甘蔗壓榨機(jī)壓榨輥的強(qiáng)度研究
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
高東強(qiáng)，張志勇
陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院(西安710021)
摘要壓榨輥是甘蔗壓榨機(jī)的重要部件和基礎(chǔ)部件之一。強(qiáng)度是影響壓榨性能的非常重要的因素。根據(jù)壓榨輥的工作特性及其材料屬性的要求，對(duì)壓榨輥進(jìn)行理論受力分析，通過(guò)在不同壓力比工作狀態(tài)下的情況，求出壓榨輥具體所受的壓力值，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，最終確定了整個(gè)壓榨輥的應(yīng)力和變形分布情況。最后，對(duì)壓榨輥有限元分析的后處理結(jié)果進(jìn)行了理論分析，確定在正常的工況下壓榨輥強(qiáng)度完全滿足工作要求。并得出壓榨輥的應(yīng)力和變形隨壓力比變化的變化規(guī)律。
關(guān)鍵詞甘蔗壓榨機(jī)；強(qiáng)度；壓力比；有限元分析
食糖是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要產(chǎn)品，既是人民生活的必需品，又是食品工業(yè)的基本原材料。甘蔗制糖分為原料供給階段，預(yù)處理階段，精煉階段。預(yù)處理階段最重要的部分就是壓榨工段，壓榨機(jī)是壓榨工段最重要的設(shè)備。
甘蔗壓榨法提汁，至今已歷經(jīng)200多年，壓榨法提汁技術(shù)不斷發(fā)展，從原始的兩輥壓榨機(jī)，逐步演變成三輥、四輥、五輥和六輥壓榨機(jī)，形成現(xiàn)代提汁技術(shù)設(shè)備。但是無(wú)論是三輥還是多輥壓榨機(jī)都離不開(kāi)原來(lái)傳統(tǒng)三輥壓榨機(jī)的原型。
壓榨輥是壓榨提汁中非常重要的部分，由于壓榨輥在工作時(shí)受力較大，并且壓榨輥的失效直接影響著壓榨機(jī)的工作性能，所以對(duì)壓榨輥進(jìn)行受力及強(qiáng)度分析非常重要。
1 甘蔗壓榨機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理
甘蔗壓榨機(jī)是甘蔗糖廠中提取蔗汁的主要設(shè)備，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、壓榨輥、三星齒輪、頂蓋、底梳、面梳等部分組成，每個(gè)榨輥軸端裝有傳動(dòng)齒輪，同時(shí)裝有軸承一對(duì)。
壓榨機(jī)的動(dòng)力一般由電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)傳遞到頂輥，再由頂輥的傳遞齒輪將動(dòng)力傳輸?shù)角拜伜秃筝伒凝X輪上，從而帶動(dòng)3個(gè)壓榨輥轉(zhuǎn)動(dòng)。蔗料由頂輥和前輥的開(kāi)口進(jìn)入，在頂輥和前輥的作用下進(jìn)行第一次壓榨，然后經(jīng)過(guò)底梳進(jìn)入頂輥和后輥之間的開(kāi)口，頂輥和后輥對(duì)其進(jìn)行第二次壓榨，蔗料從頂輥和后輥之間排出。蔗汁則流入底座中的汁槽排出。頂輥和后輥均有與齒溝吻合的面梳，以清除殘留在輥面上的蔗渣。頂輥上有液壓頂蓋裝置，保持在壓榨過(guò)程中對(duì)蔗料的穩(wěn)定壓力。
2甘蔗壓榨輥受力分析
甘蔗壓榨的整個(gè)過(guò)程都是在一定的壓力下進(jìn)行的，前輥和后輥的壓力比值為m。假設(shè)油缸總工作壓力P=5 000 k N，前輥對(duì)頂輥所產(chǎn)生的力為F1，后輥對(duì)頂輥所產(chǎn)生的力F2，底梳對(duì)頂輥所產(chǎn)生的力為F3，一般取F3=0.2P，前輥、后輥和底梳對(duì)頂輥產(chǎn)生的壓力的合力為N，其合力與頂輥垂直中線所成的角度為合力角a，壓榨機(jī)的頂角為β=720，底梳對(duì)頂輥產(chǎn)生的力與頂輥垂直中線所成的角度為y=100。作用力分析如圖2所示。
分析得出力的平衡方程式：
甘蔗壓榨機(jī)在壓榨過(guò)程中受力的變化情況為：
當(dāng)甘蔗剛進(jìn)入壓榨機(jī)時(shí)，由于蔗層較薄，頂、前輥開(kāi)口較大，且只受到頂、前輥的壓力，壓榨機(jī)頂輥受力較小，受力幾乎為零，在這種情況下可以忽略受力分析。
當(dāng)蔗層逐漸增厚，形成正常工作狀態(tài)時(shí)，在正常工作狀態(tài)下，進(jìn)料時(shí)蔗層厚度不均勻，經(jīng)常產(chǎn)生厚度的變化，所以壓力比會(huì)隨著蔗層厚度變化，從而引起受力的變化，通過(guò)選取5個(gè)不同壓力比的狀態(tài)，分析壓榨輥的具體受力情況。列出不同壓力比下，F(xiàn)1和F2的變化情況，如表1。
隨著蔗層厚度的變化，壓力比也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，壓榨機(jī)輥齒的側(cè)壓力也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，列出側(cè)壓力的變化，如表2。
當(dāng)蔗層增厚至剛好使頂輥升起時(shí)，其出人口比值達(dá)到最大值，且壓力比達(dá)到最大值，壓力比值達(dá)
3壓榨輥模型的建立與有限元分析
3.1模型簡(jiǎn)化
壓榨輥首先通過(guò)Solid Works進(jìn)行建模，然后通過(guò)Workbench與Solid Works的接口導(dǎo)入到Workbench中，在Workbench中對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將輥殼上的排汁孔簡(jiǎn)化掉，同時(shí)去掉不重要的倒角，將傳動(dòng)端簡(jiǎn)化掉。定義輥套與輥軸的接觸類型為綁定接觸，然后對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在受力集中處將網(wǎng)格調(diào)整的密一些，在其他部位將網(wǎng)格調(diào)整粗一些，然后通過(guò)自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，簡(jiǎn)化后的有限元模型如圖4所示。
3.2定義材料
由于壓榨輥是由輥軸和輥套組成，輥軸材料為45鋼，輥套材料為HT 350。各零件的材料如表3。
3.3對(duì)壓榨輥施加邊界條件
甘蔗壓榨機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，其壓榨輥兩端固定于配套的滑動(dòng)軸承上，由此可知在榨輥軸頸兩端施加兩個(gè)圓柱面約束，將軸向、徑向和切向全部約束。
3.4施加載荷
甘蔗壓榨機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，所壓的蔗渣會(huì)對(duì)榨輥輥齒產(chǎn)生反作用力以及前、后輥會(huì)對(duì)頂輥產(chǎn)生壓力，分別為側(cè)壓力F’n和壓力Fn將這些力等效的加載到38個(gè)輥齒的兩側(cè)面以及輥齒齒頂。
又由于蔗渣在進(jìn)入壓榨機(jī)時(shí)，蔗渣厚度不均勻會(huì)產(chǎn)生前、后輥對(duì)頂輥的壓力比值的變化，從而產(chǎn)生前、后輥對(duì)頂輥壓力的變化和蔗渣對(duì)輥齒側(cè)壓力的變化，所以加載6組不同壓力比所產(chǎn)生的側(cè)壓力和齒頂力。
3.5求解并進(jìn)行后處理分析
通過(guò)求解，分析榨輥整體的變形和應(yīng)力情況，將求解結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出6個(gè)不同壓力比下的壓榨輥輥齒在Z方向的最大變形，其中壓力比值m=1：4時(shí)輥齒在Z向的變形最小，壓力比值m=1：110時(shí)，輥齒在Z方向的變形最大，如圖5和圖6所示。
由圖可知，壓榨輥輥齒Z方向的最大變形處在輥套兩端，其變形值為0.138 mm，產(chǎn)生大變形的原因是輥齒受到蔗渣的單側(cè)壓力產(chǎn)生的，一般輥齒與梳齒的配合間隙為2～3 mm，其變形不會(huì)影響壓榨機(jī)的正常作業(yè)。通過(guò)分析6個(gè)不同壓力比下的壓榨輥應(yīng)力情況，可以得出壓力比值m=1：110時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力最大，圖7為壓榨輥的等效應(yīng)力云圖，其輥套的應(yīng)力最大值發(fā)生在人字溝處，其最大值為157.72 M Pa，輥軸的應(yīng)力最大值發(fā)生在輥套兩端處，其最大值為105.15 M Pa，輥套的抗拉強(qiáng)度為350 M Pa，輥軸的屈服強(qiáng)度為355M Pa，其輥軸和輥套完全滿足強(qiáng)度條件。
通過(guò)對(duì)6組不同壓力比下受力情況的有限元分析，可以得出壓榨輥?zhàn)冃闻c壓力比的變化規(guī)律以及壓榨輥套和輥軸與壓力比的變化規(guī)律，變化規(guī)律如圖8和圖9所示。
通過(guò)分析圖8得出，壓榨輥輥套和輥軸應(yīng)力的變化規(guī)律為，隨著壓力比的減小，壓榨輥輥套和輥軸的應(yīng)力增大。分析圖9可以得出，壓榨輥?zhàn)冃蔚囊?guī)律為，隨著壓力比的減小，壓榨輥的變形增大。
4結(jié)論
1)分析了壓榨輥的受力情況，具體算出了在不同壓力比下壓榨輥受力的大小，以及分析了壓榨輥輥齒的受力情況，算出了相應(yīng)的輥齒側(cè)壓力。
2)通過(guò)Workbench軟件對(duì)壓榨輥進(jìn)行了有限元分析，分析了壓榨輥的應(yīng)力和變形的具體情況，找出了壓榨輥的最大變形值和分布位置以及壓榨輥套和輥軸的最大應(yīng)力，且完全滿足工作要求。
3)通過(guò)分析不同壓力比下的應(yīng)力和變形情況，找出了壓力比與壓榨輥應(yīng)力和變形的變化規(guī)律，即隨著壓力比的減少，應(yīng)力和變形不斷增大。
