基于ANSYS Workbench 的螺旋脱水机结构优化

王东昌，张 燕

（枣庄科技职业学院 山东滕州 277569）

0 引言

目前，菜市场有机垃圾螺旋脱水机被普遍推广应用，但在实际应用中存在着脱水螺旋体因磨损导致强度不足而出现断裂的现象。脱水螺旋体是脱水机的关键核心部件，其主要结构为螺旋轴和螺旋叶片，强度要求高，而螺旋脱水机螺旋体结构设计的优劣则关系着整个脱水机的使用寿命及脱水效果。

螺旋体的强度优化，是在预定工况下找到合理的结构参数，保证螺旋体处于良好的工作状态[1]。本文通过分析叶片厚度、螺旋直径（螺距）对螺旋体静强度的影响，进而选取较合理的结构参数、优化其强度，降低螺旋体的应力值和径向位移。最后，在分析螺旋体结构静力学的基础上分析结构参数，研究相关参数对螺旋体强度的影响趋势，对提升螺旋脱水机的使用寿命和脱水效果具有重要意义。

1 叶片厚度对螺旋体的强度影响

螺旋体结构设计是由螺旋轴及螺旋叶片的相关参数选取决定的。螺旋叶片是螺旋体实现压缩脱水的主要部件，其厚度对实现脱水工艺不起作用，但厚度较小则会影响螺旋体强度和使用寿命。本文将从螺旋叶片最大Von Mises 应力方面，来分析其对螺旋体静强度的影响。

本文研究的螺旋压缩脱水机叶片设计厚度10 mm，出于选择最优角度，从计算叶片厚度减小和增大两个方向对螺旋体最大Von Mises 应力的影响，计算叶片厚度从8 mm 到12 mm五种尺寸参数的变化。计算结果经Matlab 进行曲线拟合后，Von Mises 最大应力值随叶片厚度的变化关系如图1 所示。

图1 Von Mises 最大应力值随叶片厚度的变化曲线

可以看出，最大Von Mises 应力随着叶片厚度的增加而减小：在叶片厚度为8～9 mm（降25.2 MPa）和11～12 mm（降34.27 MPa）时，最大Von Mises 应力随叶片厚度的增加减小趋势较“缓”；而在厚度为9～10 mm（降68.51 MPa）和10～11 mm（降61.7 MPa）时，最大Von Mises 应力随叶片厚度的增加减小趋势较“急”。可见，叶片厚度增加对降低螺旋体的最大Von Mises 应力值是有影响的。

考虑到螺杆工作所处的环境腐蚀性较强，所处理的物料混有沙粒等硬质颗粒杂质、磨琢性也比较强，如果叶片厚度较薄，叶片外缘会较早地出现缺损，从而影响螺旋体脱水的效果。从这个角度考虑，叶片厚度应取较大值。因为增大叶片厚度有利于提高螺旋体强度，从而保证螺旋体的使用寿命。

2 螺旋轴直径对螺旋体强度的影响

螺旋直径和螺距是螺旋体结构设计中十分重要的一对参数，它们的大小影响着螺旋脱水机的生产效率和强度。但由于螺距的设计是由处理物料及进料口物料的颗粒大小决定，所以更侧重研究螺旋轴的直径对螺旋体结构强度的影响。在产生轴向力相同的情况下，最后一节螺距的大小可以根据实际情况进行调整。这里仍取螺旋体的最后一节螺距为240 mm。螺旋轴直径分别为80 mm、90 mm、100 mm、110 mm、120 mm 时，对螺旋体结构静强度的影响。

2.1 螺旋直径和螺距对螺杆最大Von Mises 应力的影响

螺旋直径对螺旋体静强度的影响主要从最大Von Mises 应力和径向位移UX、UY及总体位移两类方面分析。

图2 为最大Von Mises 应力值（SMX）随螺旋直径的变化曲线。从图2 可以看出，当螺旋轴直径小于90 mm 时，最大Von Mises 在高位，但变化较“缓”；当螺旋轴直径大于90 mm 时，最大Von Mises 迅速减小且变化较“急”。

图2 最大Von Mises 应力值随螺旋直径的变化曲线

2.2 螺旋直径对螺旋体径向位移UX、UY 和总位移的影响

图3 为最大径向位移UX、UY及Total Displacement 随螺旋直径的变化曲线，可以看出最大径向位移UX、UY及总体位移都随螺旋轴直径的增加而减小。

图3 最大位移UX、UY 及总位移随螺旋直径的变化曲线

不过，当螺旋叶片厚度小于90 mm 时变形量变化较“急”，大于90 mm 时变形量变化较“缓”（X 向拟合曲线）；当螺旋轴直径小于90 mm 时变形量变化较“急”，在90～100 mm 时变形量变化较“缓”，在100～110 mm 之间有一个急剧的变化（变形量仅减小0.578 07 mm），螺旋轴直径大于110 mm 后位移变化微小（Y 向拟合曲线）；总体位移量随螺旋轴直径的增大而减小，并无明显的“越变”（总位移曲线）。因此，螺旋直径对螺旋体强度影响较大，螺旋轴直径增加可以降低螺旋体的应力值、径向UX和UY的位移及整体变形位移，有利于提高螺旋体的静力学强度。

3 螺旋体结构参数的优化选取

由上述分析可知，叶片厚度的增加有利于螺旋体强度的提高，可以满足使用强度的要求，且影响较小，增大叶片厚度对螺杆还是十分有益的；增加螺旋直径对螺旋体的强度有利，为了提高螺旋体的强度，可以是适当增加螺旋轴的直径，但增加直径也会使整体设备重量增加很多。综合考虑叶片厚度和螺旋轴的直径因素的同时，还要考虑所处理物料的性质。

经本设计优化、比较后，最终确定的螺旋体的结构参数为叶片厚度10 mm、螺旋直径110 mm。重新建立有限元模型、施加载荷[2]，得到的应力值和径向位移值（图4～图5）。

图4 优化后的Von Mises 应力强度分布图

图5 优化后的径向位移分布图

可见，最大Von Mises 应力值由原来的268.94 MPa 下降为132.59 MPa，径向位移UY由原来的1.182 90 mm 降为0.659 43 mm。对比原来数据，可知优化后螺旋体的强度显著改善，其整体性能参数见表1。

表1 脱水机性能参数

4 结论

本文针对菜市场有机垃圾螺旋脱水机螺旋体结构优化进行研究。通过ANSYS Workbench 对脱水机螺旋体的三维有限元模型进行静力学强度分析的基础上[3]，对螺杆直径，叶片厚度等金属结构的设计进行优化，以提高强度，提高设备可靠性、降低成本并延长使用寿命，最终完成菜场有机垃圾螺旋脱水机螺旋体的结构优化。通过试验及模拟分析得出：

（1）在ANSYS Workbench 中对金属结构的有限元模型进行有限元分析[4]，可以帮助设计人员检测设计的合理性，并合理避免应力集中和局部过载情况的发生，提高设备可靠性。

（2）分析螺旋体的几何结构参数对其静力学强度的影响，并在此基础上调整结构参数，对该脱水机螺旋体进行结构优化，模拟结果表明，改进后的螺旋体的静力学强度得到较大的提高[5]。