收购整理筛的有限元仿真分析及结构优化

◎ 王佩琦，赵瑞营，张峻岭，陈 艺

（郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450001）

收购整理筛主要适用于高温、高湿等恶劣环境下对粮食与杂质的分离整理，是粮食收购仓储时进行粮食收购整理除杂的理想设备，配有先进的环保除尘设备，具有产量大，移动方便等特点[1-2]。

1 收购整理筛结构及工作原理

本设备针对高温、高湿等恶劣条件下粮食与杂质不易分离的难题，巧妙组合了多种清理工艺，分别将圆筒、振动、风选清理相结合，达到高效清选粮食杂质的目的，适用于环境胁迫下的粮食收购整理，满足“一带一路”倡议下共建国家粮油收购整理需求，本设备综合除杂率75%以上，粮食处理量40～80 t·h-1。收购整理筛的总装示意图，如图1所示。本设备主要由圆筒筛、振动筛、垂直吸风道、脉冲除尘器、动力系统、机架等部件组成。其适用于收获后的稻谷、玉米的高效收购整理，可对谷物的大杂、小杂以及轻杂进行有效清理，收购整理效率高，除尘效果好，绿色环保。

图1 收购整理筛总装图

本设备的工作原理：柱状或堆状物料通过进料口后进入滚筒筛体内，经过滚筒筛初清后，将大杂物料筛出，筛下物进入振动筛箱；振动筛箱为单层筛网，筛下物为小杂、粉粒物料，筛上物流通过垂直吸风道流出；经过振动筛箱后的物料在垂直吸风道处再次经过风选作用，瘪粒及壳类物料被吸出进入脉冲除尘器。脉冲除尘器与垂直吸风道的组合应用，既解决了瘪粒及壳类物料的清理，同时也解决了清理时的作业粉尘。

2 收购整理筛重要部件的有限元仿真分析及优化设计

2.1 滚筒筛体的有限元仿真分析

2.1.1 模型的建立

利用inventor软件建立收购整理筛的滚筒筛体三维实体模型，经简化后，将三维模型保存为IGS中性格式文件形式，导入到ANSYS workbench环境中，建立滚筒筛体的有限元模型。

2.1.2 网格划分

对滚筒筛体的材料属性进行定义，材料设置为Q235，其弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.26，材料密度为7.85 kg·m-3。采用自动网格划分方式对滚筒筛体模型进行网格划分，划分后模型包含3 879 638个节点，1 616 456个单元，如图2、图3所示。

图2 滚筒筛体的网格划分图

图3 滚筒筛体网格划分信息图

2.1.3 载荷及边界条件约束设置

对模型施加自身的重力Gravity，在滚筒出口的轴上安装轴承的位置施加固定支撑力，在滚筒入口外圈施加固定支撑力，在滚筒入口处的筛网上施加垂直于筛网的压力，压力大小为单位时间流过筛箱的粮食质量，压力大小根据进粮效率为100 t·h-1，计算出每秒钟筛网所受粮食的平均压力为248.975 Pa，环境温度设置为22 ℃。施加受力图如图4所示。

图4 滚筒筛体的受力施加图

2.1.4 滚筒筛体的静力学分析

设定求解结果后，对模型进行求解，在后处理模块中显示出的分析结果参数如图5、图6所示。

由图5可知，在滚筒筛体总变形结果云图中，最大变形量为3.923 2 mm，发生在滚筒筛体的进粮口处，靠近进粮口一侧的后部筛网端部，图中红色区域部分。

图5 滚筒筛体总体变形结果云图

由图6可知，在滚筒筛体应力云图中，最大等效应力为288.88 MPa，主要所受应力集中较大的部位位于滚筒筛体靠近进粮口一侧的后部筛网中部。查询机械手册[3-4]得知，所用材料Q235的屈服极限235 MPa，安全系数是1.5，因此该材料的许用应力最大值为156.67 MPa，本机构经过有限元仿真得到的最大等效应力结果288.88 MPa超过了该材料的最大许用应力，说明滚筒筛体的局部结构强度不足，会影响滚筒筛体的使用寿命[5]，需要对滚筒筛体结构进行改进。

图6 滚筒筛体等效应力结果云图

2.1.5 模型的优化

根据ANSYS workbench软件的分析结果得知，滚筒筛体的进粮口处的筛网变形受力最大，可增加筛网等零件的厚度来进行优化设计。

在inventor中修改三维模型，将筛体杂质出口筛网固定板厚度从4 mm加厚到10 mm，将筛网杂质出口固定滚筒的厚度从4 mm加厚到10 mm，将杂质出口钢带压条加强筋板的厚度从1 mm改为6 mm，将出口转筒和出口转筒盖板的厚度从4 mm改为16 mm，将筛体杂质出口传动筋板以及三角形加强筋板的厚度从4 mm改为10 mm，将滚筒内侧焊接骨架的厚度从4 mm改为10 mm，将筛网入口固定滚筒及固定板的厚度从4 mm改为10 mm，将滚筒周向钢板（外侧）和纵向钢板外侧的厚度从2 mm改为6 mm，将筛网厚度从1 mm改为2 mm。按照之前的步骤再进行ANSYS静力学仿真，得到的仿真结果如图7、图8所示。

由图7可知，从优化后的滚筒筛体总体变形结果云图可以看出，最大变形量为0.567 57 mm，从优化后的滚筒筛体等效应力结果云图中可以看出，最大应力值为65.048 MPa，发生在滚筒筛体靠近进粮口的筛网处。

图7 优化后的滚筒筛体总体变形结果云图

由图8可知，与优化前的结果相比，优化后的最大变形量和最大等效应力值明显减少，通过结构优化，优化后的滚动筛体最大变形量0.567 57 mm和最大等效应力为65.048 MPa，能够满足强度设计要求。

图8 优化后的滚筒筛体等效应力结果云图

2.2 筛箱的有限元仿真分析

2.2.1 模型的建立

利用inventor软件建立振动筛箱的三维实体模型，经简化后，将三维模型保存为sat中性格式文件形式，导入到ANSYS workbench环境中，建立筛箱的有限元模型。

2.2.2 网格划分

对筛箱的材料属性进行定义，材料设置为Q235，其弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.26，材料密度为7.85 kg·m-3。采用自动网格划分方式对筛箱模型进行网格划分，划分后模型包含108 875个单元，277 407个节点，如图9所示。

图9 筛箱的网格划分图及信息图

2.2.3 载荷及边界条件约束设置

对模型施加自身的重力Gravity，在两个振动电机的安装处施加电机激振力，本模型选择的振动电机的激振力为10 kN，且与筛箱存在一定的倾斜夹角。在4个减震器安装孔处施加固定支撑，以及在整个箱体底面施加压力，压力大小为单位时间流过筛箱的粮食质量，环境温度设置为22 ℃。施加受力图如图10所示。

图10 筛箱施加受力图

2.2.4 筛箱的静力学分析

设定求解结果后，对模型进行求解，在后处理模块中显示出的分析结果参数如图11、图12所示。

由图11可知，在筛箱总变形结果云图中，最大变形量为0.170 16 mm，发生在筛箱侧面安装振动电机处的侧板上部，图中红色区域部分。

由图12可知，在筛箱静态应力云图中，最大等效应力为286.1 MPa，主要所受应力最大的位置位于筛箱侧板下部，所用材料Q235的屈服极限235 MPa，安全系数是1.5，因此该材料的许用应力最大值为156.67 MPa，最大等效应力超过了筛箱所用材料Q235的屈服极限156.67 MPa，因此，需要对筛箱结构进行优化。为了更直观的观看变形状态，图11与图12中显示的变形比例与实际变形相比放大了1 100倍。

图11 筛箱总变形结果云图

图12 筛箱静态应力云图

2.2.5 模型的优化

根据ANSYS workbench软件的分析结果得知，振动筛箱的电机安装处的侧板上部受力最大，可在此处设计若干加强筋进行加固处理。在inventor中修改筛箱模型，在筛箱框架中将60 mm×40 mm×2 mm的矩形钢改为60 mm×40 mm×4 mm的矩形钢，将筛箱框架中50 mm×50 mm×3 mm的角钢改为50 mm×50 mm×5 mm的角钢，两边的筛箱侧板厚度从1 mm改为3 mm，筛箱下板厚度也从1 mm改为3 mm，细杂变径管厚度从1 mm改为2 mm，出料口堵板厚度从1 mm改为4 mm，在振动筛箱的电机安装处的筛箱侧板上部，受力最大的位置加入一根加强筋，直径为100 mm；将修改后的三维模型导入ANSYS有限元软件中，再进行仿真，所得仿真结果如图13～图15所示。

图13 优化后的筛箱网格划分图

图15 优化后的筛箱等效应力云图

由图13、图14和图15可知，优化后的筛箱，最大变形量为0.112 66 mm，相比优化前的最大变形量0.170 16 mm，变形量略有减小；发生最大形变的位置改变，从筛箱侧面安装振动电机处的侧板上部，变化到筛箱前后两端的横梁中部。

图14 优化后的筛箱总体变形云图

优化后的筛箱最大等效应力为65.031 MPa，相比于优化前的最大等效应力值286.1 MPa，数值明显减小，低于材料的屈服极限强度，最大等效应力的受力位置不变。为了更直观的观看变形状态，图14与图15中显示的变形比例放大了820倍。优化后的变形量及所受应力不大，该筛箱设计能够满足强度设计需求，设计合理。

3 结论

通过采用ANSYS有限元单元法对收购整理筛进行结构静力学分析[6]，得出以下结论。

（1）收购整理筛的滚筒筛体部分，在筛网受到最大压力的状态下，滚筒筛体的最大变形量为3.923 2 mm，发生在滚筒筛体的进粮口处，靠近进粮口一侧的后部筛网端部，所受最大等效应力为288.88 MPa，通过增加筛网等零件的厚度，对模型进行结构优化设计后，再进行有限元仿真，优化后的滚筒筛体所受的最大形变位移量为0.567 57 mm，最大等效应力为65.048 MPa，发生在滚筒筛体中部，靠近进粮口一侧的后部筛网端部，变形量较小，能够满足强度应用要求。

（2）收购整理筛的振动筛箱部分，在筛箱受到最大压力及电机激振力的状态下，筛箱所受的最大形变位移量为0.170 16 mm，最大等效应力为286.1 MPa，发生在筛箱侧面安装振动电机处的侧板上部，通过在此处设加强筋加固后，再次进行有限元仿真，优化后的筛箱最大变形量为0.112 66 mm，相比优化前的最大变形量0.170 16 mm，变形量略有减小；发生最大形变的位置变化，从筛箱侧面安装振动电机处的侧板上部，变化到筛箱前后两端的横梁中部。优化后的筛箱最大等效应力为65.031 MPa，相比于优化前的最大等效应力值286.1 MPa，数值显著减小，最大等效应力的受力位置不变。优化后筛箱所受的最大变形量和最大应力的数值较小，符合强度设计要求。