劉航波，鄭甲紅，馬浩然

（1.陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021；2.中儲糧成都儲藏研究院有限公司，四川 成都 610000）

中國人口基數(shù)大，國際糧食競爭日趨激烈，糧食安全儲藏關(guān)系國家命脈。國家對糧食安全儲藏也提出了高要求[1-2]。在儲糧過程中，雜質(zhì)的處理尤為重要。一是部分糧食雜質(zhì)含水量高而存在微生物和蟲卵，容易引起儲糧生蟲、發(fā)熱，影響儲糧安全。二是國家進(jìn)口大豆、進(jìn)口玉米數(shù)量逐年增加，進(jìn)口糧食需要對微生物進(jìn)行嚴(yán)格控制，因此不能隨意焚燒、用作飼料，從而增加了對雜質(zhì)的保管難度。在糧食倉儲管理的過程中，對倉儲糧食的除雜、通風(fēng)、除蟲等是必不可少的重要環(huán)節(jié)[3]。目前，對糧食雜質(zhì)清理設(shè)備清理出的糧食雜質(zhì)（按成分分為：有機雜質(zhì)，一般是生長中的殼、皮、霉變粒、雜草種子等雜質(zhì)；無機雜質(zhì)，一般是收割加工、儲存過程中混入的土顆粒、石頭、沙子等礦物質(zhì)。雜質(zhì)的特點就是不是該糧食或無食用價值的該糧食[4]。）存在堆放體積大、粉塵飛揚、二次污染、蟲害滅殺、微生物失活處理等問題，所以對于篩分雜質(zhì)的后續(xù)處理，一直是比較頭疼的問題[5]。并且根據(jù)中儲糧進(jìn)口糧食管理要求，儲存的糧食及雜質(zhì)不得隨意處理，以防止進(jìn)口糧食雜質(zhì)中的外來物種對環(huán)境產(chǎn)生危害。目前，市場上還沒有專門應(yīng)用于糧食雜質(zhì)壓縮處理的成型設(shè)備，為解決以上問題，提出了開發(fā)糧食雜質(zhì)壓塊設(shè)備。糧食雜質(zhì)壓縮后，解決了保管難度問題，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境并且使其解決了糧庫雜質(zhì)占地面積過大等問題。所以對雜質(zhì)資源化處理設(shè)備進(jìn)行研究開發(fā)尤其重要，而雜質(zhì)資源化處理設(shè)備的壓頭是其中關(guān)鍵的零件之一，因此通過ANSYS 對設(shè)計的壓頭進(jìn)行靜應(yīng)力分析從而設(shè)計出能夠?qū)Χ喾N雜質(zhì)進(jìn)行高效率壓縮、結(jié)構(gòu)強度高、成本低并且設(shè)計合理的壓頭，該結(jié)構(gòu)的壓頭能很大程度地提高雜質(zhì)的密實度，進(jìn)而提高雜質(zhì)資源處理設(shè)備的處理效率，在此基礎(chǔ)上對壓頭進(jìn)行模態(tài)固有頻率的仿真分析，避免因為共振對壓頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損壞。

1 雜質(zhì)資源化處理設(shè)備的推壓機構(gòu)

1.1 雜質(zhì)資源化處理設(shè)備機構(gòu)簡介

雜質(zhì)資源化處理設(shè)備主要由上料機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)送料機構(gòu)、可變螺距旋壓機構(gòu)、壓塊機構(gòu)及出料收集機構(gòu)5部分組成，其中由上料機構(gòu)進(jìn)行雜質(zhì)的輸送，進(jìn)入可變螺距旋壓機構(gòu)對雜質(zhì)的型腔進(jìn)行初次壓縮和充料，擠掉多余空氣并保證在進(jìn)行下一步壓塊時雜質(zhì)上表面平整，型腔經(jīng)過旋壓充料后旋轉(zhuǎn)送料機構(gòu)把該型腔送至壓塊機構(gòu)下進(jìn)行壓塊，最終經(jīng)過出料收集裝置將其集中起來保管，本文旨在對壓塊機構(gòu)中的壓頭設(shè)計進(jìn)行分析改進(jìn)。

雜質(zhì)資源化處理設(shè)備的壓塊機構(gòu)包括壓頭、壓缸、液壓系統(tǒng)。壓塊機構(gòu)的功能是對傾倒入型腔中的松散雜質(zhì)進(jìn)行壓塊處理。在壓塊機構(gòu)中，最關(guān)鍵的零部件為壓頭，壓頭的結(jié)構(gòu)及其強度決定了整個設(shè)備在進(jìn)行壓塊時的效率，因此對其進(jìn)行理論與結(jié)構(gòu)分析，檢驗工作過程中雜質(zhì)對壓頭的作用力情況，并適當(dāng)對其結(jié)構(gòu)作出優(yōu)化。

在雜質(zhì)資源化處理設(shè)備四角設(shè)置柱體導(dǎo)向桿，保證壓頭與型腔之間的相對位置精度在誤差范圍內(nèi)。導(dǎo)向桿在整個設(shè)備中起到對壓頭的路徑引導(dǎo)及約束作用，使壓頭能夠在導(dǎo)軌的約束下進(jìn)行無誤差的精準(zhǔn)運動。型腔與壓頭之間形成一定大小的密閉壓縮腔，未處理的松散雜質(zhì)在壓縮腔和壓頭的共同作用下被壓縮成與壓縮腔形狀一致的高密度物料。

1.2 壓頭設(shè)計

目前，大部分的加工廠在壓頭的選擇上均采用普通壓頭，如圖1 所示，它具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、制作材料成本低廉等優(yōu)點，但由于雜質(zhì)在型腔內(nèi)并不是一個平整的面，存在高低不同的坡度，使得平壓頭開始壓縮時受力不均勻，經(jīng)過一段時間的使用，就會產(chǎn)生疲勞斷裂，壓力過大會產(chǎn)生肉眼可見的屈服變形。

圖1 普通平壓頭

為了解決普通平壓頭在高強度工作下產(chǎn)生應(yīng)力形變的問題，本文結(jié)合平壓頭的優(yōu)點并加以改進(jìn)，改進(jìn)后的壓頭如圖2 所示，由柱形壓塊、導(dǎo)向鋼板、側(cè)鋼板、加強筋、液壓缸支座組成。其中柱形壓塊與導(dǎo)向鋼板焊接而成，導(dǎo)向鋼板保證了柱形壓塊受力偏轉(zhuǎn)問題。通過靜力學(xué)分析壓頭的優(yōu)缺點并進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 壓頭

2 壓頭的靜力學(xué)分析

2.1 導(dǎo)入壓頭三維模型并劃分網(wǎng)格

首先使用Sоl(xiāng)idWоrks 建立壓頭的三維模型并導(dǎo)入ANSYS Wоrkbеnсh，壓頭選取的材料是Q235 碳素鋼，其材料基本屬性設(shè)置為：泊松比為0.3，彈性模量為2.06×1011Pа、密度為7 800 kg/m3[6]。正反兩面壓頭結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 正反兩面壓頭結(jié)構(gòu)

將壓頭的模型導(dǎo)入ANSYS Wоrkbеnсh 后，對壓頭基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，為了提高計算精度得到更加符合實際結(jié)果的數(shù)據(jù)，所以在ANSYS Wоrkbеnсh 自動劃分網(wǎng)格和手動劃分網(wǎng)格的形式下，采用手動劃分網(wǎng)格并整體使用精度高的7 mm 四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在可能的危險截面液壓缸支座插銷截面及上下鋼表面使用更加細(xì)致的3 mm 網(wǎng)格劃分，其結(jié)果如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 施加約束與載荷

壓頭被液壓缸驅(qū)動并跟隨導(dǎo)向桿做水平運動。在工作過程中，液壓缸的推力最終作用在銷軸孔與銷接觸的圓柱面上，形成一個接觸角[6]。壓頭所受液壓缸的載荷均勻分布在圓柱孔的曲面上，在接觸角進(jìn)行變化時，孔附近的載荷會隨之變化。120°?180°為接觸角的浮動范圍。本文選擇180°的接觸角。壓頭所受液壓缸推力的方向是豎直向下的，所以在垂直壓頭方向形成180°接觸角。此外，導(dǎo)向孔對壓頭起定位、約束作用，導(dǎo)向桿與壓頭導(dǎo)向孔圓柱面所接觸部分為工作區(qū)域。

添加約束：將固定約束設(shè)置在液壓缸與壓頭所接觸的圓柱面上；將壓頭與導(dǎo)向桿所接觸的圓柱面除豎直方向外均進(jìn)行固定約束，與導(dǎo)向桿平行的方向設(shè)為自由約束。

施加載荷：雜質(zhì)對壓頭的反作用力與液壓缸對壓頭的推力呈現(xiàn)作用力與反作用力，因此其大小相同方向相反，已知液壓缸600 kN，壓頭受到均布載荷為q，根據(jù)壓強公式得出式（1）：

式（1）中：F為推力；S為受力面積；r為壓頭柱形壓塊截面半徑。

根據(jù)計算，得在壓頭柱形壓塊端面施加均布載荷0.191 MPа。

2.3 壓頭靜力學(xué)分析

進(jìn)行靜應(yīng)力分析得到的應(yīng)力、應(yīng)變、總位移、Y軸位移云圖，如圖5—圖8 所示。由壓頭分析應(yīng)力圖可知，壓頭的最大應(yīng)力為243.98 MPа。最大應(yīng)力發(fā)生在壓頭與液壓缸所連接孔位周圍，由上文可知壓頭材料為Q235 鋼，其強度極限為375～460 MPа，屈服極限為185～235 MPа，壓頭所受載荷的最大應(yīng)力高于屈服極限，因此該壓頭不滿足安全條件。由壓頭的應(yīng)變云圖可知，壓頭在進(jìn)行雜質(zhì)處理過程中，產(chǎn)生的最大變形為1.2×10-3，變形主要發(fā)生在壓頭與液壓缸連接孔處，連接孔與壓頭焊接處產(chǎn)生最大變形，與此同時，與雜質(zhì)接觸部位的應(yīng)變也偏大，該部位要采用合理的加工工藝，避免相對應(yīng)力集中產(chǎn)生的高強度載荷。由總位移圖和Y軸位移圖所顯示的數(shù)據(jù)可得，最大位移形變發(fā)生在壓頭和前后固定板上，根據(jù)總位移圖和Y軸位移圖，與雜質(zhì)所接觸面位移量為0.066 mm，前后固定板位移量為0.038 mm，產(chǎn)生肉眼可見變形。

圖5 應(yīng)力圖

圖6 應(yīng)變圖

圖7 總位移圖

圖8 Y 軸位移圖

2.4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析

在原設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行加強筋及液壓支座改進(jìn)，增加側(cè)面加強筋和液壓支座理論上的承受面積。優(yōu)化后壓頭如圖9 所示。優(yōu)化后的壓頭分析應(yīng)力圖、應(yīng)變圖、總位移圖、Y軸位移圖如圖10—圖13 所示。

圖9 優(yōu)化后壓頭

圖10 優(yōu)化后的壓頭應(yīng)力圖

圖12 優(yōu)化后的壓頭總位移圖

圖13 優(yōu)化后的壓頭Y 軸位移圖

由優(yōu)化后的壓頭分析應(yīng)力圖可知，壓頭的最大應(yīng)力變?yōu)?69.7 MPа。由應(yīng)變圖所仿真的結(jié)果得，在壓頭進(jìn)行壓塊過程中，壓頭所產(chǎn)生的最大變形減小至0.9×10-3。分析總位移圖和Y軸位移圖可知，圓壓頭的最大位移減小到0.045 mm，根據(jù)Y軸位移圖前后對比，擋板位移量減小到0.003 mm。優(yōu)化后壓頭最大應(yīng)變小于材料屈服力235 MPа，變形縮小到可承受范圍，增加了壓頭的使用壽命。

2.5 靜應(yīng)力分析結(jié)果

改進(jìn)前在液壓缸對壓頭進(jìn)行作用力時，活塞桿所連接的地方應(yīng)力比較集中，容易產(chǎn)生斷裂，改進(jìn)后增大了與活塞連桿的接觸面積，避免了因變形較大而影響推壓頭的性能和壽命。

壓頭側(cè)面因擠壓產(chǎn)生向外的變形，因此在優(yōu)化后，對側(cè)面進(jìn)行加強筋的設(shè)計使得側(cè)面板變形減小，整體壓頭強度增強，壽命延長。

通過對壓頭的優(yōu)化進(jìn)行分析，優(yōu)化后的壓頭強度有很大的提升，在使用壽命方面也比之前的壓頭耐用，因此通過分析可以看出，優(yōu)化后的壓頭更加符合使用條件。

2.6 模態(tài)下固有頻率分析

在壓頭進(jìn)行工作過程中會產(chǎn)生各種形式的振動，因此各階次振型下的固有頻率都有可能與工作中的壓頭產(chǎn)生共振，故此將模態(tài)分析擴展到十二階。由有限元計算得到壓頭的固有頻率與振型之間的關(guān)系如表1所示。十二階振型條形圖如圖14 所示。

由表1 和圖14 可以清楚地看出，壓頭模態(tài)的固有頻率在振型逐漸增大的情況下也出現(xiàn)逐漸增加的效果。原因是在階次升高時，能量隨著階次升高而逐漸減弱，由能量激發(fā)的高階振動載荷也逐漸減小，節(jié)點數(shù)在高階振動中偏多，振動被激發(fā)的概率渺茫。因此壓頭在一階振型的固有頻率中處于最小位置。

表1 十二模態(tài)階固有頻率

圖14 十二階振型條形圖

3 結(jié)束語

本文對雜質(zhì)資源化處理設(shè)備中的零件壓頭在使用方式及高強度工作下進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化。壓頭結(jié)構(gòu)通過Sоl(xiāng)idWоrks 進(jìn)行三維建模，緊接著將模型導(dǎo)入ANSYS Wоrkbеnсh 仿真軟件中，并進(jìn)行模擬靜態(tài)力學(xué)及各階固有頻率分析，得出應(yīng)力圖、應(yīng)變圖、位移圖及Y軸位移圖和固有頻率數(shù)值曲線圖，對壓頭的最大應(yīng)力、變形量等進(jìn)行求解，并將求解后的應(yīng)力、應(yīng)變、位移圖進(jìn)行解讀分析并對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其滿足許用應(yīng)力及位移條件，最終優(yōu)化出一種滿足使用要求的壓頭模型，同時也為雜質(zhì)資源化處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。