移动式组合圆筒清理筛的结构设计及其强度分析

高偌霖，王明旭，2，符 记，晏 丽，李永祥

(1.河南工业大学 机电工程学院，郑州 450001； 2.小麦和玉米深加工国家工程实验室，郑州 450001)

随着我国油料工业的发展，人们对油料作物深加工产品质量的要求越来越高，而油料作物含杂是影响其品质的关键因素[1]。若杂质随油料作物一起加工，杂质的存在将会使油脂产品纯度降低、灰分提高，造成油脂产品质量降低[2-3]。在油料作物加工前期，由于受到收割方式、晾晒场地、运输装卸、收获机与清理机无法有机结合等因素的影响，油料作物含杂率远高于国家标准的规定值[4]。

国外现有清理设备有Westrup LA-LS风筛清选机、Westrup LA-K比重清选机、肖邦NSP清理除杂机、肖邦QuatuorⅡ全自动除杂清理分级机、Carter-Day清理除杂机、德国Labofix小型清理分级机等[5]，虽然种类较多，但功能普遍相对单一，集成度不高，特别是国内的小型油料作物专用清理设备生产厂家和产品很少，难以满足生产企业的需要。从市场发展和国外著名企业产品开发的趋势来看，清理设备应由单机向组合机方向发展[6-7]，将风、筛、比重单机优化组合，实现机械自动化和多功能化[8-9]，综合考虑清理机工作环境、能源消耗等问题，结合粮食机械的发展方向，循环风式组合多功能清理筛将成为新的发展方向[10]。国外诸如雷诺、波通等品质分析仪器设备企业、国内各油脂企业对清理设备有一定的需求量，所以小型、与油料作物收获机有机结合、确保油料作物收获后直接得到清理的组合式清理筛的研究和设计是一个亟待解决的问题。

本文拟采用集成与模块化设计的方法，通过对斗式提升机、圆筒清理筛等设备的有机整合，以期获得可以与大豆等油料作物收获机结合工作并且实现粮食产后的加工、储藏环节全程不落地，解决粮食收获后含杂率偏高、杂质多样不能满足储藏和加工要求问题的一种移动式组合圆筒清理筛。

1 移动式组合圆筒清理筛的结构和工作原理

1.1 移动式组合圆筒清理筛的结构

移动式组合圆筒清理筛的结构主要包括斗式提升机、多层圆筒清理筛、风机、旋风除尘器、风网管道和移动机架。移动式组合圆筒清理筛结构如图1所示。

图1 移动式组合圆筒清理筛结构

1.1.1 斗式提升机

斗式提升机主要由机头、机筒、机座、传动装置、螺旋张紧装置、畚斗带和畚斗等部分组成。进料口设计成专用大口进粮斗，保证移动式组合圆筒清理筛匀速提料。

(1)机头。由驱动头轮、传动机构、逆止器、机头外壳和可调回流淌板等组成。机头外壳设有观察窗，以便观察调整回流淌板的位置，防止物料回流。驱动头轮采用覆胶轮，头轮轴装有双列球面滚子轴承，并配有轴承座高度调节垫片，以保证水平面的平行度要求。

(2)机筒。由钢板采用咬边结构，以增强机筒刚性和密封性。机筒两端焊有联接法兰，各段法兰之间加密封垫，当用螺栓紧固后可保证机壳的密封性能。检修机筒有螺栓联接两边均可拆开检修，检修方便。

(3)机座。由张紧底轮、螺旋张紧装置、机座外壳和进料口等组成。底轮轴通过两个支座安装在张紧装置的滑板上。

(4)传动装置。由电机、减速器及尼龙柱销联轴器来传动头轮轴。

(5)螺旋张紧装置。为螺杆式结构，通过转动螺杆而带动底轮轴的上下移动，从而使畚斗带的松紧度及跑偏现象得到调整。

(6)畚斗带。畚斗带为提升机的牵引构件，环绕于头轮和底轮之间，畚斗按一定距离固定在畚斗带上，用外壳将畚斗带密封起来。

1.1.2 多层圆筒清理筛

多层圆筒清理筛的结构主要由传动机构、筛筒、机体、筛面清理机构、吸风口等结构组成。

(1)传动机构。主要由减速机、链轮、链条、十字轴式万向联轴器及托轮组成。

(2)筛筒。由筛架、筛板及导向叶片组成；筛筒的转动通过十字轴式万向联轴器和托轮完成；筛筒角度的调整通过调节托轮间距实现。

(3)机体。由框架、侧封门、端封门和边、中立柱组成；框架是用钢板折弯焊接而成，其中一侧的中立柱通过螺栓与框架连接在一起，其目的是便于拆卸筛筒；侧、端封门的密封采用箱式货车的密封式，外形美观、密封性能好。

(4)筛面清理机构。由刷帚和刷架组成。刷帚是用通过化学药剂处理后的鹅毛筒编制而成，经处理后的鹅毛筒耐磨而不易折断；刷帚装在可调的刷架内，通过调整刷架可使刷帚和筛面有效地接触从而清理堵塞在筛孔上的物料及杂质，保证筛孔的通畅。

(5)吸风口[11]。吸风口在机体顶盖的中部，其作用是吸走部分飞扬在机体内的灰尘和轻杂质，同时机内形成负压，抑制粉尘外扬。

1.1.3 风机

风机位于旋风除尘器的后方，主要由风轮、机壳和电机组成。对筛子进行吸风，抽走一部分轻杂及粉尘，并使之体内形成负压，防止粉尘外扬。

1.1.4 旋风除尘器及风网管道

旋风除尘器[12]采用下旋55型除尘器沉降风机吸出轻杂及粉尘，除尘效果好。

1.1.5 移动机架

机架下方四角设置有行走轮，其中两只为万向轮，方便该机组的牵引与移动。

1.2 移动式组合圆筒清理筛的工作原理

油料作物从收获机的排料斗直接落入斗式提升机的接料斗，然后匀速提至圆筒清理筛的进料口，通过布筒进入喂料箱的散料板上，锥形漏斗可以旋转使得物料正确地落在散料板中间，进料箱随着筛体的振动，物料均匀地撒在进料箱底板上，并沿底板流到整个筛面，若进料在整个进料箱底板上不均匀，调节分料板使喂料达到理想状态。

在喂料箱与筛面的联接处安装了一个压力门，可使物料流均匀分散成同一高度，物料通过压力门后布满第一层筛面，第一层筛面的筛下物落到第二层筛面上，筛上物(大杂)由旁边的出料口导出。第二层筛面的筛下物(小杂)落到底板上，从位于中部的出料口导出。第二层筛面的筛上物经过压力门导出到垂直吸风分离器进行风选。垂直吸风道可通过调节手柄使风门板旋转至合适位置，达到最佳分离状态。一部分轻质杂质及部分灰尘则由风机吸走，经过旋风除尘器沉降后排出。

2 移动式组合圆筒清理筛结构静力学分析

对移动式组合圆筒清理筛结构在重力加速度作用下的静力进行了计算，获得了板材厚度在5 mm时的应力云图。最大应力值为108 MPa。最大应力的位置如图2所示的支撑圆筒筛的支撑，建议此处板的厚度取10 mm。同时方便时增加加强筋。

图2 静力作用下的应力云图

3 移动式组合圆筒清理筛结构动力学分析

根据实际建立有限元分析模型如图3所示，共划分46 282个单元，22 872个节点。定义材料属性，弹性模量2.1E11，密度7 800 kg/m3，泊松比0.3，板材厚度取5 mm。

图3 移动式组合圆筒清理筛的有限元分析模型

计算获得的前12阶模态及应力云图如图4～图15所示。表1为该移动式组合圆筒清理筛前12阶模态频率及最大应力值。

图4 移动式组合圆筒清理筛的第一阶模态

图5 移动式组合圆筒清理筛的第二阶模态

图6 移动式组合圆筒清理筛的第三阶模态

图7 移动式组合圆筒清理筛的第四阶模态

图8 移动式组合圆筒清理筛的第五阶模态

图9 移动式组合圆筒清理筛的第六阶模态

图10 移动式组合圆筒清理筛的第七阶模态

图11 移动式组合圆筒清理筛的第八阶模态

图12 移动式组合圆筒清理筛的第九阶模态

图13 移动式组合圆筒清理筛的第十阶模态

图14 移动式组合圆筒清理筛的第十一阶模态

图15 移动式组合圆筒清理筛的第十二阶模态

模态阶数频率/Hz最大应力/MPa模态阶数频率/Hz最大应力/MPa第一阶02.7735.5第七阶 29.09102.0第二阶02.8321.8第八阶 29.25049.9第三阶06.1367.8第九阶 32.92087.3第四阶07.7970.2第十阶 34.24072.5第五阶17.8955.8第十一阶35.23183.0第六阶21.6353.7第十二阶39.29167.0

由表1知，结构发生的最大应力值为183 MPa。结构所选用的材料为Q235，能够满足要求，应力发生最大位置、集中位置分别为图16、图17所显示位置，即刹克龙与圆筒清理筛支撑件连接位置、刹克龙弯管与下端连接位置，该部分设计时，需进行加强，建议增加加强筋。另一处应力集中位置在斗式提升机卸料与圆筒清理筛衔接位置，如图18所示，建议设计时需要局部加强。移动式组合圆筒清理筛的4个支撑立柱是产生应力集中的位置，建议局部加强，建议4个支撑的设计厚度应在8～10 mm。

图16 应力最大位置

图17 应力集中位置

图18 应力集中位置

板材厚度取10 mm时的各阶模态应力及频率见表2。

表2 板材厚度取10 mm时的各阶模态应力及频率

由表2知，增加板材厚度，使得结构最大应力明显降低，但提高了结构的固有频率。因此，建议仅在结构应力集中的位置做加强支撑，提高结构的抗疲劳特性。

4 结 论

(1)通过对清理筛的工作原理分析、结构设计以及对现有成熟设备的优化组合，设计开发了一种用于大豆等油料作物初清的移动式组合圆筒清理筛，其将配合油料作物收割机提高油料作物收获的效率，达到油料作物产后加工、储藏环节全程不落地的目的，进而提高油料作物收获后的纯净度以满足储藏和加工要求。解决了目前大豆等油料作物产后由于缺少相关清理设备与收获机的有机结合，使得生产和仓储企业需要二次清理，造成大量不必要的人力和物力浪费的突出问题。

(2)通过对移动式组合圆筒清理筛的结构动力学模态分析，得到了结构应力集中的位置以及结构中的薄弱环节，支撑组合清理筛的4个支撑立柱是产生应力集中的位置，通过局部加强，4个支撑的设计厚度应在8～10 mm以优化薄弱环节。