籽瓜破碎取籽分离机破碎齿辊的有限元分析

熊世磊， 万芳新， 黄晓鹏

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

籽瓜，也称“打瓜”，属于葫芦科的一年生草本植物，是一种耐旱瓜种，低糖低脂低热量，广泛种植于我国西北地区[1-2]。传统上籽瓜的主要用途是破碎后取籽加工食用，除瓜籽之外的成分基本丢弃。

我国籽瓜生产加工机械在20世纪90年代后得到快速发展并日渐成熟[3]，其中可用于破碎取籽的机械有两种类型，其中一种是集籽瓜田间收获与破碎取籽于一体的联合收获机[4]，如阎洪山研发设计的4ZBL-2背负式籽瓜联合收获机，新疆农业科学院研制的籽瓜捡拾脱籽联合作业机；另一种是专用的籽瓜取籽机，如张奋儒等设计的籽瓜脱粒机，新疆八一农学院研制的6DQ-8型籽瓜取籽机等[5-8]。但无论是哪种类型，其目的只是破碎取籽，无法完成籽瓜其他成分的分离应用。由于籽瓜不同成分均有较大的经济价值，综合加工利用已成为籽瓜产业的一个发展趋势，而传统的籽瓜生产加工机械并不能满足籽瓜现代化加工的生产需求，因此开发一种可实现籽瓜不同成分有效分离的籽瓜破碎取籽设备势在必行。为了设计合理的破碎取籽机构，必须对籽瓜的物理机械特性及相关核心部件进行深入研究。牛旭东等对整个籽瓜的力学特性进行了研究，得出了籽瓜的横向和纵向破裂力[9]。牛长河等通过对籽瓜破碎装置的力学分析和研究，验证了打瓜破碎装置满足强度要求[10]。马振等通过对打瓜取籽机关键部位的研究，确定了打瓜齿辊间隙的极限值[11]。朱宗光等对籽瓜破碎取籽机皮瓤分离装置进行了试验研究，确定了影响瓜籽损伤率的重要因素[12]。

本文针对课题组自主研制的籽瓜破碎取籽分离机，利用ANSYS19.0软件对其核心部件破碎齿辊进行有限元分析，为整机结构改进和优化提供理论依据。

1 籽瓜破碎取籽分离机整机结构及工作原理

课题组自主研发的籽瓜破碎取籽分离机整体布局如图1所示，该机主要由机架、破碎装置、皮瓤分离装置、籽瓤分离装置、传动装置等部件组成。工作时，将籽瓜从喂料部分喂入，先经过高速旋转破碎齿辊的冲击破碎，继而在挤压齿辊的挤压作用下形成破碎后的皮瓤籽混合物。经破碎后的混合物被送入皮瓤分离装置，在螺旋挤压输送过程中实现瓜皮和籽瓤的分离，瓜皮经瓜皮出口排出，而籽瓤混合物通过皮瓤分离装置下部的筛孔进入籽瓤分离装置，在籽瓤分离装置螺旋挤压输送的作用下实现瓜籽和瓜瓤的分离，分离后的瓜籽经瓜籽出料口排出，瓜瓤汁则经瓜汁出料口流出。

图1 籽瓜破碎取籽分离机整体布局

破碎装置是整个籽瓜破碎取籽机的核心部件，主要由喂料口、破碎齿辊和挤压齿辊组成，结构如图2、图3所示。由于挤压齿辊在工作中所受交变载荷远小于破碎齿辊，故本文主要研究破碎齿辊在工作过程中的受力情况。

图2 破碎装置三维结构

图3 破碎装置二维结构

2 破碎齿辊的有限元分析

2.1 ANSYS模型的建立和有限元网格划分

破碎齿辊三维实体模型如图4所示，在Solidworks 2018中建立三维破碎齿辊三维实体模型，并将其保存为.x_t文件[13-14]，通过ANSYS19.0中的导入接口，得到如图5所示的破碎齿辊模型。破碎齿辊作为破碎装置中的核心部件，在实际工作中必须满足正常的拆卸、装配，减小应力集中。本次分析中，由于该破碎齿辊所选用材料为不锈钢，故定义单元类型为Solid/Brick 8 node 185，材料属性见表1。采用自由网格划分，划分结果如图6所示。

表1 破碎齿辊材料属性

图4 破碎齿辊三维实体模型

图5 破碎齿辊的ANSYS模型

图6 破碎齿辊网格划分

2.2 施加约束和载荷

根据课题组对籽瓜破碎取籽分离机的实际试验研究得出，该破碎齿辊适宜的工作转速为120～135 r/min[15-16]。启动前，该机构仅受重力和轴承对其的支持力。启动后，当其不进行打瓜作业时，该机构同时受到电动机施加的转矩、重力、轴承对其的支持力，以及转动过程中的摩擦力。当进行打瓜作业时，打瓜齿又受到籽瓜施加的阻力，这时存在两种情况，即单个打瓜齿受到阻力和两个打瓜齿同时受到阻力。通过对籽瓜力学特性的研究，得出了籽瓜纵向压缩时破裂力为945 N，横向压缩时破裂力为498 N。然而实际打瓜过程中，打瓜齿受到阻力并不是集中力。为了分析方便，在对破碎齿辊进行静力学分析时，选取籽瓜破裂的瞬时状态进行分析，假设打瓜齿的半个齿面同时受到945 N的均布力，同时破碎齿辊固定不动，对其两端施加固定约束。破碎齿辊施加约束和载荷后的结果如图7和图8所示。

图7 单个打瓜齿受力

图8 两个打瓜齿受力

2.3 试验结果分析

通过ANSYS19.0软件分析计算，可以得出单个打瓜齿和两个打瓜齿受力后的位移云图和应力云图，如图9～12所示。

图9 单个打瓜齿受力位移云图

图10 两个打瓜齿受力位移云图

图11 单个打瓜齿受力应力云图

图12 两个打瓜齿受力应力云图

从图9可以得出，在打瓜过程中，当只有一个打瓜齿受到阻力时，该打瓜齿的外齿端发生最大变形，其最大变形量为0.532E-06 mm。整个打瓜齿的形变程度由外齿端到内齿端逐渐减小，整个破碎齿辊上最小的变形发生在主轴的短轴端处，最小变形量为0 mm。从图10可以得出，在打瓜过程中，当有两个打瓜齿同时受到阻力时，外齿端均发生最大变形，其最大变形量为0.912E-06 mm，整个破碎齿辊上最小的变形仍发生在主轴的短轴端处，最小变形量为0 mm。由于最大变形量的量值太小，几乎可以忽略不计，因此该破碎齿辊刚度满足要求。

从图11和图12可以得出，工作过程中，当一个打瓜齿受到阻力时，整个破碎齿辊打瓜齿的内齿端与主轴相交处应力最大，最大值为134 363 Pa，最小应力在其他打瓜齿的外齿端，最小值为0.430E-05 Pa；当两个打瓜齿同时受到阻力时，整个破碎齿辊上，主轴的短轴端轴肩处外表面应力最大，最大值为207 484 Pa，最小应力也在其他打瓜齿的外齿端，最小值为0.928E-05 Pa。由于该破碎齿辊所选取的材料为不锈钢，其应力值远小于该材料的许用应力，故该机构满足强度要求。由于该机构有限元分析中，其最大应力在打瓜齿的内齿端与主轴相交处和轴肩处，在设计和加工时，为减小应力集中，应注意光滑过渡和圆角处理。

3 小结

基于ANSYS19.0软件对自主研制的籽瓜破碎取籽机核心部件破碎齿辊进行了有限元分析，结果表明，当单个打瓜齿打瓜时，该部件的最大变形在该打瓜齿的外齿端，整个打瓜齿的形变程度由外齿端到内齿端逐渐减小，最小变形发生在主轴的短轴端处，最大应力发生在该打瓜齿的内齿端与主轴相交处，最小应力在其他打瓜齿的外齿端；当两个打瓜齿同时打瓜时，该部件的最大变形均发生在它们的外齿端，最小变形仍发生在主轴的短轴端处，最大应力产生在主轴的短轴端轴肩处外表面，最小应力也在其他打瓜齿的外齿端。从结果分析可知，该部件的最大应力值远小于该材料的许用应力，最大变形量几乎可以忽略。但由于该部件的最大应力在打瓜齿的内齿端与主轴相交处和轴肩处，故在设计和加工时，应注意光滑过渡和圆角处理。本研究可为籽瓜破碎取籽机的结构优化提供理论依据。