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平貝母清洗機的結(jié)構(gòu)設計與有限元分析

2022-01-16 03:04:52吳立國李三平滿大為苗振坤李艷娜徐克生丁曉涵
林業(yè)機械與木工設備 2021年12期
關鍵詞:主動軸輥軸清洗機

吳立國, 李三平, 滿大為, 苗振坤, 李艷娜, 徐克生*, 丁曉涵

(1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所,黑龍江 哈爾濱 150086;2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)機電工程重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150086;3.國家林業(yè)和草原局林業(yè)裝備工程技術研究中心,黑龍江 哈爾濱 150086;4.東北林業(yè)大學機電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

林藥是中藥材重要的組成部分,大力發(fā)展中藥材種植產(chǎn)業(yè),是發(fā)展大健康產(chǎn)業(yè)重要途徑之一,既可以保護生態(tài),又能節(jié)約耕地,又可帶動廣大農(nóng)民增收致富,發(fā)展前景廣闊。林藥平貝母又稱平貝,為百合科多年生草本藥用植物,常以鱗莖入藥、味微苦,性微寒。有清熱潤肺、止咳化痰的功能,是中成藥的主要原料[1-5]。

2014年以來,隨著政府刺激內(nèi)需政策效應的逐漸顯現(xiàn),平貝母市場需求在迅速增長,供求關系在改善,行業(yè)盈利能力逐漸提升,平貝母擴大生產(chǎn)的趨勢真正迎來了歷史性的發(fā)展機遇。以黑龍江省伊春平貝母生產(chǎn)為例,在伊春林區(qū)平貝母種植面積已經(jīng)接近8 000畝,且近幾年仍有增長趨勢。平貝母鱗莖大都生長在地表土層以下10 cm左右區(qū)域[6-8],所以收獲后的平貝母鱗莖表面會帶有大量泥土,清洗分選是烘干、入藥之前非常重要的環(huán)節(jié),現(xiàn)階段平貝母種植區(qū)域清洗工作都是人工河水清洗勞動強度大,既費時費力又污染河水?,F(xiàn)階段,人工清洗手段落后、效率低,嚴重制約平貝母種植和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。林藥平貝母鱗莖機械化清洗是林農(nóng)目前最期盼的技術之一。

本研究從林藥平貝母清洗設備的現(xiàn)狀出發(fā),通過調(diào)研,設計了一種水流噴淋式毛刷輥平貝母清洗機,啟動穩(wěn)定,操作簡單,清洗效果好,成本低廉。擬通過加壓水流和毛刷輥的摩擦作用提高清洗精度和清洗效率,減少平貝母之間的摩擦、碰撞損傷,使平貝母清洗工序變得更精確、簡便、高效、節(jié)約[9-10]。平貝母清洗機如圖 1 所示。

圖1 平貝母清洗機

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

毛刷輥噴淋式平貝母清洗機主要由傳動裝置、噴淋裝置、刷洗裝置和機架等部分組成,平貝母清洗機結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。傳動裝置包括電機、鏈輪、鏈條、軸、軸承、軸承座、鍵等,噴淋裝置包括水泵、水管、過濾器、噴頭、流量調(diào)節(jié)閥、流水槽、過濾網(wǎng)盤、儲水箱、排水閥等,刷洗裝置主要是毛輥,其他結(jié)構(gòu)為調(diào)腳、機架、調(diào)架、側(cè)板、鏈輪罩、鏈條罩、電機蓋、出口槽。

圖2 平貝母清洗機結(jié)構(gòu)圖1.出口槽;2.流水槽;3.帶菱形座軸承;4.水管架;5.側(cè)板;6.過濾網(wǎng)盤;7.儲水箱;8.鏈條罩;9.腳架;10.調(diào)腳;11.調(diào)架;12.電機蓋;13.雙臥式擺線針輪減速機;14.水泵;15.過濾器;16灑水管;17.排水閥;18.鏈輪蓋;19.鏈條;20.鏈輪;21.毛輥刷;22.噴嘴

工作時,通過毛輥實現(xiàn)傳送,毛輥既能起到傳送作用,毛輥刷也可以提高平貝母的清洗效果;水路采用循環(huán)水路。

毛刷輥噴淋式平貝母清洗機通過擺線針輪減速機實現(xiàn)驅(qū)動,電機則使用普通三相異步電動機。驅(qū)動裝置和設備之間采用鏈傳動,因為鏈傳動不但結(jié)構(gòu)較簡單,而且傳動效率較高。

1.2 工作原理

毛刷輥噴淋式平貝母清洗機通過毛輥來實現(xiàn)傳送,由噴頭噴淋與毛刷輥滾刷相結(jié)合來實現(xiàn)清洗。工作時,電機通過鏈傳動帶動主動毛輥軸轉(zhuǎn)動,主動毛輥軸帶動各從動毛輥軸轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)平貝母在毛刷輥上的清洗與傳送,最后平貝母經(jīng)出口槽排出。

工作前,在儲水箱中注入一定量凈水,清洗機工作時,利用帶有過濾裝置的循環(huán)泵對灑水管進行循環(huán)供水,水流通過噴嘴噴出,調(diào)整特制噴頭水流噴射角度可以獲得不同的噴水沖擊力,水流射向平貝母表面,清洗平貝母后的水通過毛輥下方的水流槽流回儲水箱,流水槽設計成傾斜狀態(tài),有助于水流流動,水流槽和儲水箱之間設有一個不銹鋼過濾網(wǎng)盤,目的是實現(xiàn)水流過濾。此噴淋裝置設置了兩個實現(xiàn)了水流過濾的裝置,從而使水流達到良好的凈化效果并且保證了水流的正常循環(huán),達到節(jié)約水資源的目的。平貝母清洗機的主要技術參數(shù)見表1。

表1 毛刷輥噴淋式平貝母清洗機的主要技術參數(shù)

2 關鍵部位設計

2.1 傳動方案的設計

擺線針輪減速機軸上連接鏈輪,由擺線針輪減速機經(jīng)鏈傳動帶動主動毛刷輥軸轉(zhuǎn)動,見圖3,各毛輥軸之間通過鏈連接來實現(xiàn)各毛輥的傳動,見圖4,從而實現(xiàn)平貝母的清洗、傳送工作。

圖3 減速機和主動毛輥軸傳送圖

圖4 各從動毛輥軸傳送圖

2.2 毛刷輥結(jié)構(gòu)的設計

2.2.1 毛刷輥的設計

毛刷輥噴淋式平貝母清洗機采用26根毛刷輥實現(xiàn)在清洗機上的傳送,其中1根主動毛刷輥,25根從動毛刷輥。采用毛刷輥傳送既能實現(xiàn)毛刷輥本身的傳送作用,又能使平貝母通過和毛輥的摩擦達到更好的清洗效果。

毛刷材料選用PA1010材料,和PBT、PA610、PP等刷絲材料相比,它在不同溫度下都具有比較好的沖擊性能,同時它還具有表面硬度比較大、抗疲勞輕度較高、重量較輕等優(yōu)點,同時沒有毒性且耐細菌腐蝕與蟲蝕,價格低廉,性價比高[11],見圖5。

圖5 毛刷輥

由于清洗機在工作時,毛刷輥與平貝母之間的摩擦對清洗效果具有非常大的影響,因此毛刷輥尺寸選擇合適與否非常重要。如果毛刷輥太小,那么平貝母與毛輥的接觸面積太小,會導致平貝母在清洗的時候不易滾動,導致清洗效果差;如果毛刷輥太大,會導致相對較小的平貝母卡在兩個毛輥之間不易向前傳送,也會影響平貝母的清洗效果。綜合考慮平貝母尺寸及清洗效果,確定毛刷輥長度:1 180 mm;毛輥外徑:φ110 mm。

平貝母鱗莖清洗過程中,主要利用毛刷輥與平貝母之間相對運動的摩擦來實現(xiàn)清洗去污,如果毛刷輥的組數(shù)太少,清洗效果不佳,達不到應到的清洗效果;如果毛輥的組數(shù)太多,就會加大平貝母在毛輥上的運動距離,平貝母表面的破損率會增加,也會降低清洗效率。經(jīng)分析,選擇毛輥組數(shù)為26。

2.2.2 毛刷輥軸的設計

已知該軸傳遞功率P=3 kW,轉(zhuǎn)速n2=30 r·min-1。

初估軸的最小直徑。

軸的材料選用45鋼,調(diào)質(zhì)處理,查表得強度極限σb=640 MPa。查表,取C=103,則軸的最小直徑:

所求d應為受扭部分的最細處,即裝鏈輪(Z3=18)處的軸徑。但因該處有一個鍵槽,故軸徑應增大4%,即dmin=1.04×47.69 mm≈49.6 mm,則取第一段軸徑為50 mm。

根據(jù)相關設計標準和標準件(鍵、軸承、軸承座、聯(lián)軸器)的選用原則,決定設計階梯軸。

軸徑由左及右的變化為:軸徑最小的地方φ50 mm(鏈輪孔徑φ50 mm)→φ55 mm(UCFLU211內(nèi)徑φ55 mm)→φ55 mm(軸肩)→φ55 mm(UCFLU211內(nèi)徑φ55 mm)→φ50 mm(鏈輪孔徑φ50 mm)。

各軸段長度。

φ50 mm軸段,取此軸段長度64 mm;

φ55 mm軸段,取此軸段長度65 mm;

φ60 mm軸段,取此軸段長度1 190 mm;

軸的各部分通過平鍵與軸的圓周定位連接。從機械設計手冊中,可確定b×h=14×9,長度L=64 mm。

毛刷輥軸如圖6所示。

圖6 毛刷輥軸

3 基于 ANSYS的的零件強度有限元分析

3.1 毛刷輥主動軸的仿真模型

平貝母清洗過程中,毛刷輥主動軸會受到較大應力作用,因此要求毛刷輥主動軸具有較高的塑性和強度。毛刷輥主動軸材料選用45鋼,材料的力學性能見表1。

表1 45鋼的力學性能表

設定其模型類型為線性、彈性及各項同性,抗拉強度、屈服極限、彈性模量、泊松比見表1。對模型進行網(wǎng)格劃分,選取毛刷輥主動軸圓柱體形式建立模型,每個單元網(wǎng)格大小取 4×10-3m,三角刀邊緣尺寸最小取 2×10-3m。劃分結(jié)果如圖7所示。

圖7 模型網(wǎng)格劃分

對模型進行靜力學分析,將毛刷輥主動軸與軸承座安裝位置設為支撐約束,設置載荷為1 000 N,轉(zhuǎn)速為30 r/min,如圖8所示。

圖8 支撐約束

3.2 結(jié)果及分析

(1)彈性形變。由彈性應變云圖(見圖9)可知:載荷設置為1 000 N的情況下,毛刷輥主動軸最大彈性形變值為4.68×10-5m,最小彈性形變值為7.85×10-6m。由此可見,清洗機工作過程中,毛刷輥主動軸所受設定最大應力的情況下,毛刷輥主動軸軸體發(fā)生彈性形變微乎其微,不會對毛刷輥整體結(jié)構(gòu)及性能造成影響。

圖9 形變云圖

(2)最大剪應力分析。由剪應力云圖(見圖10)可知:載荷設置為1 000 N,轉(zhuǎn)速為30 r/min的情況下,毛刷輥主動軸承受最大應力值為1.159 9×107Pa,承受最小應力值為18.235 Pa。45鋼的屈服強度為3.55×108Pa,毛刷輥主動軸軸體在最大阻力作用下的應力值小于材料的屈服強度,符合機械作業(yè)要求。

圖10 剪應力云圖

(3)總應力分析。毛刷輥主動軸的總形變是指在作業(yè)狀態(tài)下,毛刷輥在清洗、傳送平貝母過程,在所傳遞的平貝母重量以及噴頭噴水壓力的共同作用下發(fā)生的總體變形情況。由總變形云圖(見圖11)可知:毛刷輥主動軸在最大設定最大載荷狀態(tài)下,所受最大主應力為1.438 6×107Pa。毛刷輥主動軸軸體在最大阻力作用下的應力值小于材料的極限強度,符合機械作業(yè)要求。

圖11 主應力云圖

4 結(jié)論

毛刷輥噴淋式平貝母清洗機設計的依據(jù)是平貝母清洗農(nóng)藝要求及清洗工序,使用 CATIA、ANSYS-Workbench 等軟件著重對清洗機關鍵零部件進行了設計仿真,能夠簡單明了地體現(xiàn)毛刷輥噴淋式平貝母清洗機關鍵部件及整機結(jié)構(gòu)。毛刷輥噴淋式平貝母清洗機能夠滿足平貝母產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模的流水線清洗作業(yè),實現(xiàn)了平貝母清洗機械化,降低了人工成本,減輕了工人的勞動強度,提高了平貝母清洗精度,降低了平貝母鱗莖清洗過程中的碰撞損傷,易于工人操作,與傳統(tǒng)人工清洗相比,清洗效率高、節(jié)約能源、保護環(huán)境。本研究利用CATIA軟件對清洗機關鍵部件進行三維建模,運用 ANSYS-Workbench仿真軟件對毛刷輥軸進行有限元分析,得出形變云圖和應力云圖,與所選材料的屈服強度進行對比,驗證了毛刷輥軸結(jié)構(gòu)設計以及材料選用的合理性。本研究設計的毛刷輥噴淋式平貝母清洗機在人工操作下能夠?qū)崿F(xiàn)對平貝母的清洗,減輕操作人員的工作強度,為平貝母產(chǎn)業(yè)向機械化、自動化發(fā)展提供了參考。

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