唐 睿，朱衛(wèi)國(guó)

( 安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

目前對(duì)于有機(jī)廢棄物的二次利用方法比較局限，傳統(tǒng)的處理方法仍然是堆置、掩埋和焚燒.但這3種方法都有一定的不良影響：堆垛法不僅破壞環(huán)境，產(chǎn)生臭氣，而且還會(huì)造成病源擴(kuò)散，傳播疾??；掩埋法不但占用大面積土地，還會(huì)污染地下水資源；焚燒法不僅費(fèi)用昂貴，還會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，造成二次污染.

經(jīng)過(guò)一種生物有機(jī)肥發(fā)酵機(jī)發(fā)酵后再制成有機(jī)肥,則能將其對(duì)環(huán)境的影響降到最低，達(dá)到零污染.發(fā)酵機(jī)的核心裝置就是攪拌裝置，主要包括攪拌軸和攪拌葉片等，攪拌裝置的好壞直接決定了攪拌機(jī)的工作性能和效果.因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須要保證其有足夠的強(qiáng)度和剛度,使其發(fā)揮出最佳工作性能[1].

本文提出了一種用于生物有機(jī)肥發(fā)酵的臥式雙軸發(fā)酵機(jī)，其關(guān)鍵部件是攪拌裝置.根據(jù)最大負(fù)載和有機(jī)肥的特性，確定發(fā)酵機(jī)模型和主要參數(shù).利用Solidworks對(duì)攪拌裝置建模，再導(dǎo)入Ansys中建立有限元模型作靜力分析，得出攪拌裝置的攪拌軸、攪拌葉片和總體的位移云圖和應(yīng)力云圖，校核強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求.

1 發(fā)酵機(jī)模型及主要參數(shù)

1.1 臥式雙軸發(fā)酵機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

秸稈、畜禽糞便等有機(jī)廢棄物發(fā)酵物料流變特性接近于牛頓流體，在這里考慮為單一的高黏度液相物料.臥式雙軸發(fā)酵機(jī)有2根平行的攪拌軸，軸上安裝攪拌葉片，適用于高黏度流體.發(fā)酵機(jī)主要由動(dòng)力裝置、罐體、攪拌裝置、卸料門、密封裝置、附件等組成[2].發(fā)酵罐單個(gè)筒體內(nèi)徑D=1 500 mm，長(zhǎng)L=5 500 mm.發(fā)酵機(jī)三維模型如圖1所示.

1.2 攪拌裝置結(jié)構(gòu)選型及參數(shù)確定

發(fā)酵機(jī)攪拌裝置主要是攪拌發(fā)酵罐內(nèi)的生物有機(jī)肥發(fā)酵物料，攪拌裝置中攪拌槳葉的選擇至關(guān)重要.由于螺帶式攪拌器具有操作簡(jiǎn)單、占地面積小、容易維修、混合性能較好等優(yōu)點(diǎn)，使得螺帶式攪拌器被廣泛應(yīng)用于攪拌擬塑性流體和高黏度液體.采用螺帶式攪拌器可以使整個(gè)容器產(chǎn)生更好的混合效果，還能讓攪拌裝置發(fā)揮出更好的工作性能.

攪拌裝置從左到右有4組攪拌槳葉，每組有1對(duì)大小螺帶槳葉，而4對(duì)大小螺帶槳葉固定安裝在通過(guò)螺栓連接的攪拌臂和攪拌軸上.4對(duì)大小螺帶槳葉分別依次錯(cuò)位排列安裝在攪拌軸的0°、90°、180°、270°位置.為了承受軸向、縱向的載荷，攪拌軸的兩端都安裝有調(diào)心滾子軸承，攪拌器結(jié)構(gòu)模型如圖2所示.

圖1 發(fā)酵機(jī)模型

圖2 螺帶式攪拌器的結(jié)構(gòu)模型

發(fā)酵機(jī)攪拌裝置尺寸的確定根據(jù)HG/T3796.11—2005可得，螺帶式攪拌器直徑為

Dj=(0.9～0.98)D，

式中，D為筒體直徑.

取Dj=0.91·D=0.91×1 500=1 365 mm，取圓整值Dj=1 400mm.根據(jù)HG/T3796.11—2005中螺帶式攪拌器的主要參數(shù)表查得，δ=12 mm.攪拌裝置的小螺帶槳葉半徑480 mm，大螺帶槳葉半徑680 mm，厚度為12 mm，螺距2 560 mm.

1.3 發(fā)酵機(jī)裝機(jī)質(zhì)量的確定

在 Solidworks軟件中測(cè)出筒體截面面積S=4.434 m2，筒體長(zhǎng)度L=5.5 m，2組攪拌裝置總體積Vj=0.352 m3.筒體幾何容積V總=S·L-Vj=24.035 m2，發(fā)酵機(jī)的容積為24 m2.

生物有機(jī)肥發(fā)酵物料主要是秸稈、畜禽糞便和微生物復(fù)合菌劑等混合物，微生物菌劑忽略不計(jì).查得秸稈(未充分干燥)的密度為0.9×103kg/m3(秸稈的密度和含水量和壓實(shí)度密切相關(guān)，此處考慮理想化情況，以單一玉米秸稈密度為秸稈密度)，畜禽糞便(含濕)平均密度為 1.38×103kg/m3.秸稈與畜禽糞便混合堆肥理想效果條件的原料配比(體積)，即秸稈：畜禽糞便為7∶3[3].有機(jī)肥發(fā)酵滿載質(zhì)量m=0.7ρ秸稈V總+0.3ρ糞便V總=25.056 t,所以發(fā)酵機(jī)的1次可裝載有機(jī)肥總質(zhì)量為25 t.

2 有限元模型的建立

2.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

由于攪拌裝置是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，僅僅依靠傳統(tǒng)的理論分析法會(huì)導(dǎo)致模型單一化、簡(jiǎn)單化，并且理論分析法要求繁雜的計(jì)算.因此，傳統(tǒng)的理論分析法難以模擬出比較真實(shí)的應(yīng)力和種類繁多的形變.本文在Solidworks中建立三維數(shù)字化模型，之后將模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中的Design Modeler進(jìn)行有限元分析，得出發(fā)酵機(jī)攪拌裝置運(yùn)作時(shí)攪拌軸和攪拌葉片上的應(yīng)力和位移的圖解.

發(fā)酵機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要是由減速電機(jī)、主軸以及大小螺帶槳葉等傳動(dòng)部件構(gòu)成.主軸采用直徑為200 mm的Q235圓鋼和200 mm×45 mm規(guī)格的鋼管焊接而成，主軸分為左軸頭(645 mm)、主軸管(5 370 mm)和右軸頭(484 mm)3段，材質(zhì)均為Q235，用以減小應(yīng)力和彎曲變形，通過(guò)法蘭進(jìn)行連接，其主要用途是作為攪拌葉片的連接件.大小螺帶槳葉使用Q345結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，其作用是通過(guò)充分混合攪拌，使得發(fā)酵物料和氧氣充分混合,目的是提高有機(jī)肥發(fā)酵高溫好氧微生物的活性和呼吸作用的強(qiáng)度，從而提高有機(jī)肥發(fā)酵的效率.攪拌裝置參數(shù)見表1.

表1 攪拌裝置參數(shù)

每組攪拌槳葉槳間距均為1 280 mm，建立攪拌軸的三維模型, 攪拌軸主軸左軸頭通過(guò)聯(lián)軸器與減速電機(jī)輸出軸相聯(lián).導(dǎo)入 Ansys 后的攪拌裝置模型簡(jiǎn)化了鍵和聯(lián)軸器[4].攪拌軸的材料是Q235，定義其密度為7 830 kg/m3，彈性模量為2.10×1011Pa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度σs=235 MPa.攪拌葉片材料是Q345,定義其密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為 0.3，屈服強(qiáng)度σs=345 MPa.

模型采用Automatic(自由網(wǎng)格)劃分，Relevance(相關(guān)性)設(shè)定為100，加密網(wǎng)格劃分，有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為267 199，單元數(shù)為 148 751 ，如圖3所示.

圖3 攪拌裝置網(wǎng)格劃分

2.2 邊界條件及載荷

載荷條件與邊界條件的施加應(yīng)該盡量接近實(shí)際，攪拌臂和攪拌葉片通過(guò)布爾運(yùn)算固結(jié)為一個(gè)整體.考慮到設(shè)計(jì)的可靠性，選擇工況最差的情況，攪拌裝置的攪拌軸承受滿載時(shí)最大力矩.

生物有機(jī)肥發(fā)酵物料是高黏度液相物料，攪拌過(guò)程是非連續(xù)的,實(shí)際受力情況十分復(fù)雜.為簡(jiǎn)化計(jì)算，此處只考慮攪拌葉片的法向阻力FN，其他力忽略不計(jì)[5]，則

FN=ρv2Acos2α，

式中：ρ為發(fā)酵物料密度；v為發(fā)酵物料流體速度；A為攪拌葉片面積；α為葉片安裝角.

已知發(fā)酵機(jī)裝機(jī)質(zhì)量為25.056 t，筒體容積為24.035 m3,發(fā)酵物料密度ρ為1 042.48 kg/m3，發(fā)酵物料流體速度為6.29 m/s，大螺帶槳葉面積為0.15 m2，小螺帶槳葉面積為0.12 m2.大螺帶槳葉葉片安裝角為60°，螺帶槳葉葉片安裝角為48°.可得大螺帶槳葉的法向阻力FN=1 547 N，小螺帶槳葉的法向阻力FN=2 215 N.

攪拌軸主要承受彎矩和轉(zhuǎn)矩作用[6]，在左右軸承段處添加固定位移約束.由于攪拌裝置在實(shí)際工作過(guò)程中還受到重力的影響，故對(duì)攪拌裝置施加重力加速度.對(duì)攪拌軸施加轉(zhuǎn)矩.由于在攪拌過(guò)程中，攪拌軸上的攪拌葉片攪拌發(fā)酵物料會(huì)受到阻力，故對(duì)攪拌葉片施加阻力，方向垂直于攪拌葉片.約束及載荷設(shè)置如圖4所示.

圖4 約束及載荷設(shè)置

3 有限元結(jié)果討論及分析

3.1 攪拌軸的變形和應(yīng)力分析

確定各個(gè)設(shè)置正確后，開始對(duì)此次靜力分析求解.攪拌軸的變形和應(yīng)力云圖如圖5所示，可以看出：攪拌軸的整體變形很小，其最大位移為0.278 77 mm，主要出現(xiàn)在軸中段，剛度滿足設(shè)計(jì)要求[7-10]；其最大應(yīng)力為11.674 MPa，主要發(fā)生在軸的兩端.由第四強(qiáng)度理論可知，[σ]=σs/ns，攪拌軸材料Q235的許用應(yīng)力[σ]為156 MPa,攪拌軸的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力，其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求[11-12].

(a) 變形云圖(單位：m)

3.2 攪拌葉片的變形和應(yīng)力分析

攪拌葉片的變形和應(yīng)力云圖如圖6～7所示.由圖6可知：大、小螺帶槳葉的整體變形很小，其最大位移分別為9.235 6 mm和6.088 7 mm，均出現(xiàn)在葉片的中部，剛度滿足設(shè)計(jì)要求.由圖7可知：其最大等效應(yīng)力分別為118.58 MPa和124.99 MPa，主要發(fā)生在葉片端部.由[σ]=σs/ns可知，攪拌葉片材料Q345的許用應(yīng)力[σ]為172.5 MPa，其最大應(yīng)力小于其許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.

(a) 大螺帶槳葉

(a) 大螺帶槳葉

3.3 攪拌裝置總體變形和應(yīng)力分析

總體變形和應(yīng)力云圖如圖8所示，可以看出：攪拌裝置整體變形很小，其最大位移為5.605 1 mm，出現(xiàn)在第1組小螺帶槳葉中部，剛度滿足設(shè)計(jì)要求；其最大等效應(yīng)力為70.383 MPa，出現(xiàn)在攪拌軸左側(cè)軸肩位置，由[σ]=σs/ns可知，攪拌軸的許用應(yīng)力[σ]為156 MPa,攪拌軸的最大應(yīng)力小于其許用應(yīng)力，其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.

(a) 總體變形云圖 (單位：m)

4 結(jié)論

1) 攪拌裝置在正常工作時(shí)，攪拌軸的位移主要發(fā)生在中部，最大應(yīng)力主要發(fā)生在軸的兩端.

2) 攪拌葉片的位移主要出現(xiàn)在葉片的中部，最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片的端部.

3) 對(duì)于攪拌裝置總體，最大位移主要發(fā)生在攪拌葉片的中部，最大應(yīng)力發(fā)生在攪拌軸的左側(cè)軸肩位置，設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)此處截面校核，以保證工作的可靠性和穩(wěn)定性.