曹冬，李庆忠

(江南大学 机械工程学院 江苏 无锡 214122)

0 引言

随着人们对天然产物的药用和营养价值认识的逐步深入，世界范围内掀起了天然产物中活性成分研究的热潮[1]。自古到今，存在着各种各样的天然植物有效成分提取方式。连续逆流提取技术因为其较高的浸出率和浸出效率，如今得到快速发展和推广[2]。某公司生产的多级连续逆流提取设备的配套装置螺旋挤渣机，其主要作用是将设备处理过的物料残渣经过压榨，使物料中的有效溶液回收，并将物料脱水以便再次利用。该螺旋挤渣机主要用于对槟榔、茶叶、烟丝、丹参，白芨等天然植物的残渣脱水[3]。该装置主要由动力装置、挤压螺旋、螺旋管、机架、进料斗以及卸料斗等组成。其工作过程为: 植物残渣由进料斗进入螺旋管，在挤压螺旋的作用下进行压榨，脱水后从出口排出[4]。

压榨螺旋轴部件的结构一般情况下都是依靠经验进行设计。主要是根据生产需要，参考同类型产品的结构尺寸，然后进行手工强度校核，根据设备的实际工作中出现的问题，对螺旋结构进行改进设计[5]。研发过程相当繁琐漫长，并且应力应变分析基本无法实现。本文以某公司生产的螺旋压榨机为例，利用UG建立了压榨螺旋的简化三维模型，并用有限元分析软件ANSYS Workbench对压榨螺旋进行了变形、应力计算，获得了合理的分析结果[6]。这既为压榨螺旋的进一步优化设计提供了有力的理论基础，又为螺旋挤渣机对农业物料进行正常的压榨分离提供了保障。

1 螺旋挤渣机螺旋模型的建立

该压榨螺旋采用变螺距方式，由6圈螺旋组成，从小端至大端螺旋间距依次为200 mm、190 mm、180 mm、170 mm、160 mm、150 mm。材料为45钢。小端和大端螺旋轴直径分别为180 mm和280 mm，螺旋叶片高度为100 mm。压榨螺旋的结构简图如图1所示。

图1 螺旋挤渣机螺旋模型

2 螺旋叶片的基本参数

该螺旋叶片齿形图如图2所示，螺旋齿推料面的倾斜角α为5°，螺旋背面的倾斜角为15°，螺旋齿顶宽度为12.82mm，齿高为59.5mm。

图2 螺旋叶片齿形图

3 螺旋的理论受力分析计算

该螺旋挤渣机在电机功率为4kW驱动下，螺旋转速达到20r/min，每小时植物残渣的处理量为1.0t的工作情况下，其螺旋的受力情况如图3所示。该机内物料作用在螺旋轴上的法向力为Fn，将其分解为Fr和Fx，其中Fr为物料作用在螺旋轴上的径向力，再将Fx进行分解，得到物料作用在螺旋叶片上的轴向力Fa以及圆周力Ft。

图3 螺旋的受力分析图

由于本文所研究螺旋一共由6节螺旋组成，因采用变节距，所以各螺旋在其工作过程中的单位周向力、单位圆周力以及单位径向力的大小是不同的。下面以第6节螺旋为例作如下分析。作用在螺旋轴上的圆周力Ft求解为：

(1)

设螺旋面上所收到的圆周力Pt，则

Pt=Ft·At

(2)

设作用在螺旋轴上的径向力为Fr，则

Fr=Fnsinα=Fx/cosα=Ft/(sinβ·cosα)

(3)

设螺旋面上所受的径向力为Pr，则

Pr=Fr·Ar

(4)

作用在螺旋轴上的轴向分力为Fa，则

Fa=Ft/tanβ

(5)

则螺旋面上收到的轴向力Pa为：

Pa=Fa·Aa

(6)

以上所有公式中，螺旋螺齿的推物料面的的倾角为α，并且≥0°～30°，背面的倾角为β，且≥15°～45°，At、Ar和Aa分别表示Ft、Fr以及Fa在螺旋面上的作用面积，f为摩擦系数。上式中，T为转矩，T=9 549P1/n1(N·m)，其中P1为螺旋轴工作时所用功率，d1为螺轴的平均直径，n1为螺旋轴工作时的转速，实际中该螺旋压榨机发动机经减速器传到螺旋轴的传动效率为98%。

所以P1=P×98%=4×0.98=3.92kW。而该螺旋挤渣机螺旋的转速n1=20r/min，带入数值得可T=9 549P1/n1(N·m)=1 871.604N·m。本文螺旋轴为锥度为2.7的规则体，其小端直接和大端直径分别为180mm和280mm，所以其平均直径d1=(180+280)/2=230mm。螺旋其螺齿的推物料面倾角α为5°，背面的倾角β为15°。由此推导可以分别求出各节螺旋上的单位轴向力、单位圆周力和榨螺上的单位径向力如表1所示。其中靠近螺旋小端叶片为第1节，靠近螺旋大端叶片为第6节。

表1 各压榨螺旋受力分析结果

4 基于ANSYS Workbench的螺旋的力学分析

4.1 导入压榨螺旋的实体模型并进行网格划分

此模型是使用三维绘图软件UG绘制，导入至ANSYS Workbench。设沿螺旋轴方向为y轴方向，弹性模量E=2.09e5 MPa，泊松比μ=0.269以及密度为7 850kg/m3。抗拉强度为600MPa，屈服点为355MPa，选用solid187完成网格划分，因模型长度较大，因此网格大小选为20mm[7]。网格划分后的图形如图4所示。

图4 网格划分后的螺旋图

4.2 定义边界条件

该螺旋挤渣机在实际工作中，螺旋在动力源的带动下绕其轴做旋转运动，其两端是固定在机架上的，需要在两端面施加约束。如果把两端面都施加全约束则约束刚度太大，结果会导致两端面周围应力过大，同时两端面是沿着螺旋轴做旋转运动的，模型在ANSYS Workbench软件中对应着绕着y轴做旋转运动，所以对螺旋两端面施加除绕y轴旋转约束以外的位置全约束。

4.3 施加载荷及后处理分析

螺旋结构主要受到的外载荷分布在沿着进料方向的螺旋螺纹侧面即圆周力与轴向力以及螺旋底径圆锥上的径向力。根据该螺旋挤渣机在对初碾后的物料进行压榨取汁的过程所承受的单位圆周力、单位轴向力、单位径向力进行求解，分别施加在螺旋的相应位置，利用ANSYS Workbench处理分析，知道螺旋的总用力云图和x、y、z方向的受力云图，如图5-图8所示。

图5 螺旋总应力云图

图6 螺旋x向应力云图

图7 螺旋y向应力云图

图8 螺旋z向应力云图

由图5总应力云图可以看出，该螺旋的最小应力为0.158 46 MPa，最大的应力为377.67MPa。螺旋出口端的螺旋叶片根部存在着最大应力，并且可以看出整个螺旋受到的应力是随螺旋线逐渐变化，螺旋叶片的侧面承受着较大的压力，原因在于螺旋叶片受到圆周力与轴向力的综合作用再加上螺旋叶片根部存在倒角，使其产生应力集中。从各应力云图可以看出，螺旋轴承受的应力与螺旋叶片相比并不算大，原因在于螺旋压榨机在工作进行中，物料在螺旋挤渣腔内沿螺旋出口方向移动，其产生的应力主要集中在螺旋叶片的表面，仅仅是多螺旋轴形成了转矩和弯矩，但是该压力实际上是对称地作用在螺旋叶片表面的，从而使得轴体上受到的压力并不大，反而在叶片上作用着很大的压力，这和以上各螺旋应力与云图所示是一致的。

而本文所用螺旋材料为45钢，其材料的屈服强度为355MPa，此情况下的最大应力值超过了屈服应力，因此螺旋叶片会产生永久变形，造成螺旋压榨机性能的不断下降，最终缩短螺旋压榨机的使用寿命[8]。

5 结语

经过理论力学分析，螺旋叶片受到的载荷应集中于螺旋轴和螺旋叶片的推料端一侧。利用ANSYA Workbench进行有限元分析，发现整个螺旋受到的应力是随着螺旋线逐渐变化的，螺旋在螺旋出口端的螺旋叶片根部存在着最大应力，且螺旋叶片的侧面承受着较大的压力，螺旋轴相对来说承受的应力较小。因此在以后针对螺旋进行结构优化时，应设法减小最大端螺旋叶片所受应力，增加螺旋叶片的强度。

[1] 蔡铭. 罐组逆流提取技术在中药领域中的应用研究[D]. 杭州：浙江大学,2006.

[2] 王英,崔政伟. 连续动态逆流提取的现状和发展[J]. 包装与食品机械,2009(1):49-53.

[3] 邓全得,卢博友. 基于ANSYS的农业物料螺旋压榨机螺旋强度分析[J]. 农机化研究,2013(8):58-60.

[4] 邓全得. 螺旋压榨机螺旋的有限元分析[D]. 咸阳：西北农林科技大学,2013.

[5] 李妍. 基于ANSYS软件的接触问题分析及在工程中的应用[D]. 吉林：吉林大学,2004.

[6] 陈磊. 基于ANSYS的钢筋混凝土结构试验有限元分析[D]. 西安：西安理工大学,2004.

[7] 钱光浩. 基于ANSYS的龙门起重机门架结构动态设计与优化研究[D]. 武汉：武汉理工大学,2008.

[8] 朱文坚. 机械设计[M]. 北京:高等教育出版社,2015 .