微苦，性微寒。有清热润肺、止咳化痰的功能，是中成药的主要原料[1-5]。

2014年以来，随着政府刺激内需政策效应的逐渐显现，平贝母市场需求在迅速增长，供求关系在改善，行业盈利能力逐渐提升，平贝母扩大生产的趋势真正迎来了历史性的发展机遇。以黑龙江省伊春平贝母生产为例，在伊春林区平贝母种植面积已经接近8 000亩，且近几年仍有增长趋势。平贝母鳞茎大都生长在地表土层以下10 cm左右区域[6-8]，所以收获后的平贝母鳞茎表面会带有大量泥土，清洗分选是烘干、入药之前非常重要的环节，现阶段平贝母种植区域清洗工作都是人工河水清洗劳动强度大，既费时费力又污染河水。现阶段，人工清洗手段落后、效率低，严重制约平贝母种植和产业发展。林药平贝母鳞茎机械化清洗是林农目前最期盼的技术之一。

本研究从林药平贝母清洗设备的现状出发，通过调研，设计了一种水流喷淋式毛刷辊平贝母清洗机，启动稳定，操作简单，清洗效果好，成本低廉。拟通过加压水流和毛刷辊的摩擦作用提高清洗精度和清洗效率，减少平贝母之间的摩擦、碰撞损伤，使平贝母清洗工序变得更精确、简便、高效、节约[9-10]。平贝母清洗机如图 1 所示。

图1 平贝母清洗机

1 整机结构和工作原理

1.1 整机结构

毛刷辊喷淋式平贝母清洗机主要由传动装置、喷淋装置、刷洗装置和机架等部分组成，平贝母清洗机结构图如图2所示。传动装置包括电机、链轮、链条、轴、轴承、轴承座、键等，喷淋装置包括水泵、水管、过滤器、喷头、流量调节阀、流水槽、过滤网盘、储水箱、排水阀等，刷洗装置主要是毛辊，其他结构为调脚、机架、调架、侧板、链轮罩、链条罩、电机盖、出口槽。

图2 平贝母清洗机结构图1.出口槽；2.流水槽；3.带菱形座轴承；4.水管架；5.侧板；6.过滤网盘；7.储水箱；8.链条罩；9.脚架；10.调脚；11.调架；12.电机盖；13.双卧式摆线针轮减速机；14.水泵；15.过滤器；16洒水管；17.排水阀；18.链轮盖；19.链条；20.链轮；21.毛辊刷；22.喷嘴

工作时，通过毛辊实现传送，毛辊既能起到传送作用，毛辊刷也可以提高平贝母的清洗效果；水路采用循环水路。

毛刷辊喷淋式平贝母清洗机通过摆线针轮减速机实现驱动，电机则使用普通三相异步电动机。驱动装置和设备之间采用链传动，因为链传动不但结构较简单，而且传动效率较高。

1.2 工作原理

毛刷辊喷淋式平贝母清洗机通过毛辊来实现传送，由喷头喷淋与毛刷辊滚刷相结合来实现清洗。工作时，电机通过链传动带动主动毛辊轴转动，主动毛辊轴带动各从动毛辊轴转动，从而实现平贝母在毛刷辊上的清洗与传送，最后平贝母经出口槽排出。

工作前，在储水箱中注入一定量净水，清洗机工作时，利用带有过滤装置的循环泵对洒水管进行循环供水，水流通过喷嘴喷出，调整特制喷头水流喷射角度可以获得不同的喷水冲击力，水流射向平贝母表面，清洗平贝母后的水通过毛辊下方的水流槽流回储水箱，流水槽设计成倾斜状态，有助于水流流动，水流槽和储水箱之间设有一个不锈钢过滤网盘，目的是实现水流过滤。此喷淋装置设置了两个实现了水流过滤的装置，从而使水流达到良好的净化效果并且保证了水流的正常循环，达到节约水资源的目的。平贝母清洗机的主要技术参数见表1。

表1 毛刷辊喷淋式平贝母清洗机的主要技术参数

2 关键部位设计

2.1 传动方案的设计

摆线针轮减速机轴上连接链轮，由摆线针轮减速机经链传动带动主动毛刷辊轴转动，见图3，各毛辊轴之间通过链连接来实现各毛辊的传动，见图4，从而实现平贝母的清洗、传送工作。

图3 减速机和主动毛辊轴传送图

图4 各从动毛辊轴传送图

2.2 毛刷辊结构的设计

2.2.1 毛刷辊的设计

毛刷辊喷淋式平贝母清洗机采用26根毛刷辊实现在清洗机上的传送，其中1根主动毛刷辊，25根从动毛刷辊。采用毛刷辊传送既能实现毛刷辊本身的传送作用，又能使平贝母通过和毛辊的摩擦达到更好的清洗效果。

毛刷材料选用PA1010材料，和PBT、PA610、PP等刷丝材料相比，它在不同温度下都具有比较好的冲击性能，同时它还具有表面硬度比较大、抗疲劳轻度较高、重量较轻等优点，同时没有毒性且耐细菌腐蚀与虫蚀，价格低廉，性价比高[11]，见图5。

图5 毛刷辊

由于清洗机在工作时，毛刷辊与平贝母之间的摩擦对清洗效果具有非常大的影响，因此毛刷辊尺寸选择合适与否非常重要。如果毛刷辊太小，那么平贝母与毛辊的接触面积太小，会导致平贝母在清洗的时候不易滚动，导致清洗效果差；如果毛刷辊太大，会导致相对较小的平贝母卡在两个毛辊之间不易向前传送，也会影响平贝母的清洗效果。综合考虑平贝母尺寸及清洗效果，确定毛刷辊长度：1 180 mm；毛辊外径：φ110 mm。

平贝母鳞茎清洗过程中，主要利用毛刷辊与平贝母之间相对运动的摩擦来实现清洗去污，如果毛刷辊的组数太少，清洗效果不佳，达不到应到的清洗效果；如果毛辊的组数太多，就会加大平贝母在毛辊上的运动距离，平贝母表面的破损率会增加，也会降低清洗效率。经分析，选择毛辊组数为26。

2.2.2 毛刷辊轴的设计

已知该轴传递功率P=3 kW，转速n2=30 r·min-1。

初估轴的最小直径。

轴的材料选用45钢，调质处理，查表得强度极限σb=640 MPa。查表，取C=103，则轴的最小直径：

所求d应为受扭部分的最细处，即装链轮(Z3=18)处的轴径。但因该处有一个键槽，故轴径应增大4%，即dmin=1.04×47.69 mm≈49.6 mm，则取第一段轴径为50 mm。

根据相关设计标准和标准件(键、轴承、轴承座、联轴器)的选用原则，决定设计阶梯轴。

轴径由左及右的变化为：轴径最小的地方φ50 mm(链轮孔径φ50 mm)→φ55 mm(UCFLU211内径φ55 mm)→φ55 mm(轴肩)→φ55 mm(UCFLU211内径φ55 mm)→φ50 mm(链轮孔径φ50 mm)。

各轴段长度。

φ50 mm轴段，取此轴段长度64 mm；

φ55 mm轴段，取此轴段长度65 mm；

φ60 mm轴段，取此轴段长度1 190 mm；

轴的各部分通过平键与轴的圆周定位连接。从机械设计手册中，可确定b×h=14×9，长度L=64 mm。

毛刷辊轴如图6所示。

图6 毛刷辊轴

3 基于 ANSYS的的零件强度有限元分析

3.1 毛刷辊主动轴的仿真模型

平贝母清洗过程中，毛刷辊主动轴会受到较大应力作用，因此要求毛刷辊主动轴具有较高的塑性和强度。毛刷辊主动轴材料选用45钢，材料的力学性能见表1。

表1 45钢的力学性能表

设定其模型类型为线性、弹性及各项同性，抗拉强度、屈服极限、弹性模量、泊松比见表1。对模型进行网格划分，选取毛刷辊主动轴圆柱体形式建立模型，每个单元网格大小取 4×10-3m，三角刀边缘尺寸最小取 2×10-3m。划分结果如图7所示。

图7 模型网格划分

对模型进行静力学分析，将毛刷辊主动轴与轴承座安装位置设为支撑约束，设置载荷为1 000 N，转速为30 r/min，如图8所示。

图8 支撑约束

3.2 结果及分析

(1)弹性形变。由弹性应变云图(见图9)可知：载荷设置为1 000 N的情况下，毛刷辊主动轴最大弹性形变值为4.68×10-5m，最小弹性形变值为7.85×10-6m。由此可见，清洗机工作过程中，毛刷辊主动轴所受设定最大应力的情况下，毛刷辊主动轴轴体发生弹性形变微乎其微，不会对毛刷辊整体结构及性能造成影响。

图9 形变云图

(2)最大剪应力分析。由剪应力云图(见图10)可知：载荷设置为1 000 N，转速为30 r/min的情况下，毛刷辊主动轴承受最大应力值为1.159 9×107Pa，承受最小应力值为18.235 Pa。45钢的屈服强度为3.55×108Pa，毛刷辊主动轴轴体在最大阻力作用下的应力值小于材料的屈服强度，符合机械作业要求。

图10 剪应力云图

(3)总应力分析。毛刷辊主动轴的总形变是指在作业状态下，毛刷辊在清洗、传送平贝母过程，在所传递的平贝母重量以及喷头喷水压力的共同作用下发生的总体变形情况。由总变形云图(见图11)可知：毛刷辊主动轴在最大设定最大载荷状态下，所受最大主应力为1.438 6×107Pa。毛刷辊主动轴轴体在最大阻力作用下的应力值小于材料的极限强度，符合机械作业要求。

图11 主应力云图

4 结论

毛刷辊喷淋式平贝母清洗机设计的依据是平贝母清洗农艺要求及清洗工序，使用 CATIA、ANSYS-Workbench 等软件着重对清洗机关键零部件进行了设计仿真，能够简单明了地体现毛刷辊喷淋式平贝母清洗机关键部件及整机结构。毛刷辊喷淋式平贝母清洗机能够满足平贝母产业化大规模的流水线清洗作业，实现了平贝母清洗机械化，降低了人工成本，减轻了工人的劳动强度，提高了平贝母清洗精度，降低了平贝母鳞茎清洗过程中的碰撞损伤，易于工人操作，与传统人工清洗相比，清洗效率高、节约能源、保护环境。本研究利用CATIA软件对清洗机关键部件进行三维建模，运用 ANSYS-Workbench仿真软件对毛刷辊轴进行有限元分析，得出形变云图和应力云图，与所选材料的屈服强度进行对比，验证了毛刷辊轴结构设计以及材料选用的合理性。本研究设计的毛刷辊喷淋式平贝母清洗机在人工操作下能够实现对平贝母的清洗，减轻操作人员的工作强度，为平贝母产业向机械化、自动化发展提供了参考。