平貝母清洗機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析

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(shù)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(guān)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(shù)之一。

本研究從林藥平貝母清洗設(shè)備的現(xiàn)狀出發(fā)，通過調(diào)研，設(shè)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(shè)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(shè)計成傾斜狀態(tài)，有助于水流流動，水流槽和儲水箱之間設(shè)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(shè)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(shù)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(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部位設(shè)計

2.1 傳動方案的設(shè)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(shè)計

2.2.1 毛刷輥的設(shè)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(shè)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(guān)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)為支撐約束，設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)鍵零部件進行了設(shè)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(guān)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(guān)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(shè)計以及材料選用的合理性。本研究設(shè)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。