紫菜滤杂装备中吸滤装置的强度分析*

毛彬彬 ，陈劲松 ，韩服善 ，宋应杰

（江苏海洋大学创新创业学院，江苏 连云港 222005）

0 引言

鲜紫菜的除杂环节对紫菜成品的品质至关重要[1-3]，而除杂效果又取决于紫菜滤杂装备中的关键部件，即吸滤装置，其主要由组合式滤筒和剔盘组组成，滤筒的滤缝可根据不同物料、不同工艺阶段进行随意调节和设置，剔盘组用于动态剔除堵塞在滤缝内的杂物，保持滤缝始终畅通无阻。滤筒在工作中同时承受剔盘组的离心力、滤筒的离心力、混流泵吸滤时产生的离心力和轴向推力等，而剔盘组同样会受到各种离心力以及吸滤时产生的混合物的压力，受力情况非常复杂，强度和刚度很难用解析法完全计算。滤筒和剔盘组在各种力的耦合作用下，极易产生变形，导致滤筒滤缝增大，甚至使得插入滤筒的剔盘和滤筒发生剧烈摩擦。因此，应合理设计吸滤装置的结构，提高其强度和刚度，这对于整个紫菜滤杂装备的使用稳定性和可靠性至关重要。

课题组建立了紫菜吸滤装置的样机模型，对滤筒和剔盘组进行有限元分析，模拟其在各种载荷作用下的应力变化和结构变形等，验证吸滤装置结构尺寸设计的合理性，为后续样机试制提供了理论依据。

1 吸滤装置几何模型

利用SolidWorks建立三维模型，为了降低有限元模型的复杂程度，在保证精度的前提下尽可能减少计算量，对模型结构进行了适当简化[4-5]，将原本由若干滤盘组装而成的滤筒和由若干剔盘组装而成的剔盘组作为整体进行分析，简化后的模型如图1所示，主要由滤筒和剔盘组组成。吸滤装置中的滤筒和剔盘组主要参数如表1所示。

图1 吸滤装置几何模型

表1 吸滤装置主要部件参数

工作原理：主轴电机通过齿轮传动驱动滤筒和剔盘组转动，经混流泵的负压抽吸，紫菜与水的混合物通过滤筒上的滤缝进入滤筒，而体积较大的杂物则被阻隔在滤筒之外，滤杂后的紫菜和水经过出料口被抽出吸滤装置，为了防止杂物吸附或堵塞在滤缝上，通过剔盘组连续转动将其剔除掉。

2 吸滤装置有限元仿真

在吸滤装置工作时，滤筒主要受到自身转动产生的离心力、剔盘组转动产生的离心力、泵抽吸时作用在液体上的离心力和轴向推力[6-7]，剔盘组主要受到自身转动产生的离心力和滤筒转动产生的离心力，所以需要分析滤筒和剔盘组在各种力的耦合作用下，其变形和应力情况是否满足设计要求。

2.1 零部件材料物理特性

吸滤装置是紫菜滤杂装备的关键部件，要求其具备较强的耐腐蚀性、较高的强度和刚度，因此选取304不锈钢作为研制材料，材料物理特性如表2所示。

表2 材料物理特性

2.2 吸滤装置网格划分

采用ANSYS软件进行网格划分，通过精细的网格单元尺寸控制方式，对紫菜吸滤装置进行六面体网格划分[8-10]，本装置总共有48 483个单元，275 568个节点，网格划分后的模型如图2所示，网格质量如图3所示。从图中可以看出，网格整体质量在0.85到1之间，说明网格质量达标，符合要求[11-12]。

图2 网格划分结果

图3 网格质量

2.3 强度评价指标

吸滤装置的材料为304不锈钢，属于塑性材料，通常以屈服的形式失效，在强度分析时一般采用第三或第四强度理论。实际工作时，材料往往受三向应力的作用，而且实验表明第四强度理论最符合这类材料的实际情况，因而在强度评价中通常采用第四强度理论导出的等效应力（即ANSYS后处理器中的Von Mises Stress）来评价[13-14]。

2.4 仿真结果分析

2.4.1 位移结果分析

在吸滤装置上添加固定约束以及载荷作用后[15]，通过软件求解，得到装置各构件变形和应力结果，变形云图如图4所示。其中，滤筒的最大位移为0.129 mm，位于滤筒的筒体上；剔盘组的最大位移为0.124 mm，位于插入滤缝的剔盘外缘处，两者的变形都比较小，说明紫菜吸滤装置在工作过程中的整体刚度和稳定性满足设计要求。

图4 吸滤装置变形云图

2.4.2 应力分析结果

紫菜吸滤装置各构件应力云图如图5所示，其中，滤筒的最大应力为102.54 MPa，剔盘组的最大应力为89.46 MPa，说明装置在工作过程中，各构件所受最大应力远小于材料的许用应力，吸滤装置结构强度满足设计要求。

图5 吸滤装置应力云图

2.5 位移矢量分布曲线图

剔盘组和滤筒在工作过程中的位移矢量云图如图6所示，从图中可以看出，在各种力的耦合作用下，滤筒内部筋板和出料端的位移矢量最大，其次是插入滤筒滤缝中的剔盘，符合实际情况需求[16]。

图6 位移矢量云图

3 结论

本文设计了滤杂装备中的核心部件吸滤装置，并用SolidWorks软件对其进行三维建模，在考虑吸滤装置工作时所受各种外力作用的条件下，用ANSYS软件对吸滤装置各组成构件进行变形和强度分析。分析结果表明：所设计结构的最大应力远小于材料的屈服强度，最大变形量很小，所以该设计满足强度、变形要求，验证了设计方案的合理性。