籽瓜皮粉碎机的设计与关键部件的有限元分析

杨 浩， 黄 涛， 吴 亮， 徐彦瑞， 万芳新， 黄晓鹏*

(1.甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省农业机械化技术推广总站，甘肃 兰州 730046)

籽瓜皮含有大量的多糖、氨基酸、纤维素，营养价值十分丰富，具备开发成膳食纤维或者禽畜类青饲料等产品的潜力[1，2]。目前籽瓜加工的主要目的为收取瓜子和利用瓜瓤制作籽瓜水、籽瓜汁等，导致占籽瓜比重25%左右的籽瓜皮未被合理利用。如果对籽瓜皮进行综合开发利用，一方面可降低废弃瓜皮对环境的污染，另一方面也可大大提升籽瓜的经济效益。

在籽瓜皮综合开发利用过程中，瓜皮的粉碎至关重要。目前，国内外针对瓜皮类物料的粉碎机研究较少。近年来，国内锤片式粉碎机的发展取得了很多新的成果，例如水滴型粉碎室技术、振筛粉碎技术、双轴粉碎机技术等[3-5]。国外由于地域差异，粉碎机的发展方向也各不相同。以欧美发展来看，美国多以增大筛网的筛理面积来提高粉碎效率，而欧洲多以安置齿板和增大冲击齿板面积来提高粉碎效率[5]。本文以设计籽瓜全加工利用生产线用瓜皮粉碎机为研究目标，对其关键部件进行有限元分析，以期为整机结构优化提供理论依据。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

本文设计的籽瓜瓜皮粉碎机整机结构如图1所示，主要包括电机、喂料口、粉碎室、出料口和机座等，其中粉碎室由箱体、锤片、筛板、锤片架组成。该机采用锤片式转子机构作为粉碎装置，选择切向喂料方式，粉碎机筛片包角设为180°，锤片采用交错排列的方式。

图1 整机结构图

1.2 工作原理

籽瓜瓜皮经由进料口喂入到由锤片、转子、筛片构成的粉碎空间内。瓜皮在高速旋转的锤片冲击作用下被反复捶打、磋磨，并与箱体、筛网产生剧烈碰撞，从而逐步粉碎，直到粒度满足所需要求后从下部筛孔落入收集装置。

1.3 技术参数

本文设计的籽瓜瓜皮粉碎机主要技术参数如表1所示。

表1 籽瓜皮粉碎机的主要技术参数

2 关键部件有限元分析和拓扑优化

2.1 锤片静力学分析

在籽瓜瓜皮粉碎机中，锤片是最主要的工作部件，物料破碎所需要的力主要由其提供。工作时，锤片在箱体内部做高速回转运动，其表面所受的撞击力是不均匀的，导致工作表面每个点的磨损都不一样。通过静力学仿真可确定锤片在工作过程中应力集中较大的部位[6]。因此，有必要对锤片进行静力学分析，分析锤片在工作状态下应力和应变的规律，验证锤片材料的刚度和疲劳强度是否满足设计。

利用Solidworks软件建立锤片的结构模型，锤片材料选用40 Cr食品级不锈钢。在ANSYS软件中通过Engineering Date菜单界面自定义材料，设定材料的各项物理属性，其中40 Cr材料的各项物理属性如表2所示[5]。

表2 40 Cr材料的物理属性

网格划分采用自动划分法，根据模型形状自动划分为四面体网格和六面体网格，所选取网格的边长为3 mm，再进行网格质量检验，保证无畸形网格，划分后的网格单元为2 457个，节点数为11 273个。连接销轴的锤片孔施加固定约束，根据对粉碎过程锤片的受力分析，在锤片的一侧面施加集中力，其方向沿转子的切线方向[4]。有限元模型及分析结果如图2所示。

图2 锤片静力学计算结果

由图2可以看出，锤片的最大应力出现在锤片刃口部分，为133 MPa，小于材料得许用应力，总变形量为0.049 mm，安全系数10，可以满足实际工作需求[7]。由计算结果可知锤片的应变与受力较为集中，绝大部分面积所受载荷和变形较小，所以其还存在拓扑优化空间。

2.2 锤片的拓扑优化

在保证锤片的强度和刚度满足工况的条件下，利用ANSYS拓扑优化模块对锤片结构进行优化，以达到节约材料、提高粉碎机性能的目的。材料添加、网格划分、添加约束载荷等步骤参数与锤片静力学分析步骤相似，对其分别进行去除材料15%、30%、45%和60%的优化计算，得到计算结果如图3所示。

图3 锤片拓扑优化结果

从粉碎机锤片的拓扑优化的云图可以发现，锤片的中心部位为受力最小区域，因此优化可从减少锤片中心部分材料的方向考虑。以锤片的拓扑优化云图为参考，综合考虑锤片的强度、刚度、可靠性和材料成本等因素，确定锤片材料减少30%为较佳的优化方案，此方案一方面可减少材料成本，另一方面也可减少机器自重，提高整机安全性和可靠性[8]。

2.3 转子主轴的模态分析

转子结构主要由锤片架板和转子主轴所组成，锤片架板是支撑锤片运动的主要部件，主轴一方面负责破碎机的动力传递，另一方面起间接支撑锤片的作用。通过对粉碎机的转子进行有限元模态分析，获取其固有频率和振型，避免转子在破碎机工作时所产生的共振，以确保机构的稳定性[9]。转子前六阶固有频率如表3。

表3 转子结构前六阶固有频率

当转子结构引起轴系共振时的转速称为临界转速。当转子结构在临界转速工作时，会引起转子系统的剧烈振动，甚至造成转子系统的破坏[5]。将籽瓜瓜皮粉碎机转子的前六阶固有频率转化为临界转速，结果如表4。

表4 转子的临界转速

图4 转子模态变形图

为了保证籽瓜皮粉碎机的安全运行和正常工作，应使转子的工作转速n离开其各阶临界转速一定范围。当工作转速在临界转速以下时，临界转速应高于工作转速25%～30%。由于本文所研究的锤片式粉碎机工作转速1 400 r/min 左右，远低于危险工作转速12 375.9 r/min，所以转子的转速和结构设计是合理的[10，11]。

2.4 锤片架板静力学分析

转子主轴除了动力传输的作用外，其上安装的锤片架板还需在粉碎过程中支撑锤片做高速回转运动。物料与锤片的碰撞会给架板带来较大的冲击力，可能导致架板的结构形状发生变化，进而影响锤片工作状态的受力，加大锤片磨损，因此对其有必要进行静力学分析[11]。粉碎过程中锤片架板的载荷集中在销孔处，每个锤片架板有6个销孔，中间3个架板6个销控受力，两侧2个架板3个销控受力。对锤片架板进行静力学分析，锤片架板材料与锤片相同，计算结果如图5所示。

图5 锤片架板静力学计算结果

由后处理计算结果可知，锤片架板工作过程中所受的最大应力为75.18 MPa，小于材料的许用应力，总变形量4.63 μm，符合工况要求。不难发现锤片架板变形部位主要集中在销孔位置，而其余位置变形较小，因此其具有拓扑优化的空间，以达到减少成本，提升粉碎机性能的目的[12，13]。

2.5 锤片架板的拓扑优化

在锤片架板的刚度、强度等满足粉碎工况的前提下，对其进行拓扑优化。对锤片架板应变较小部位的材料适当删减，以达到节约材料、提升性能的目的。利用ANSYS添加结构优化模块进行优化，载荷约束与静力学分析相同。添加求解模块，设定去除材料分别为15%、30%、45%和60%，求解结果如图6所示

图6 锤片架板拓扑优化结果

从粉碎机锤片架板的拓扑优化云图中发现，由于两侧锤片架板只有三个销孔受力，因此红色部分建议去除的材料也较多，而中间三块锤片架板由于受力相同且受力较大，因而灰色部分建议保留材料较多[8]。从锤片架板优化结果云图可知，优化思路可从减少两侧锤片架板不受力销孔处的材料为方向，综合考虑锤片架板材料成本、锤片优化后的安装、实际工况等要求，并且参考锤片架板优化结果云图，确定优化去除材料为35%为较佳优化方案，一方面可减少材料成本，另一方面也可减少粉碎机自重，提高机器稳定性[14]。

3 结论

瓜皮粉碎是籽瓜全利用加工生产线的一个关键环节，本文针对设计的籽瓜瓜皮粉碎机，对其关键部件锤片和转子主轴进行了有限元分析，主要结论如下：

(1)锤片的最大应力为133 MPa，小于材料的许用应力，最大总变形量为4.93 μm，安全系数为10，符合设计要求。锤片的中心部位为受力最小区域，利用拓扑优化模块对锤片进行优化，确定最优结果为去除35%的中心部位材料。

(2)对转子主轴进行了模态分析和静力学分析，通过模态分析的结果表明锤片式粉碎机工作转速1 400 r/min远远低于危险转速12 375.9 r/min，符合设计要求。

(3)锤片架板的最大应力为75.18 MPa，小于材料的许用应力，总变形量4.63 μm，符合设计要求。锤片架板变形部位主要集中在销孔位置，利用拓扑优化模块对锤片架板结构进行优化，确定最优结果为去除35%的边缘部位材料。