一种水粪分离筒体离心风干设施的设计及其强度分析

摘 要：近年来，随着乡村振兴战略的实施，用于农村水粪分离回收利用的多种筒体离心风干设施应运而生。介绍一种新型的水粪分离筒体离心风干设施，其主要包括离心风干桶、进水管路、转轴、承托层、破碎棒、排水管路和电机等结构，同时对该设施的主轴和主体强度进行分析。结果表明，该设施的主轴和主体强度都满足要求，该设施在使用过程中安全可靠，可进一步推广使用。

关键词：农村；水粪分离；筒体离心风干设施；安全可靠；强度分析

中图分类号：U455.3 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2023）03-154-4

0 引言

随着社会发展和人们生活水平的提高，美丽乡村建设进程加快，我国部分农村地区农户家里接通了自来水，也采用了水冲式坐便器，极大地方便了村民的生活。然而，中国传统文化中“天人合一”与“物尽其用”的观念，仍深深影响着村民的日常生活与农业生产。古人们从西周时就开始探索粪便与土地肥力的关系，战国时已掌握粪便积肥技术，汉代便有“美粪良田”的说法。在现代化的新农村，人们在享受各项基础设施建设带来的便利的同时，也应最大限度地利用好现有资源。因此，农村急需一种能够将各种粪污进行有效收集利用的装置，以便为农作物的种植提供天然有机肥，从而帮助农业生产提质增效［1-3］。笔者以自己设计并获得相关专利的用于农村水粪分离回收利用的筒体离心风干设施为研究对象，基于Abaqus有限元软件对其主轴和主体强度进行分析。

1 水粪分离筒体离心风干设施的构造和设计原理

1.1 设施构造

水粪分离筒体离心风干设施是一种用于农村粪污收集处理的离心风干装置，主要包括离心风干桶、进水管路、转轴、承托层、破碎棒、排水管路和电机等结构。离心风干桶顶部与进水管路连通，底部与排水管路连通，转轴设置于离心风干桶内并与离心风干桶的轴线重合，转轴底端伸出离心风干桶的底部并与电机输出轴连接。离心风干桶内设有水平的承托层，承托层上设有穿过转轴的轴孔，且承托层上设有多个通孔，破碎棒包括连接杆和设置于连接杆上的破碎部，连接杆的一端与转轴连接，破碎部在承托层上并绕连接杆转动。该设施的具体构造如图1、图2所示。

1.2 工作原理

水粪分离筒体离心风干设施工作原理如图3所示。①离心风干桶呈圆柱状，优选钢筋混凝土框架结构，且框架结构间隙设置玻璃幕墙，使得离心风干桶内得到充足的光照。②进水管路与离心风干桶顶部连通，粪污通过进水管路流入离心风干桶。③转轴设置于离心风干桶内并与离心风干桶的轴线重合，转轴底端伸出离心风干桶底面并通过齿轮与电机输出轴连接。④破碎棒包括连接杆和套设于连接杆上的破碎部，破碎部呈锯齿状，连接杆的一端设置于转轴上，破碎部在承托层上并绕连接杆转动，破碎棒随转轴转动从而带动离心风干桶内的粪污转动，且破碎部将承托层上的粪污进一步破碎，提升固体粪污与水分的分离效果。⑤承托层中心设有供转轴穿过的轴孔，且承托层外周与离心风干桶内侧壁固定连接，承托层表面设置通孔，通孔用于过滤粪污中的水分，承托层外周设置挡板从而将粪污阻拦在承托层内，离心后的水分经通孔流下，最终经由离心风干桶底部的排水管路排出，离心风干桶顶部设有通风孔，自然通风进一步带走固体粪污内的水分，再配合充足的光照，从而高效地将承托层上的固体粪污制作成优质的固态粪肥。承托层可根据应用环境的需要设置多层，并且通孔尺寸自上而下逐渐缩小，通孔在承托层上的分布自上而下逐层由稀疏到密集，每层承托层都配套设置有破碎棒。设置多层承托层能够更好地将粪污中的水分分离，分离后的固体粪污也能得到更为充分的晾干，从而形成优质的固态肥料［4-5］。⑥排水管路与离心风干桶侧壁底部连通，粪污中被分离出的水分通过排水管路排出。

为进一步提升粪肥的晾晒效率，离心风干桶侧壁外设置鼓风机。鼓风机将气流从离心风干桶底部输入，气流穿过承托层上设置的通孔，最终经由离心风干桶顶部设置的通风孔排出，从而快速晾干固体粪污。

2 水粪分离简体离心风干设施的强度校核

2.1 主轴强度校核

根据此设计通风机的轴向尺寸和带轮的一些基本尺寸，以及机械零件相互间的结构要求，确定传动主轴的基本尺寸如图4所示。

该设施中离心通风机的传动方式为C式传动，在工作中运转的传动主轴同时承受弯矩和转矩的作用。为保证设施运行无碍，需要计算出设计中传动主轴承受的最大弯矩和转矩，最终计算出应力合成数值。以下设计中所用计算公式均参考《风机手册》［6］。

2.1.1 主轴所受荷载计算。该装置中主轴的悬臂端直径是阶梯式变化的。设计中为了简化，将其看作是直径相等的轴。估算叶轮质量m1=450 kg，带轮质量m2=50 kg，两轴承支承间轴的质量m4=60 kg，叶轮端悬臂轴质量m5=22 kg，带轮端悬臂轴m6=10 kg，带轮直径D=0.56 m，g取9.81 N/kg。

叶轮质量与不平衡力重力之和计算公式为

[G1=m1[g+（nK1）2]] （1）

带轮质量与带拉力重力之和计算公式为

[G2=m2g+K2][NDn] （2）

两轴承支承间轴的重力计算公式为

[G4=m4g] （3）

叶轮端悬臂轴的重力计算公式为

[G5=m5g] （4）

带轮端悬臂轴的重力计算公式为

[G6=m6g] （5）

式（1）～（5）中：n为转速，取950 r/min；K1为传动系数，取2 135；N为拉力，取37×104 N。将相关数值带入上式中，得G1=4 503.60 N，G2=2 483.08 N，G4=593.36 N，G5=221.37 N，G6=98.28 N。

2.1.2 主轴所受内力计算［6］。传动主轴支撑点A处的反作用力计算公式为

[FA=（G1+G5）×（L+L1）+G4L4-（G2+G6）×L3L] （6）

传动主轴支撑点B处的反作用力计算公式为

[FB=G1+G2+G4+G5+G6-FA] （7）

传动主轴截面A上的弯矩计算公式为

[MA=（G1+G5）×L1] （8）

传动主轴截面B上的弯矩计算公式为

[MB=（G2+G6）×L2] （9）

AB段轴的扭矩计算公式为

[MB=λ×Pn] （10）

式（6）～（10）中：P为功率，取37 kW；λ为系数，取9 551；L1、L2、L4、L为主轴变截面间的长度（见图5）。将2.1.1得到的数据带入上式中，得FA=7 081.19 N，FB=818.50 N，MA=1 729.34 N·m，MB=419.47 N·m，Mt=371.99 N·m。

根据计算可得扭矩在每个截面都相同，弯矩在传动主轴截面A支座处最大，Mmax=1 729.34 N·m，如图5所示。

2.1.3 计算轴的最大应力和材料选用。由图6可知，最大弯矩发生在传动主轴A支座处，因此合成最大的应力位置同样在传动主轴A支座处。

传动主轴A支座处的抗弯截面系数计算公式为

[W=π32d31] （11）

传动主轴A支座处的弯矩计算公式为

[Mn=M2max+M2t] （12）

最大应力计算公式为

[σn=MnW] （13）

式（11）中：d1为传动主轴直径，取0.1 m。将数据带入上式中，得σn=18.02×106 N/m2。根据计算结果，主轴材料最终选用35号优质碳素钢，屈服点σs=530×106 N/m2，σn[<]σs，满足要求。

2.2 叶轮强度校核

2.2.1 轮盘强度计算。叶轮和轴盘的简单示意图如图6所示。

中间孔的直径D1=0.64 m，轮盘直径D2=1.40 m，轮盘厚度δ=0.008 m。轴向力F1、径向力F2计算公式分别为

[F1=ρ012δ（D32-D31）ω2] （14）

[F2=ZπmRcω2] （15）

式（14）（15）中：ρ0为叶轮材料密度，取7.85×103 kg/m3；ω为角速度，取49.74 rad/s；Z为叶轮叶片数量，取16片；m为总叶片质量，取3.87 kg；Rc为叶轮半径，取32.9 mm。将数据带入上式中，得F1=32.13×103 N，F2=16.04×103 N。

轮盘的最大应力计算公式为

[σt1=λ1u22[1+λ2（D1D2）2]] （16）

叶片引起的附加应力计算公式为

[σt2=σt1KF2F1] （17）

轮盘的最大应力计算公式为

[σ´=σt1+σt2] （18）

式（16）～（18）中：λ1、λ2、u2为推导系数，分别取6 500、0.212和69.64；K为轮盘的叶片负荷分配系数，取1。将相关数据代入式中，σt1=32.92×106 N/m2，σt2=16.43×106 N/m2，σ′=49.35×106 N/m2。

轮盘的材料为Q235A，其屈服点σ=235×106 N/mm2。安全系数n=σ/σ′=4.76[>]1，安全。

2.2.2 轮盖的强度计算［6］。此计算过程类似于2.2.1中轮盘强度的计算，不同的是负荷分配系数K′=0.5。轮盖的强度计算公式为

[σ´t2=K´F2F1σt1] （19）

轮盖的最大应力计算公式为

[σ″=σt1+σ´t2] （20）

轮盖的材料为Q235A，其屈服点σ[=]235×106 N/m2。将数据带入上式中，得σ″=41.14×106 N/m2，安全系数n=σ/σ″=5.71[>]1，安全。

3 离心风干桶框架结构强度分析

离心风干桶呈圆柱状，优选钢筋混凝土框架结构，且框架结构间隙设置玻璃幕墙，主要荷载为静水压力和固体粪便的侧向分力，对其强度进行分析。

3.1 圆柱状框架结构压力分析

考虑固体粪便的侧向压力，将总的侧向压力设定为水压力的1.2倍即可满足设计要求。为方便计算，取1/8结构进行计算，即φ=45°，水压力受力分析如图7所示。

水平分力计算公式为

[Fpx=ρghAx] （21）

铅直分力计算公式为

[Fpz=ρg（18πR2）-12h2b] （22）

总压力大小计算公式为

[Fp=Fpx2+Fpz2] （23）

式（21）～（23）中：h为高度，取2.687 m；ρ为水和粪便等效密度，取1.5 kg/m3；R为半径，取3.8 m；b为桶厚度，取0.2 m；Ax为截面面积，取15.32 m2。将各数值带入上式中，得Fpx=41.89 kN，Fpz=52.34 kN，Fp=66.84 kN。

圆柱状离心风干桶优选钢筋混凝土框架结构，混凝土强度等级为C50；框架结构间隙设置玻璃幕墙，玻璃幕墙抗压强度为90 MPa。Fpx=41.89 MPa，小于50 MPa，小于90 MPa，符合强度要求。

3.2 结构有限元分析

3.2.1 结构建模。利用Abaqus有限元分析软件建立三维模型，确定边界条件。根据材料确定E=2.5×106 N/mm3，μ=0.35，建立图8三维模型图。

3.2.2 计算并进行结果对比。利用Abaqus有限元分析软件进行计算，得到离心风干桶应力云图，如图9所示。

根据有限元计算结果可知，最大应力为31.89 MPa，小于50 MPa。由此可见，其强度和变形都符合基本要求。

4 结论

建立农村水粪分离回收利用的筒体离心风干设施模型，利用Abaqus有限元软件进行受力分析，计算载荷作用下应力分布和变形情况，对其结构设计有较好的指导作用。对最大应力进行分析，可以在设施设计阶段校验其结构的安全性。这种分析方法对用于农村水粪分离回收利用的筒体离心风干设施的设计提供了依据，具有很强的实际意义。

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