移動式組合圓筒清理篩的結(jié)構(gòu)設計及其強度分析

高偌霖，王明旭，2，符 記，晏 麗，李永祥

(1.河南工業(yè)大學 機電工程學院，鄭州 450001； 2.小麥和玉米深加工國家工程實驗室，鄭州 450001)

隨著我國油料工業(yè)的發(fā)展，人們對油料作物深加工產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，而油料作物含雜是影響其品質(zhì)的關(guān)鍵因素[1]。若雜質(zhì)隨油料作物一起加工，雜質(zhì)的存在將會使油脂產(chǎn)品純度降低、灰分提高，造成油脂產(chǎn)品質(zhì)量降低[2-3]。在油料作物加工前期，由于受到收割方式、晾曬場地、運輸裝卸、收獲機與清理機無法有機結(jié)合等因素的影響，油料作物含雜率遠高于國家標準的規(guī)定值[4]。

國外現(xiàn)有清理設備有Westrup LA-LS風篩清選機、Westrup LA-K比重清選機、肖邦NSP清理除雜機、肖邦QuatuorⅡ全自動除雜清理分級機、Carter-Day清理除雜機、德國Labofix小型清理分級機等[5]，雖然種類較多，但功能普遍相對單一，集成度不高，特別是國內(nèi)的小型油料作物專用清理設備生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品很少，難以滿足生產(chǎn)企業(yè)的需要。從市場發(fā)展和國外著名企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的趨勢來看，清理設備應由單機向組合機方向發(fā)展[6-7]，將風、篩、比重單機優(yōu)化組合，實現(xiàn)機械自動化和多功能化[8-9]，綜合考慮清理機工作環(huán)境、能源消耗等問題，結(jié)合糧食機械的發(fā)展方向，循環(huán)風式組合多功能清理篩將成為新的發(fā)展方向[10]。國外諸如雷諾、波通等品質(zhì)分析儀器設備企業(yè)、國內(nèi)各油脂企業(yè)對清理設備有一定的需求量，所以小型、與油料作物收獲機有機結(jié)合、確保油料作物收獲后直接得到清理的組合式清理篩的研究和設計是一個亟待解決的問題。

本文擬采用集成與模塊化設計的方法，通過對斗式提升機、圓筒清理篩等設備的有機整合，以期獲得可以與大豆等油料作物收獲機結(jié)合工作并且實現(xiàn)糧食產(chǎn)后的加工、儲藏環(huán)節(jié)全程不落地，解決糧食收獲后含雜率偏高、雜質(zhì)多樣不能滿足儲藏和加工要求問題的一種移動式組合圓筒清理篩。

1 移動式組合圓筒清理篩的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 移動式組合圓筒清理篩的結(jié)構(gòu)

移動式組合圓筒清理篩的結(jié)構(gòu)主要包括斗式提升機、多層圓筒清理篩、風機、旋風除塵器、風網(wǎng)管道和移動機架。移動式組合圓筒清理篩結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 移動式組合圓筒清理篩結(jié)構(gòu)

1.1.1 斗式提升機

斗式提升機主要由機頭、機筒、機座、傳動裝置、螺旋張緊裝置、畚斗帶和畚斗等部分組成。進料口設計成專用大口進糧斗，保證移動式組合圓筒清理篩勻速提料。

(1)機頭。由驅(qū)動頭輪、傳動機構(gòu)、逆止器、機頭外殼和可調(diào)回流淌板等組成。機頭外殼設有觀察窗，以便觀察調(diào)整回流淌板的位置，防止物料回流。驅(qū)動頭輪采用覆膠輪，頭輪軸裝有雙列球面滾子軸承，并配有軸承座高度調(diào)節(jié)墊片，以保證水平面的平行度要求。

(2)機筒。由鋼板采用咬邊結(jié)構(gòu)，以增強機筒剛性和密封性。機筒兩端焊有聯(lián)接法蘭，各段法蘭之間加密封墊，當用螺栓緊固后可保證機殼的密封性能。檢修機筒有螺栓聯(lián)接兩邊均可拆開檢修，檢修方便。

(3)機座。由張緊底輪、螺旋張緊裝置、機座外殼和進料口等組成。底輪軸通過兩個支座安裝在張緊裝置的滑板上。

(4)傳動裝置。由電機、減速器及尼龍柱銷聯(lián)軸器來傳動頭輪軸。

(5)螺旋張緊裝置。為螺桿式結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)動螺桿而帶動底輪軸的上下移動，從而使畚斗帶的松緊度及跑偏現(xiàn)象得到調(diào)整。

(6)畚斗帶。畚斗帶為提升機的牽引構(gòu)件，環(huán)繞于頭輪和底輪之間，畚斗按一定距離固定在畚斗帶上，用外殼將畚斗帶密封起來。

1.1.2 多層圓筒清理篩

多層圓筒清理篩的結(jié)構(gòu)主要由傳動機構(gòu)、篩筒、機體、篩面清理機構(gòu)、吸風口等結(jié)構(gòu)組成。

(1)傳動機構(gòu)。主要由減速機、鏈輪、鏈條、十字軸式萬向聯(lián)軸器及托輪組成。

(2)篩筒。由篩架、篩板及導向葉片組成；篩筒的轉(zhuǎn)動通過十字軸式萬向聯(lián)軸器和托輪完成；篩筒角度的調(diào)整通過調(diào)節(jié)托輪間距實現(xiàn)。

(3)機體。由框架、側(cè)封門、端封門和邊、中立柱組成；框架是用鋼板折彎焊接而成，其中一側(cè)的中立柱通過螺栓與框架連接在一起，其目的是便于拆卸篩筒；側(cè)、端封門的密封采用箱式貨車的密封式，外形美觀、密封性能好。

(4)篩面清理機構(gòu)。由刷帚和刷架組成。刷帚是用通過化學藥劑處理后的鵝毛筒編制而成，經(jīng)處理后的鵝毛筒耐磨而不易折斷；刷帚裝在可調(diào)的刷架內(nèi)，通過調(diào)整刷架可使刷帚和篩面有效地接觸從而清理堵塞在篩孔上的物料及雜質(zhì)，保證篩孔的通暢。

(5)吸風口[11]。吸風口在機體頂蓋的中部，其作用是吸走部分飛揚在機體內(nèi)的灰塵和輕雜質(zhì)，同時機內(nèi)形成負壓，抑制粉塵外揚。

1.1.3 風機

風機位于旋風除塵器的后方，主要由風輪、機殼和電機組成。對篩子進行吸風，抽走一部分輕雜及粉塵，并使之體內(nèi)形成負壓，防止粉塵外揚。

1.1.4 旋風除塵器及風網(wǎng)管道

旋風除塵器[12]采用下旋55型除塵器沉降風機吸出輕雜及粉塵，除塵效果好。

1.1.5 移動機架

機架下方四角設置有行走輪，其中兩只為萬向輪，方便該機組的牽引與移動。

1.2 移動式組合圓筒清理篩的工作原理

油料作物從收獲機的排料斗直接落入斗式提升機的接料斗，然后勻速提至圓筒清理篩的進料口，通過布筒進入喂料箱的散料板上，錐形漏斗可以旋轉(zhuǎn)使得物料正確地落在散料板中間，進料箱隨著篩體的振動，物料均勻地撒在進料箱底板上，并沿底板流到整個篩面，若進料在整個進料箱底板上不均勻，調(diào)節(jié)分料板使喂料達到理想狀態(tài)。

在喂料箱與篩面的聯(lián)接處安裝了一個壓力門，可使物料流均勻分散成同一高度，物料通過壓力門后布滿第一層篩面，第一層篩面的篩下物落到第二層篩面上，篩上物(大雜)由旁邊的出料口導出。第二層篩面的篩下物(小雜)落到底板上，從位于中部的出料口導出。第二層篩面的篩上物經(jīng)過壓力門導出到垂直吸風分離器進行風選。垂直吸風道可通過調(diào)節(jié)手柄使風門板旋轉(zhuǎn)至合適位置，達到最佳分離狀態(tài)。一部分輕質(zhì)雜質(zhì)及部分灰塵則由風機吸走，經(jīng)過旋風除塵器沉降后排出。

2 移動式組合圓筒清理篩結(jié)構(gòu)靜力學分析

對移動式組合圓筒清理篩結(jié)構(gòu)在重力加速度作用下的靜力進行了計算，獲得了板材厚度在5 mm時的應力云圖。最大應力值為108 MPa。最大應力的位置如圖2所示的支撐圓筒篩的支撐，建議此處板的厚度取10 mm。同時方便時增加加強筋。

圖2 靜力作用下的應力云圖

3 移動式組合圓筒清理篩結(jié)構(gòu)動力學分析

根據(jù)實際建立有限元分析模型如圖3所示，共劃分46 282個單元，22 872個節(jié)點。定義材料屬性，彈性模量2.1E11，密度7 800 kg/m3，泊松比0.3，板材厚度取5 mm。

圖3 移動式組合圓筒清理篩的有限元分析模型

計算獲得的前12階模態(tài)及應力云圖如圖4～圖15所示。表1為該移動式組合圓筒清理篩前12階模態(tài)頻率及最大應力值。

圖4 移動式組合圓筒清理篩的第一階模態(tài)

圖5 移動式組合圓筒清理篩的第二階模態(tài)

圖6 移動式組合圓筒清理篩的第三階模態(tài)

圖7 移動式組合圓筒清理篩的第四階模態(tài)

圖8 移動式組合圓筒清理篩的第五階模態(tài)

圖9 移動式組合圓筒清理篩的第六階模態(tài)

圖10 移動式組合圓筒清理篩的第七階模態(tài)

圖11 移動式組合圓筒清理篩的第八階模態(tài)

圖12 移動式組合圓筒清理篩的第九階模態(tài)

圖13 移動式組合圓筒清理篩的第十階模態(tài)

圖14 移動式組合圓筒清理篩的第十一階模態(tài)

圖15 移動式組合圓筒清理篩的第十二階模態(tài)

模態(tài)階數(shù)頻率/Hz最大應力/MPa模態(tài)階數(shù)頻率/Hz最大應力/MPa第一階02.7735.5第七階 29.09102.0第二階02.8321.8第八階 29.25049.9第三階06.1367.8第九階 32.92087.3第四階07.7970.2第十階 34.24072.5第五階17.8955.8第十一階35.23183.0第六階21.6353.7第十二階39.29167.0

由表1知，結(jié)構(gòu)發(fā)生的最大應力值為183 MPa。結(jié)構(gòu)所選用的材料為Q235，能夠滿足要求，應力發(fā)生最大位置、集中位置分別為圖16、圖17所顯示位置，即剎克龍與圓筒清理篩支撐件連接位置、剎克龍彎管與下端連接位置，該部分設計時，需進行加強，建議增加加強筋。另一處應力集中位置在斗式提升機卸料與圓筒清理篩銜接位置，如圖18所示，建議設計時需要局部加強。移動式組合圓筒清理篩的4個支撐立柱是產(chǎn)生應力集中的位置，建議局部加強，建議4個支撐的設計厚度應在8～10 mm。

圖16 應力最大位置

圖17 應力集中位置

圖18 應力集中位置

板材厚度取10 mm時的各階模態(tài)應力及頻率見表2。

表2 板材厚度取10 mm時的各階模態(tài)應力及頻率

由表2知，增加板材厚度，使得結(jié)構(gòu)最大應力明顯降低，但提高了結(jié)構(gòu)的固有頻率。因此，建議僅在結(jié)構(gòu)應力集中的位置做加強支撐，提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞特性。

4 結(jié) 論

(1)通過對清理篩的工作原理分析、結(jié)構(gòu)設計以及對現(xiàn)有成熟設備的優(yōu)化組合，設計開發(fā)了一種用于大豆等油料作物初清的移動式組合圓筒清理篩，其將配合油料作物收割機提高油料作物收獲的效率，達到油料作物產(chǎn)后加工、儲藏環(huán)節(jié)全程不落地的目的，進而提高油料作物收獲后的純凈度以滿足儲藏和加工要求。解決了目前大豆等油料作物產(chǎn)后由于缺少相關(guān)清理設備與收獲機的有機結(jié)合，使得生產(chǎn)和倉儲企業(yè)需要二次清理，造成大量不必要的人力和物力浪費的突出問題。

(2)通過對移動式組合圓筒清理篩的結(jié)構(gòu)動力學模態(tài)分析，得到了結(jié)構(gòu)應力集中的位置以及結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，支撐組合清理篩的4個支撐立柱是產(chǎn)生應力集中的位置，通過局部加強，4個支撐的設計厚度應在8～10 mm以優(yōu)化薄弱環(huán)節(jié)。