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螺旋壓榨機(jī)廣泛應(yīng)用于含有一定纖維農(nóng)業(yè)物料的榨汁和脫水作業(yè)。如經(jīng)果汁分離后的鮮葡萄皮渣或者發(fā)酵后的葡萄皮渣、沙棘果、蘆薈和生姜等果蔬的榨汁；玉米芯渣、絞股藍(lán)、甜葉菊、白菜、烏拉草、芹菜或菊花等的脫水。該裝置主要由動(dòng)力裝置、擠壓螺旋、螺旋管、壓榨機(jī)本體、進(jìn)料斗及卸料斗等組成。其工作過(guò)程為：農(nóng)業(yè)物料由進(jìn)料斗進(jìn)入螺旋管，在擠壓螺旋的作用下進(jìn)行壓榨，脫水后從出口排出。而在對(duì)待加工農(nóng)業(yè)物料進(jìn)行擠壓的過(guò)程中，現(xiàn)有壓榨螺旋是靠著螺旋與螺旋管內(nèi)壁的距離越來(lái)越小來(lái)完成壓榨的，螺旋葉片會(huì)受到強(qiáng)力的擠壓作用。因此，螺旋的強(qiáng)度是否滿足要求成為保證螺旋壓榨機(jī)正常運(yùn)行的重要條件。
目前，用于農(nóng)業(yè)物料壓榨的壓榨螺旋還未曾有過(guò)對(duì)其有限元分析。如果壓榨螺旋強(qiáng)度不夠，將導(dǎo)致螺旋發(fā)生疲勞，以致破損甚至發(fā)生斷裂。輕者造成壓榨性能大幅度下降，出現(xiàn)局部堵塞現(xiàn)象；重者將造成機(jī)器嚴(yán)重破損，相關(guān)系列生產(chǎn)出現(xiàn)大面積中斷事故。本文根據(jù)壓榨螺旋的工作特點(diǎn)及其材料屬性的要求，對(duì)壓榨螺旋進(jìn)行了理論受力分析，在此基礎(chǔ)之上對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，最終確定了整個(gè)壓榨螺旋的受力分布情況。這既為壓榨螺旋的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的理論基礎(chǔ)，又為螺旋壓榨機(jī)對(duì)農(nóng)業(yè)物料進(jìn)行正常的壓榨分離提供了保障。
螺旋壓榨機(jī)在對(duì)農(nóng)業(yè)物料進(jìn)行作業(yè)的過(guò)程中，壓榨螺旋螺紋與農(nóng)業(yè)物料間的摩擦是不可忽略的。為此，本文考慮了摩擦因素，對(duì)螺旋進(jìn)行受力求解，如圖所示。將其螺紋類型可以簡(jiǎn)化為矩形，設(shè)其平均半徑螺距為h，螺紋升角為a，螺母螺紋與螺桿間的靜摩擦系數(shù)為f，則螺旋壓榨機(jī)在作業(yè)的過(guò)程中，當(dāng)主動(dòng)力偶M作用于螺桿使得其處于旋進(jìn)工況時(shí)，螺旋會(huì)受到農(nóng)業(yè)物料的反作用力F。取壓榨螺旋的小塊工作面元，設(shè)作用其上的法向約束反力為△Fn，摩擦力分為△F，在螺桿旋進(jìn)時(shí)，由庫(kù)倫摩擦定律可知，在極限情況下有由于壓榨螺旋處于臨界平衡狀態(tài)，假設(shè)驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的極限力偶矩為MH，在壓榨螺旋螺紋工作表面上，受到其約束反力主矢FZ，該力與螺旋受到農(nóng)業(yè)物料的反作用力F相平衡，并且驅(qū)動(dòng)力偶M與主矢MZ是相平衡的。在螺旋所處的空間力系中，由其平衡方程可以得到對(duì)于該農(nóng)業(yè)物料螺旋壓榨機(jī)，螺桿所受到的軸向壓力F、在螺旋中徑處受到的圓周力為F，與驅(qū)動(dòng)力偶矩M的關(guān)系則可以表示為由螺旋壓榨機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和以上分析可知，葉片單位面積上受壓榨物體產(chǎn)生的平均約束反力Fn=950N/m2，螺旋葉片的摩擦力FS=750N/m2。而螺旋壓榨機(jī)作業(yè)過(guò)程中螺旋的強(qiáng)度是否滿足要求則需要利用有限元法進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。下面用ANSYS軟件對(duì)壓榨螺旋進(jìn)行強(qiáng)度的分析。
該壓榨螺旋的基本參數(shù)為：螺距118mm，共4圈；葉片厚4mm；螺旋外徑118mm；功率3kw。物料壓榨后排干渣量1.5m3/h；材料為45號(hào)鋼。首先，在ProE中建立螺旋的實(shí)體模型；然后，通過(guò)ANSYS與ProE的接口將其轉(zhuǎn)入到ANSYS軟件中，如圖所示；接下來(lái)，選擇Solid285類型完成對(duì)螺旋模型的自由網(wǎng)格劃分。壓榨螺旋受力如圖所示。
螺旋壓榨機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，所壓的農(nóng)業(yè)物料會(huì)對(duì)螺旋葉片產(chǎn)生反作用力，分別為摩擦力F和正應(yīng)力Fn。將這些反作用力等效地作用到與物料相接觸的螺旋葉片表面以及螺旋徑向的最外層部分，進(jìn)行求解后，螺旋的變形情況如圖所示。利用ANSYS后處理分析，得壓榨螺旋節(jié)點(diǎn)位移的矢量和圖如圖所示。由圖可知，壓榨螺旋的位移最大量為0.469mm，并且螺旋的徑向位移的最大值都均未超過(guò)這個(gè)最大值。由此可以確定，當(dāng)壓榨螺旋受到被壓農(nóng)業(yè)物料的作用時(shí)，其所發(fā)生的位移量是滿足變形條件的。
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