一種水糞分離筒體離心風(fēng)干設(shè)施的設(shè)計(jì)及其強(qiáng)度分析

摘 要：近年來(lái)，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，用于農(nóng)村水糞分離回收利用的多種筒體離心風(fēng)干設(shè)施應(yīng)運(yùn)而生。介紹一種新型的水糞分離筒體離心風(fēng)干設(shè)施，其主要包括離心風(fēng)干桶、進(jìn)水管路、轉(zhuǎn)軸、承托層、破碎棒、排水管路和電機(jī)等結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)該設(shè)施的主軸和主體強(qiáng)度進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該設(shè)施的主軸和主體強(qiáng)度都滿(mǎn)足要求，該設(shè)施在使用過(guò)程中安全可靠，可進(jìn)一步推廣使用。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村；水糞分離；筒體離心風(fēng)干設(shè)施；安全可靠；強(qiáng)度分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-7909（2023）03-154-4

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和人們生活水平的提高，美麗鄉(xiāng)村建設(shè)進(jìn)程加快，我國(guó)部分農(nóng)村地區(qū)農(nóng)戶(hù)家里接通了自來(lái)水，也采用了水沖式坐便器，極大地方便了村民的生活。然而，中國(guó)傳統(tǒng)文化中“天人合一”與“物盡其用”的觀念，仍深深影響著村民的日常生活與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。古人們從西周時(shí)就開(kāi)始探索糞便與土地肥力的關(guān)系，戰(zhàn)國(guó)時(shí)已掌握糞便積肥技術(shù)，漢代便有“美糞良田”的說(shuō)法。在現(xiàn)代化的新農(nóng)村，人們?cè)谙硎芨黜?xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來(lái)的便利的同時(shí)，也應(yīng)最大限度地利用好現(xiàn)有資源。因此，農(nóng)村急需一種能夠?qū)⒏鞣N糞污進(jìn)行有效收集利用的裝置，以便為農(nóng)作物的種植提供天然有機(jī)肥，從而幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效［1-3］。筆者以自己設(shè)計(jì)并獲得相關(guān)專(zhuān)利的用于農(nóng)村水糞分離回收利用的筒體離心風(fēng)干設(shè)施為研究對(duì)象，基于Abaqus有限元軟件對(duì)其主軸和主體強(qiáng)度進(jìn)行分析。

1 水糞分離筒體離心風(fēng)干設(shè)施的構(gòu)造和設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)施構(gòu)造

水糞分離筒體離心風(fēng)干設(shè)施是一種用于農(nóng)村糞污收集處理的離心風(fēng)干裝置，主要包括離心風(fēng)干桶、進(jìn)水管路、轉(zhuǎn)軸、承托層、破碎棒、排水管路和電機(jī)等結(jié)構(gòu)。離心風(fēng)干桶頂部與進(jìn)水管路連通，底部與排水管路連通，轉(zhuǎn)軸設(shè)置于離心風(fēng)干桶內(nèi)并與離心風(fēng)干桶的軸線重合，轉(zhuǎn)軸底端伸出離心風(fēng)干桶的底部并與電機(jī)輸出軸連接。離心風(fēng)干桶內(nèi)設(shè)有水平的承托層，承托層上設(shè)有穿過(guò)轉(zhuǎn)軸的軸孔，且承托層上設(shè)有多個(gè)通孔，破碎棒包括連接桿和設(shè)置于連接桿上的破碎部，連接桿的一端與轉(zhuǎn)軸連接，破碎部在承托層上并繞連接桿轉(zhuǎn)動(dòng)。該設(shè)施的具體構(gòu)造如圖1、圖2所示。

1.2 工作原理

水糞分離筒體離心風(fēng)干設(shè)施工作原理如圖3所示。①離心風(fēng)干桶呈圓柱狀，優(yōu)選鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，且框架結(jié)構(gòu)間隙設(shè)置玻璃幕墻，使得離心風(fēng)干桶內(nèi)得到充足的光照。②進(jìn)水管路與離心風(fēng)干桶頂部連通，糞污通過(guò)進(jìn)水管路流入離心風(fēng)干桶。③轉(zhuǎn)軸設(shè)置于離心風(fēng)干桶內(nèi)并與離心風(fēng)干桶的軸線重合，轉(zhuǎn)軸底端伸出離心風(fēng)干桶底面并通過(guò)齒輪與電機(jī)輸出軸連接。④破碎棒包括連接桿和套設(shè)于連接桿上的破碎部，破碎部呈鋸齒狀，連接桿的一端設(shè)置于轉(zhuǎn)軸上，破碎部在承托層上并繞連接桿轉(zhuǎn)動(dòng)，破碎棒隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)離心風(fēng)干桶內(nèi)的糞污轉(zhuǎn)動(dòng)，且破碎部將承托層上的糞污進(jìn)一步破碎，提升固體糞污與水分的分離效果。⑤承托層中心設(shè)有供轉(zhuǎn)軸穿過(guò)的軸孔，且承托層外周與離心風(fēng)干桶內(nèi)側(cè)壁固定連接，承托層表面設(shè)置通孔，通孔用于過(guò)濾糞污中的水分，承托層外周設(shè)置擋板從而將糞污阻攔在承托層內(nèi)，離心后的水分經(jīng)通孔流下，最終經(jīng)由離心風(fēng)干桶底部的排水管路排出，離心風(fēng)干桶頂部設(shè)有通風(fēng)孔，自然通風(fēng)進(jìn)一步帶走固體糞污內(nèi)的水分，再配合充足的光照，從而高效地將承托層上的固體糞污制作成優(yōu)質(zhì)的固態(tài)糞肥。承托層可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的需要設(shè)置多層，并且通孔尺寸自上而下逐漸縮小，通孔在承托層上的分布自上而下逐層由稀疏到密集，每層承托層都配套設(shè)置有破碎棒。設(shè)置多層承托層能夠更好地將糞污中的水分分離，分離后的固體糞污也能得到更為充分的晾干，從而形成優(yōu)質(zhì)的固態(tài)肥料［4-5］。⑥排水管路與離心風(fēng)干桶側(cè)壁底部連通，糞污中被分離出的水分通過(guò)排水管路排出。

為進(jìn)一步提升糞肥的晾曬效率，離心風(fēng)干桶側(cè)壁外設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)。鼓風(fēng)機(jī)將氣流從離心風(fēng)干桶底部輸入，氣流穿過(guò)承托層上設(shè)置的通孔，最終經(jīng)由離心風(fēng)干桶頂部設(shè)置的通風(fēng)孔排出，從而快速晾干固體糞污。

2 水糞分離簡(jiǎn)體離心風(fēng)干設(shè)施的強(qiáng)度校核

2.1 主軸強(qiáng)度校核

根據(jù)此設(shè)計(jì)通風(fēng)機(jī)的軸向尺寸和帶輪的一些基本尺寸，以及機(jī)械零件相互間的結(jié)構(gòu)要求，確定傳動(dòng)主軸的基本尺寸如圖4所示。

該設(shè)施中離心通風(fēng)機(jī)的傳動(dòng)方式為C式傳動(dòng)，在工作中運(yùn)轉(zhuǎn)的傳動(dòng)主軸同時(shí)承受彎矩和轉(zhuǎn)矩的作用。為保證設(shè)施運(yùn)行無(wú)礙，需要計(jì)算出設(shè)計(jì)中傳動(dòng)主軸承受的最大彎矩和轉(zhuǎn)矩，最終計(jì)算出應(yīng)力合成數(shù)值。以下設(shè)計(jì)中所用計(jì)算公式均參考《風(fēng)機(jī)手冊(cè)》［6］。

2.1.1 主軸所受荷載計(jì)算。該裝置中主軸的懸臂端直徑是階梯式變化的。設(shè)計(jì)中為了簡(jiǎn)化，將其看作是直徑相等的軸。估算葉輪質(zhì)量m1=450 kg，帶輪質(zhì)量m2=50 kg，兩軸承支承間軸的質(zhì)量m4=60 kg，葉輪端懸臂軸質(zhì)量m5=22 kg，帶輪端懸臂軸m6=10 kg，帶輪直徑D=0.56 m，g取9.81 N/kg。

葉輪質(zhì)量與不平衡力重力之和計(jì)算公式為

[G1=m1[g+（nK1）2]] （1）

帶輪質(zhì)量與帶拉力重力之和計(jì)算公式為

[G2=m2g+K2][NDn] （2）

兩軸承支承間軸的重力計(jì)算公式為

[G4=m4g] （3）

葉輪端懸臂軸的重力計(jì)算公式為

[G5=m5g] （4）

帶輪端懸臂軸的重力計(jì)算公式為

[G6=m6g] （5）

式（1）～（5）中：n為轉(zhuǎn)速，取950 r/min；K1為傳動(dòng)系數(shù)，取2 135；N為拉力，取37×104 N。將相關(guān)數(shù)值帶入上式中，得G1=4 503.60 N，G2=2 483.08 N，G4=593.36 N，G5=221.37 N，G6=98.28 N。

2.1.2 主軸所受內(nèi)力計(jì)算［6］。傳動(dòng)主軸支撐點(diǎn)A處的反作用力計(jì)算公式為

[FA=（G1+G5）×（L+L1）+G4L4-（G2+G6）×L3L] （6）

傳動(dòng)主軸支撐點(diǎn)B處的反作用力計(jì)算公式為

[FB=G1+G2+G4+G5+G6-FA] （7）

傳動(dòng)主軸截面A上的彎矩計(jì)算公式為

[MA=（G1+G5）×L1] （8）

傳動(dòng)主軸截面B上的彎矩計(jì)算公式為

[MB=（G2+G6）×L2] （9）

AB段軸的扭矩計(jì)算公式為

[MB=λ×Pn] （10）

式（6）～（10）中：P為功率，取37 kW；λ為系數(shù)，取9 551；L1、L2、L4、L為主軸變截面間的長(zhǎng)度（見(jiàn)圖5）。將2.1.1得到的數(shù)據(jù)帶入上式中，得FA=7 081.19 N，F(xiàn)B=818.50 N，MA=1 729.34 N·m，MB=419.47 N·m，Mt=371.99 N·m。

根據(jù)計(jì)算可得扭矩在每個(gè)截面都相同，彎矩在傳動(dòng)主軸截面A支座處最大，Mmax=1 729.34 N·m，如圖5所示。

2.1.3 計(jì)算軸的最大應(yīng)力和材料選用。由圖6可知，最大彎矩發(fā)生在傳動(dòng)主軸A支座處，因此合成最大的應(yīng)力位置同樣在傳動(dòng)主軸A支座處。

傳動(dòng)主軸A支座處的抗彎截面系數(shù)計(jì)算公式為

[W=π32d31] （11）

傳動(dòng)主軸A支座處的彎矩計(jì)算公式為

[Mn=M2max+M2t] （12）

最大應(yīng)力計(jì)算公式為

[σn=MnW] （13）

式（11）中：d1為傳動(dòng)主軸直徑，取0.1 m。將數(shù)據(jù)帶入上式中，得σn=18.02×106 N/m2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，主軸材料最終選用35號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼，屈服點(diǎn)σs=530×106 N/m2，σn[lt;]σs，滿(mǎn)足要求。

2.2 葉輪強(qiáng)度校核

2.2.1 輪盤(pán)強(qiáng)度計(jì)算。葉輪和軸盤(pán)的簡(jiǎn)單示意圖如圖6所示。

中間孔的直徑D1=0.64 m，輪盤(pán)直徑D2=1.40 m，輪盤(pán)厚度δ=0.008 m。軸向力F1、徑向力F2計(jì)算公式分別為

[F1=ρ012δ（D32-D31）ω2] （14）

[F2=ZπmRcω2] （15）

式（14）（15）中：ρ0為葉輪材料密度，取7.85×103 kg/m3；ω為角速度，取49.74 rad/s；Z為葉輪葉片數(shù)量，取16片；m為總?cè)~片質(zhì)量，取3.87 kg；Rc為葉輪半徑，取32.9 mm。將數(shù)據(jù)帶入上式中，得F1=32.13×103 N，F(xiàn)2=16.04×103 N。

輪盤(pán)的最大應(yīng)力計(jì)算公式為

[σt1=λ1u22[1+λ2（D1D2）2]] （16）

葉片引起的附加應(yīng)力計(jì)算公式為

[σt2=σt1KF2F1] （17）

輪盤(pán)的最大應(yīng)力計(jì)算公式為

[σ′=σt1+σt2] （18）

式（16）～（18）中：λ1、λ2、u2為推導(dǎo)系數(shù)，分別取6 500、0.212和69.64；K為輪盤(pán)的葉片負(fù)荷分配系數(shù)，取1。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式中，σt1=32.92×106 N/m2，σt2=16.43×106 N/m2，σ′=49.35×106 N/m2。

輪盤(pán)的材料為Q235A，其屈服點(diǎn)σ=235×106 N/mm2。安全系數(shù)n=σ/σ′=4.76[gt;]1，安全。

2.2.2 輪蓋的強(qiáng)度計(jì)算［6］。此計(jì)算過(guò)程類(lèi)似于2.2.1中輪盤(pán)強(qiáng)度的計(jì)算，不同的是負(fù)荷分配系數(shù)K′=0.5。輪蓋的強(qiáng)度計(jì)算公式為

[σ′t2=K′F2F1σt1] （19）

輪蓋的最大應(yīng)力計(jì)算公式為

[σ″=σt1+σ′t2] （20）

輪蓋的材料為Q235A，其屈服點(diǎn)σ[=]235×106 N/m2。將數(shù)據(jù)帶入上式中，得σ″=41.14×106 N/m2，安全系數(shù)n=σ/σ″=5.71[gt;]1，安全。

3 離心風(fēng)干桶框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

離心風(fēng)干桶呈圓柱狀，優(yōu)選鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，且框架結(jié)構(gòu)間隙設(shè)置玻璃幕墻，主要荷載為靜水壓力和固體糞便的側(cè)向分力，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行分析。

3.1 圓柱狀框架結(jié)構(gòu)壓力分析

考慮固體糞便的側(cè)向壓力，將總的側(cè)向壓力設(shè)定為水壓力的1.2倍即可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為方便計(jì)算，取1/8結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，即φ=45°，水壓力受力分析如圖7所示。

水平分力計(jì)算公式為

[Fpx=ρghAx] （21）

鉛直分力計(jì)算公式為

[Fpz=ρg（18πR2）-12h2b] （22）

總壓力大小計(jì)算公式為

[Fp=Fpx2+Fpz2] （23）

式（21）～（23）中：h為高度，取2.687 m；ρ為水和糞便等效密度，取1.5 kg/m3；R為半徑，取3.8 m；b為桶厚度，取0.2 m；Ax為截面面積，取15.32 m2。將各數(shù)值帶入上式中，得Fpx=41.89 kN，F(xiàn)pz=52.34 kN，F(xiàn)p=66.84 kN。

圓柱狀離心風(fēng)干桶優(yōu)選鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50；框架結(jié)構(gòu)間隙設(shè)置玻璃幕墻，玻璃幕墻抗壓強(qiáng)度為90 MPa。Fpx=41.89 MPa，小于50 MPa，小于90 MPa，符合強(qiáng)度要求。

3.2 結(jié)構(gòu)有限元分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)建模。利用Abaqus有限元分析軟件建立三維模型，確定邊界條件。根據(jù)材料確定E=2.5×106 N/mm3，μ=0.35，建立圖8三維模型圖。

3.2.2 計(jì)算并進(jìn)行結(jié)果對(duì)比。利用Abaqus有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算，得到離心風(fēng)干桶應(yīng)力云圖，如圖9所示。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可知，最大應(yīng)力為31.89 MPa，小于50 MPa。由此可見(jiàn)，其強(qiáng)度和變形都符合基本要求。

4 結(jié)論

建立農(nóng)村水糞分離回收利用的筒體離心風(fēng)干設(shè)施模型，利用Abaqus有限元軟件進(jìn)行受力分析，計(jì)算載荷作用下應(yīng)力分布和變形情況，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較好的指導(dǎo)作用。對(duì)最大應(yīng)力進(jìn)行分析，可以在設(shè)施設(shè)計(jì)階段校驗(yàn)其結(jié)構(gòu)的安全性。這種分析方法對(duì)用于農(nóng)村水糞分離回收利用的筒體離心風(fēng)干設(shè)施的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

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