带式干燥机污泥自动挤出装置结构优化设计-周宏伟

带式干燥机污泥自动挤出装置结构优化设计周宏伟，芮延年，张炎，童玉武（苏州大学，江苏苏州215021）来稿日期：2013-12-29基金项目：国家863项目（2012AA063506）作者简介：周宏伟，（1989-），男，江苏盐城人，硕士研究生，主要研究方向：机电一体化技术-过程装备应用；芮延年，（1952-），男，安徽蚌埠人，工学博士，教授，博士生导师，主要研究方向：仿真工程学，人工智能及机器人等1引言带式污泥干燥机是一种常见的干燥设备，其工作原理[2]，如图1所示。需要干燥的污泥通过污泥挤出装置，将其均匀的布置在干燥机输送带上，干热空气穿流在输送带与污泥之间，污泥中水分被气化排出厢体外。通过对污泥干燥温度和时间（带速）的控制，获得要求的干燥效果。其中污泥自动挤出装置的结构设计是带式污泥干燥机关键技术之一。输送带加料装置引风机热空气喷嘴图1带式干燥机原理图Fig.1PrincipleDiagramofBeltDrier污泥挤出方式主要有对辊式、压片式、条状挤出式等，如图2所示。大量实践证明，对辊式和压片式的污泥挤出装置对污泥含水率范围有一定要求；通常对于含水率80%左右的污泥不能直接采用对辊式和压片式污泥挤出装置。条状污泥挤出装置比较适合带式干燥机工作要求。但是，现有的条状污泥挤出装置，存在着因污泥中杂质堵塞筛孔、剪切主轴断裂问题。（a）（b）（c）图2污泥挤出方式Fig.2WaysofSludgeExtrusion针对现有条状污泥挤出方式所存在的问题，拟通过研究，设摘要：为了提高带式污泥干燥机效率，干燥研究者们一直在寻求通过改变污泥干燥形态来达到此目的，条状污泥便于实现快速、高效的干燥，因此其挤出装置的结构设计十分重要。通过对带式污泥干燥技术的研究，在参考国外污泥自动挤出技术的基础上，研究设计了一种新型的条状污泥自动挤出装置。在结构设计的基础上，为了验证结构的可靠性，则进一步对关键剪切主轴进行了数学建模，优化设计与仿真，并对其进行了力学性能实验，实验证明了所设计的剪切主轴安全可靠。关键词：带式污泥干燥；条状污泥挤出装置；扭转剪切主轴中图分类号：TH16；TQ639.3文献标识码：A文章编号：1001-3997（2014）06-0043-03OptimizationDesignofBeltDrierSludgeAutomaticExtrusionDeviceStructureZHOUHong-wei，RUIYan-nian，ZHANGYan，TONGYu-wu（SoochowUniversity，JiangsuSuzhou215021，China）Abstract：Inordertoimprovetheefficiencyofbelttypesludgedryingmachine，dryingresearchershasbeenseekingbychangingthesludgedryingformtoachievethispurpose，stripsludgeiseasytorealizerapid，efficientdrying，sothestructuredesignofextrusiondeviceisveryimportant.Basedontheresearchofbelttypesludgedryingtechnology，andreferencesfromforeignsludgeautomaticextrusiontechnology，anewtypeofautomaticstripsludgeextrusiondeviceisdesigned.Onthebasisofthestructuredesign，furthermathematicalmodeling，optimizationandsimulationandmechanicalperformanceexperimenthavebeenmadeonthecriticalshearspindleinordertoverifythereliabilityofthestructure，theexperimentprovesthatthedesignofshearspindleissafeandreliable.KeyWords：BeltTypeSludgeDrying；StripSludgeExtrusionDevice；TorsionalShearSpindleMachineryDesign＆Manufacture机械设计与制造第6期2014年6月43计一种新型的条状污泥自动挤出装置，并对其关键剪切主轴进行结构优化设计。2条状污泥自动挤出装置在参考国外先进污泥挤出装置的基础上，针对其存在的问题，结合我国污泥性质（存在着毛发、纤维物以及杂物较多的现状），研究设计了一种改进型条状污泥自动挤出装置，如图3、图4所示。由图3可见，污泥在螺杆泵压力作用下，污泥穿过筛板孔，被挤压成细长面条状。为了防止毛发、纤维物以及杂物对网孔板的堵塞，挤出装置中间设计了一个剪切主轴，通过剪切刀对可能堵塞的杂质，如毛发、纤维、固体物等进行剪切。剪切电机螺杆泵输入切割刀片图3条状污泥自动挤出装置Fig.3StripSludgeAutomaticExtrusionDevice从图4所示的条状污泥自动挤出装置可看出，装置悬挂在带式污泥干燥机上方的轨道上，由移动电机带动其沿轨道进行往复布泥运动。1236541.污泥进料端2.除臭剂进料端3.剪切电机4.滚轮5.污泥面条出料端6.移动电机图4条状污泥自动布料装置Fig.4StripSludgeAutomaticClothDevice3力学模型3.1剪切主轴受力分析由于条状污泥自动挤出装置结构的限制，剪切主轴直径通常不能够设计的过粗，否则会影响到污泥挤出生产能力。因此，剪切主轴的结构及可靠性设计问题尤为突出。大量生产实践证明，剪切轴主要破坏的形式是扭转力矩破坏。即在污泥挤出过程中，当遇到物体阻塞在污泥挤出的筛板孔中，有时会产生梗阻力矩，使得电动机停止工作、剪切主轴扭断，甚至会使电动机烧坏。由于梗阻现象时有发生，剪切主轴安全可靠性问题以及梗阻时电动机自动断电保护时间设置问题都变得十分重要。针对这一问题，经研究设计了一种弹性扭转剪切主轴，如图5所示。主剪切轴扭簧轴从剪切轴MeMc图5剪切轴受力分析Fig.5ShearAxialForceAnalysis由图5可见，该剪切主轴由主剪切轴、扭簧轴和从剪切轴3部分组成。剪切主轴工作时受到的力有：电动机驱动产生的力矩Me，剪切时所受到的最大剪切阻力矩Mc等。对于本弹性扭转剪切主轴来说，其优化的关键就是扭转轴，即扭簧轴的设计。3.2扭转弹簧优化设计扭转弹簧的几何尺寸模型，如图6所示。H0Ddt图6圆柱螺旋扭转弹簧几何尺寸Fig.6GeometrySizeofCylindricalHelicalTorsionalSpring3.2.1设计变量选取扭转弹簧4个独立参数为设计变量[4]：X=［x1，x2，x3，x4］T=［d，C，α，n］T式中：d—扭簧钢丝直径；C—扭簧的旋绕比（D/d）；α—扭簧的螺旋角；n—扭簧圈数。3.2.2目标函数弹性剪切主轴工作时所受到的扭矩由扭转弹簧变形来吸收。优化设计中，希望扭转弹簧的变形势能为最大，但又不超过其许用应力值。因此，选择扭转弹簧的变形能（由扭转角和扭矩替代）作为优化设计的目标。U=Tφ（1）式中：T—扭簧所受的扭矩；φ—扭簧扭转角。圆截面扭转弹簧扭转角公式：φ=πTDn（2）式中：D—扭簧的中径；E—扭簧材料弹性模量；I—扭簧材料截面惯性矩。将式（2）带入式（1）可得到扭转弹簧优化设计的目标函数为：maxf（x）=32T2x2x4Ex31（3）第6期周宏伟等：带式干燥机污泥自动挤出装置结构优化设计443.2.3约束条件（1）强度约束扭转弹簧在工作中需要较大的变形势能，因此需要承受较大的应力，但不能超过其许用应力值。则约束条件为：σmax=K110.2T燮［σ］（4）式中：K1—曲度系数，K1=4C-14C-4；［σ］—材料许用应力，查表所得。即：g1（x）=4x-1210.2Tx31燮［σ］（5）（2）弹簧中径约束扭转弹簧上下端连接剪切轴的主从轴，故其中径受限于剪切轴的轴径，其约束条件为：D-d=40mm（6）即：g2（x）=x1-402=0（7）（3）设计变量边界约束参数变量取值范围为：5燮x1燮8（取弹簧直径系列）（8）3燮x2燮16（9）5燮x3燮12（10）6燮x4燮15（取整数圈）（11）4设计实例4.1设计条件已知某圆柱螺旋扭转弹簧所受的扭矩T=18000N.mm。材料选用65Mn弹簧钢丝，弹簧材料切变模量G=78800MPa，弹性模量E=196000MPa，按Ⅱ类载荷取材料的许用应力σ=1400MPa。4.2优化求解数学模型是一个非线性的约束规划问题[5]，选用收敛精度为ζ=10-4，在满足上述6个约束条件的前提下，使用MATLAB优化工具箱中的fmincon函数进行优化求解。编制程序略[7]。4.3优化结果MATLAB仿真优化结果，如表1所示。表１优化结果Ｔａｂ．１ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＲｅｓｕｌｔｓ设计变量最优解修整后d7.237.5D6.536.5α9.089n8.4295实验研究为了进一步验证该剪切轴的可靠性，在优化设计结果的基础上，对弹性剪切轴进行实验研究。主要实验内容如下：（1）利用PG-AN-100弹簧扭力试验机对设计的扭簧轴进行最大承受扭矩（包括对于扭转角）的实验研究。实验结果，如图7所示。（2）将笔记本电脑与弹簧扭力试验机连接起来，通过对工作电流的测试，进行弹性剪切轴梗阻电流（扭矩）-时间实验。实验结果，如图8所示。图7扭簧最大承受扭矩和扭转角实验Fig.7ExperimentofSpringMaximumTorsionalTorqueandAngle骨质材料梗阻剪切塑性材料梗阻剪切图8弹性剪切轴梗阻电流（扭矩）-时间实验Fig.8ExperimentofElasticShearShaftObstructionCurrent（Torque）-Time从上述实验得出以下结论：（1）由图7可看出，依据设计参数制造的扭簧轴，随着扭转角的增大，转矩增大，当扭转角增大到60°左右时，扭矩达到最大值。当进一步增大扭转角时，扭矩开始变小，扭簧开始发生屈服变形，即扭簧最大许用扭矩为25kN·mm。扭簧最大工作扭矩T=18000N·mm=18kN·mm，最大许用扭转角φ≈60°。（2）由图8可以看出，当剪切轴发生梗阻剪切时，其功率（电流）随梗阻时间急剧增大，（2~3）s时段达到最大值。实验骨质材料和塑性材料梗阻扭矩变化不大。由实验可以看出，电动机梗阻电流保护时间燮3s即可。5结论这里所作的研究可以归纳如下：（1）首先阐述了课题来源，主要研究内容。并通过对带式污泥干燥技术的研究，在参考国外先进污泥自动挤出装置的基础上，研究设计了一种新型的污泥自动挤出装置。（2）针对剪切主轴梗阻剪切安全需要，研究设计了一种弹性剪切主轴结构。（3）对弹性剪切主轴的扭簧进行了优化设计。扭簧材料选用65Mn弹簧钢丝；扭簧内径准=40mm；扭簧钢丝直径：准=7.5m；扭簧螺旋角：α=9°；扭簧圈数：n=9。经实验证明所设计的扭簧最大许用扭矩为25kN·mm，远远小于最大工作扭矩T=18000N·mm=18kN·mm，扭簧十分安全。（4）对剪切主轴发生梗阻剪切，电动机安全保护所需时间进行了实验研究，经实验电动机安全保护时间燮3s即可。（下转第48页）机械设计与制造No.6Ｊｕｎｅ．２０１４45参考文献［1］刘强.污泥处理处置、新技术、新工艺、新设备［M］.北京:化学工业出版社，2011.（LiuQiang.SludgeDisposal，NewTechnologies，NewProcesses，NewEqu-ipment［M］.Beijing：ChemicalIndustryPress，2011.）［2］潘永康.现代干燥技术［M］.北京:化学工业出版社，2007.（PanYong-kang.ModernDryingTechnology［M］.Beijing：ChemicalIndu-stryPress，2007.）［3］GOHATC，KULHAWYFH.Reliabilityassessmentofgeotechnicalserv-iceabilitystateusingneuralnetworks［J］.NewYork：GeoCongress，2006.［4］张英会.弹簧手册［M］.第二版.北京:机械工业出版社，2008.（ZhangYing-hui.Spring-Handbook［M］.2ndEd.Beijing:MechanicalIndustryPublishingHouse，2008.）［5］张鄂.机械与工程优化设计［M］.北京:科学出版社，2008.（ZhangE.MechanicalOptimizationDesignandEngineering［M］.Beijing：SciencePress，2008.）［6］MarioKppen.Many-objectiveparticleswarmoptimizationbygraduallea-derselection［J］.LectureNotesincomputerscience，2007（4431）：323-331.［7］卓金武.MATLAB在数学建模中的应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2011.（ZhuoJin-wu.TheApplicationofMATLABInMathematicalModeling［M］.Beijing：BeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsPress，2011.）到很大作用。若未顺利起步，溜车时，连接装置（4）（采用防抱死原理）起到刹车作用，（4）连接的轴Z3和Z4，Z4转而Z3不转，起到刹车作用，给驾驶员赢得换踩操作时间，以免有过大的动力逆向传到蜗簧装置中而破坏蜗簧助力装置。3.2安全启动当驾驶员再次插入行车钥匙或遥控给电瞬间，空挡传感器给出判断信号，若未处于空挡，则空挡传感器给抱爪（5）信号，强制性对抱爪（5）断电，使抱爪（5）处于闭合状态，助力爪（6）仍抱紧动力轴Z6。若驾驶员启动车辆，车未摘档，抱爪（5）将抱住齿轮7，迫使车辆不能行进或后退，以致熄火。此安全装置在驾驶员忘记摘档，重新点火时，可以避免车辆的任何窜动。避免由于驾驶员的疏忽造成的任何不必要的损失。如图2所示。4故障排除措施若助力爪（6）未抱住动力轴Z4，其它装置均正常，安全与助力装置将无法实现其预设功能，轴Z4上的压电式传感器将在驾驶室给出信号，驾驶员将按无助力和安全装置来驾驶车辆。当车辆处于驻车状态，空挡传感器判断档位未处于空挡，抱爪（5）未闭合，（5）装置上的压电式传感器给出（5）未闭合的信号，可以节气门进行一些改造，让其闭合，使车辆将不能启动，驾驶员检查档位即可。结构描述，如图1所示。5结论安全助力系统主要有安全装置和助力装置两部分组成，这两部分的控制主要靠继电器和传感器给出信号控制电磁阀的动作来实现的。安全助力系统主要依靠机械传动机构来实现各种预设功能。例如：利用板式蜗簧提供辅助上坡动力[8]，很好地解决了江淮和悦（三厢）等车辆动力不足问题；利用齿轮变速机构，实现力矩缩放、力矩方向转换，利用蜗轮蜗杆机构实现了反向自锁。该助力安全装置操作简单，性能稳定、安全。实现车辆坡起容易，更能预防意外发生。为避免影响驾驶员的起步动作，安全助力系统工作时仅对两个非驱动轮进行制动干预控制。本装置安装在底盘上，虽然增加了车身的一点重量，但它也增加了车身的稳定性。助力安全装置可以很好的辅助坡起，减轻驾驶员体力消耗，降低坡起的操作复杂性。同样也排除了未摘档车辆点火存在的安全隐患。参考文献［1］崔海峰，刘昭度.基于ABS/ASR集成控制系统的汽车坡道起步辅助装置［J］.农机化研究，2006（8）：193-195.（CuiHai-feng，LiuZhao-du.Hill-startassistcontroldevicebasedonABS/ASRintegratedcontrolsystemforcar［J］.JournalofAgriculturalMechan-izationResearch，2006（8）：193-195.）［2］崔海峰，刘昭度，王国业.基于扭矩传感器的汽车坡道起步辅助系统［J］.仪器仪表学报，2006（6）：1191-1193.（CuiHai-feng，LiuZhao-du，WangGuo-ye.Hill-startassistcontrolsystembasedontorquesensorforcar［J］.ChineseJournalofScientificInstrument，2006（6）：1191-1193）［3］明轩，周继峥.丰田新型主动牵引力控制系统（ActiveTRC）—丰田霸道SUV越野车的最新装备［J］.汽车与配件，2003（39）：24-26.（MingXuan，ZhouJi-zheng.ControlsystemofToyota’snewactivetraction（ActiveTRC）—thelatestequipmentofToyotabullyingSUVs［J］.Autom-obile&Parts，2003（39）：24-26.）［4］金伦，葛安林，程秀生.电控机械式自动变速器起步控制［J］.汽车技术，2004（12）：15-17.（JinLun，GeAn-lin，ChengXiu-sheng.Startingco