第37卷第2期武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版)Vol. 37 No. 22015年4月JOURNAL OF WUT( INFORMATION MANAGEMENT ENGINEERINGApr.2015文章編號:2095-3852(2015)02-0161-05文獻標(biāo)志碼:A污水分離機構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化李晚霞2,徐楊坤2,何耀華2,甘宇(1.武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,湖北武漢430070;2.現(xiàn)代汽車零部件湖北省重點實驗室,湖北武漢4300703.湖北三環(huán)專用汽車有限公司,湖北十堰442012)摘要:設(shè)計了一種用于過濾、分離生活污水的污水分離機構(gòu),該機構(gòu)主要由氣囊機構(gòu)、濾網(wǎng)和濾筒組成。氣囊機構(gòu)主要由彈簧機構(gòu)和導(dǎo)向擠壓機構(gòu)組成。應(yīng)用三維建模軟件對該機構(gòu)建立三維模型,采用有限元軟件對重要負(fù)載部件彈簧機構(gòu)進行了分析計算和優(yōu)化設(shè)計,保證了污水分離機構(gòu)工作性能和強度要求,為污水分離機構(gòu)及圓柱螺旋拉伸彈簧的設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞:污水分離機構(gòu);氣囊機構(gòu);拉伸彈簧;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計中圖分類號:U462.25DO:10.3963/j.isn.2095-3852.2015.02.008城市生活污水處理變得越來越重要,據(jù)測算城鎮(zhèn)供水的80%轉(zhuǎn)化為污水,經(jīng)收集處理后,其中70%可再循環(huán)利用。可移動作業(yè)的污水處理車能夠較好地處理分散的城市污水,有效實現(xiàn)污水循環(huán)再利用,而污水分離機構(gòu)直接影響污水處理車的污水分離效率,因此設(shè)計實用、高效的污水分離機構(gòu)能夠有效地保證污水處理車的可靠性委和可操作性。目前污水分離方法主要包括自然沉降法、離心分離法、真空抽吸法、濾網(wǎng)攔截過濾法和磁分離技術(shù)等物理分離法,以及絮凝沉淀、藥物(a)污水分離機構(gòu)結(jié)束分離污水處理等化學(xué)分離法2-。物理方法可操作性強,能夠通過合理的機械機構(gòu)實現(xiàn)污水的固液分離。1污水分離機構(gòu)與運動設(shè)計1.1污水分離機構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理圖1所示為一種污水分離機構(gòu)原理圖,該機構(gòu)主要由濾筒、濾網(wǎng)和氣囊機構(gòu)組成。過濾開始時氣囊處于如圖1(b)所示的收縮狀態(tài),從入水口向濾網(wǎng)內(nèi)抽入污水,抽滿后關(guān)閉入水口,然后往導(dǎo)向氣缸內(nèi)充入高壓氣體,使導(dǎo)向擠壓機構(gòu)軸向伸(b)污水分離機構(gòu)抽入污水長,推動氣囊下蓋板向下擠壓污水,使清水從濾網(wǎng)孔流入濾筒內(nèi)并由出水口流出,濾渣則留在濾網(wǎng)圖1污水分離機構(gòu)原理圖1—氣囊進排氣口;2一氣囊上蓋板;3—氣囊;4—濾網(wǎng);5—導(dǎo)向底部,擠壓結(jié)束后排出導(dǎo)向氣缸內(nèi)的高壓氣體,然擠壓機構(gòu);6—濾出的清水;7一高壓氣體;8一拉伸彈簧機后打開濾筒底部控制閥,使濾渣從濾筒底部排出9一出水口;10—氣囊下蓋板:11—濾筒;12-濾渣;13-濾筒底濾渣排出后關(guān)閉濾筒底部控制閥,打開人水口進部控制闞:4-人水口;15一污水武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版)2015年4月行下一次濾水過程。短至最短狀態(tài)時,要求彈簧原長h很小,以保證該機構(gòu)能夠有效過濾分離污水,且機構(gòu)全部一個過濾過程中濾網(wǎng)內(nèi)一次抽入的水量足夠大,布置在濾筒內(nèi)部,節(jié)約布置空間。氣囊擠壓機構(gòu)從而提高過濾分離污水的效率。氣囊在收縮狀態(tài)在工作過程中必須保證氣囊下蓋板沿著濾網(wǎng)軸線時,彈簧需要承受機構(gòu)及彈簧自身等重力作用,因來回運動,為此設(shè)計了拉伸彈簧機構(gòu)和導(dǎo)向擠壓此在允許的設(shè)計空間內(nèi),為了保證ho足夠小,并機構(gòu)從圖1(a)可以看出,氣囊的擠壓行程越大,且增加拉伸彈簧的剛度,采用組合彈簧的形式。該機構(gòu)一次循環(huán)過程分離的污水量越多,其工作氣囊內(nèi)安裝3組如圖3所示的拉伸彈簧機構(gòu),所效率越高設(shè)計的彈簧直徑D和旋繞比C可以選取較大值1.2污水分離機構(gòu)的設(shè)計計算以實現(xiàn)小軸向尺寸、大軸向行程,同時應(yīng)保證彈簧所設(shè)計的污水分離機構(gòu)中每個過濾分離過程的疲勞強度滿足使用要求。的進水量為0.19t(污水密度按1.5kg/L計算),進水過程為10s,擠壓分離過程為5s,卸渣過程上彈簧支座為5s,整個過濾過程為20s,則1h過濾分離的污水量為34.2t。若系統(tǒng)每天工作10h,則一天能夠過濾分離污水342t,將產(chǎn)生巨大的環(huán)境效益。2彈簧機構(gòu)的設(shè)計計算2.1設(shè)計條件氣囊機構(gòu)如圖2所示,在氣囊上、下蓋板之間連接有拉伸彈簧機構(gòu)和導(dǎo)向擠壓機構(gòu),以保證氣囊在壓縮到最短狀態(tài)時(圖2(b))氣囊上下蓋板之間的距離為ho,而氣囊伸長到最長狀態(tài)時(圖2下彈簧支座(a))氣囊上下蓋板之間的距離為h1,保證氣囊的圖3拉伸彈簧機構(gòu)設(shè)計方案行程為(h1-ho),且拉伸彈簧機構(gòu)所提供的拉力能將氣囊從最長狀態(tài)收縮至最短狀態(tài)。在所設(shè)計選取60Si2Mn為彈簧材料,彈簧為承受動載荷機構(gòu)中,ho為250mm,h1為600m,氣囊在壓縮的一般彈簧,由表1可知材料的許用剪切應(yīng)力[T到最短狀態(tài)時彈簧所承受的質(zhì)量為25kg。為495MPa,許用彎曲應(yīng)力[σ]為925MPa,彈性模量E為2.06×10MPa,切變模量G為7.9×10MPa,彈簧的工作溫度在-40-120℃之間°。兩個組合拉仲彈簧的鉤環(huán)中心距在變形過程中始終保持相等,上彈簧支座固定在氣囊上蓋板上,下彈簧支座固定在氣囊下蓋板上,伸張擠壓行程彈簧會隨著氣囊的伸張而伸張,而排氣收縮過程氣囊則會隨著彈簧的收縮而收縮。2.3螺旋拉伸彈簧傳統(tǒng)計算方法強度剛度校核(a)氣囊伸長到最長b)氣囊縮短到最短圖4所示為拉伸彈簧受拉伸作用時的簧絲截圖2氣囊機構(gòu)行程圖面受力圖,由于簧絲承受軸向載荷F的作用,在螺旋簧絲任一截面處都有切向力F產(chǎn)生的切應(yīng)力和2.2設(shè)計方案的選取轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。選取一個簧絲從圖2可以看出,彈簧行程較大,且彈簧在縮截面,圖4(a)為截面上切向力引起的切應(yīng)力分布表1所選彈簧的許用應(yīng)力許用剪切應(yīng)力/MP2材料許用彎曲應(yīng)力/MPa彈性切變I類Ⅱl類Ⅲ類Ⅱ類Ⅲ1類模量E/MPa模量G/MPa60Si2 Mn37020600第37卷第2期李晚霞,等:污水分離機構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化163簡圖,圖4(b)為轉(zhuǎn)矩引起的切應(yīng)力分布簡圖,圖4(c)為兩種應(yīng)力的合成簡圖,由于受到螺旋角和曲率的影響,彈簧絲截面的應(yīng)力如圖4(d)所示,圖中所示e點的應(yīng)力最大所設(shè)計的彈簧為承受載荷循環(huán)次數(shù)在10°以下的變載荷彈簧和承受動載荷的一般彈簧,所選(a)簧絲截面切向力引起(b)簧絲截面轉(zhuǎn)矩引起的切應(yīng)力分布簡圖的切向力分布簡圖參數(shù)如表2所示由表1數(shù)據(jù)可知,許用切應(yīng)力[τ]的值在噴丸處理后增加20%,因此噴丸處理后拉伸彈簧的許用切應(yīng)力[T]為594MPa。拉伸彈簧的計算公式如下89(c)切向力和轉(zhuǎn)矩引起(d)簧絲截面受螺旋角和8KDE的切向力分布簡圖曲宰影響的應(yīng)力分布簡圖(1)圖4拉伸彈簧簧絲截面受力圖表2拉伸彈簧的尺寸和參數(shù)彈簧d/mmD/mmnHm/mmFm、/NT/MPa彈簧13.3331.1070.833304.610彈簧22.0000.816k=4C-1,的個、0(2)所計算出的彈簧最大切應(yīng)力與彈簧應(yīng)力實際值存fanDF在一定的誤差F G gdk=f8nD8Cn-8nC4(3)2.4拉伸彈簧機構(gòu)的有限元分析2.4.1拉伸彈簧有限元模型的建立4C-4C(4利用有限元分析軟件 Hyperworks建立拉伸式中;n為彈簧的有效圈數(shù);為切應(yīng)力;F為彈簧的有限元分析模型,采用3D實體單元進行彈簧的工作載荷;/為工作載荷下的變形量;k為網(wǎng)格劃分0,在鉤環(huán)拐角處可能會產(chǎn)生應(yīng)力集彈簧剛度;d為材料直徑;D為彈簧中徑;C為旋,在該處增加網(wǎng)格密度,共得到61440個單元,繞比,C=D/d;K為曲度系數(shù);G為切變模量。近81000個節(jié)點,其有限元模型圖如圖5所示。彈簧應(yīng)力應(yīng)滿足式(5)8FDTn、=K由以上公式求得的兩個組合拉伸彈簧的參數(shù)如表2所示。由《彈簧手冊》中壓縮彈簧的設(shè)計可知,當(dāng)壓縮彈簧的螺旋角不大于9°時,曲度系數(shù)可采用式(4)進行計算;當(dāng)螺旋角大于9°時,則需要考慮螺圖5拉伸彈簧有限元模型圖旋角對曲度系數(shù)的影響。對于拉伸彈簧,其螺旋角隨拉力的增大而增大,當(dāng)螺旋角增大到一定程約束拉伸彈簧的上端與拉伸彈簧底座接觸部度(大于9°)時,由式(4)作為曲度系數(shù)計算出來位節(jié)點的X,Y,Z3個方向的平動自由度,約束拉的最大切應(yīng)力亦存在一定的誤差。對于螺旋拉伸伸彈簧下端與拉伸彈簧底座接觸部位節(jié)點在彈簧彈簧,其螺旋角應(yīng)滿足式(6)軸線方向的位移(Z方向),使得彈簧在軸線方向伸長350mm?！?arctan(62.4.2拉伸彈簧有限元分析結(jié)果拉伸至最大行程時,可得彈簧1的螺旋角α1經(jīng)過 ANSYS解算,可得到圖6所示的彈簧絲164武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理工程版)2015年4月(a)彈簧1分析結(jié)果b)彈簧2分析結(jié)果圖7拉伸彈簧1和2有限元分析結(jié)果結(jié)果誤差很小。圖6拉伸彈簧簧絲截面有限元分析應(yīng)力分布圖2.4.3拉伸彈簧參數(shù)隨其仲長量的變化規(guī)律理論計算中所取的曲度系數(shù)κ值是按照螺在拉伸彈簧內(nèi)側(cè)表面(除鉤環(huán)以外的螺旋簧絲部旋角為0°的理想狀態(tài)推導(dǎo)出的,對于螺旋角不為分應(yīng)力分布)。0°的螺旋彈簧該值或許不夠精確,但對于螺旋角圖7(a)所示為拉伸彈簧1在變形量為350小于9時,由于誤差很小因此可忽略不計。另rm時的分析結(jié)果,在簧絲螺旋部分內(nèi)側(cè)表面出外,對于螺旋拉伸彈簧,當(dāng)螺旋角增大到一定角度現(xiàn)應(yīng)力集中,最大相當(dāng)應(yīng)力值達到了610MPa,根時,螺旋彈簧簧絲的應(yīng)力增大幅度將會有所增加。據(jù)第三強度理論,最大切應(yīng)力值為305MPa。如因此需要分析螺旋彈簧最大應(yīng)力隨著螺旋彈簧的圖7(b)所示的拉伸彈簧2的應(yīng)力分布,鉤環(huán)拐角伸長量及螺旋角的增大的變化規(guī)律。半徑最小處和簧絲內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了應(yīng)力集中,最大相采用彈簧2的有限元模型,令其伸長量從小當(dāng)應(yīng)力值達到了797MPa,最大切應(yīng)力值為398到大按照一定的規(guī)律變化,得出的分析結(jié)果如表MPa。顯然,有限元分析結(jié)果與表2中理論計算3所示表3彈簧2有限元計算結(jié)果與理論計算結(jié)果對比位移/mm參數(shù)270Tm理論/MPa34.00067.000101.000134.000168.000201.000235.000268.000302.000335.000369.000402.000FEM/MPa34.00068.000102.000137.000171.000205.000239.000273.000307.000342.000376.000410.000螺旋角/(°)5.5806.3907.1908.0008.8009.60010.40011.20012.00012.70013.50014.300正后的K1.1361.1371.137401.141從表3可以看出,隨著位移和螺旋角的逐漸增大修正后的曲度系數(shù)略有增大,通過有限元方法計算出的最大應(yīng)力較理論計算的最大應(yīng)力略大,且差值逐漸增大,但修正后的曲度系數(shù)變化很小,誤差不到2%,因此在計算時仍可采用式(4)計算曲度系數(shù),這也說明了有限元法的精確性。2.4.4組合彈簧鉤環(huán)優(yōu)化設(shè)計圖8改進后鉤環(huán)的圖9組合拉伸彈簧為了減小拉伸彈簧的初始長度,端部采用半有限元分析結(jié)果有限元分析結(jié)果圓鉤環(huán)結(jié)構(gòu),但在鉤環(huán)曲率半徑較小的地方出現(xiàn)大值分布在拉伸彈簧2的簧絲內(nèi)側(cè)表面,最大相了應(yīng)力集中,需要對彈簧鉤環(huán)處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改當(dāng)應(yīng)力值為89MPa,最大切力值為45MP2(基進,將半圓鉤環(huán)半徑減小,同時增大橋接曲線的長于第三強度理論),應(yīng)力分析結(jié)果與理論計算結(jié)度和曲率,改進后的鉤環(huán)應(yīng)力集中狀況得到明顯果較為符合。改善,改進后的分析結(jié)果如圖8所示,應(yīng)力最大處為拉伸彈簧簧絲內(nèi)徑附近表面處,與圖6所示的3拉伸彈簧鉤環(huán)強度驗算方法對比分析結(jié)果一致。拉伸彈簧鉤環(huán)處是易發(fā)生疲勞破壞的部位,第37卷第2期李晚霞,等:污水分離機構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化應(yīng)力和切應(yīng)力。按照《彈簧手冊》鉤環(huán)的驗算方8FD法,應(yīng)按式(7)和式(9)驗算鉤環(huán)A、B處的強度。Tk,≤T(9)4C2h式中:C1=2nd;C=D/d;C2=2n2/d由表4中的計算結(jié)果可以看出,圖10所示的A點附近應(yīng)力最大值超過了其許用應(yīng)力,但是,根據(jù)有限元的分析結(jié)果,鉤環(huán)拐角部分并未出現(xiàn)應(yīng)力集中,可見式(7)~式(9)并不十分精確。圖10拉伸彈簧鉤環(huán)處受力分析4結(jié)論16FaD(1)設(shè)計了一種新型的污水分離機構(gòu),這種hI(7)污水分離機構(gòu)每天可處理污水300t以上,是一種4C-C1-1(8)高效的污水處理機構(gòu),且該污水分離已經(jīng)運用于4C1(C1-1)4C某移動式污水處理車上,取得了良好的環(huán)境效益;表4鉤環(huán)最大應(yīng)力值彈簧oma/MPa Tma/MPa P/MPaT/MPa彈簧12.2301.4001.67017.000876.0001110.000彈簧21.6401.210473.000850.0001110.000594.000注:表4中許用應(yīng)力已經(jīng)按照噴丸處理提高了20%2)采用傳統(tǒng)理論計算與有限元相結(jié)合的方5]周箏基于磁分離技術(shù)快速同步處理污水污泥的新法,對污水分離機構(gòu)的重要承載部件,即拉伸彈簧設(shè)備[J].成都電子機械高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2005進行了具體設(shè)計和改進,得到了較理想的結(jié)果;(3)在彈簧設(shè)計過程中,尤其是鉤環(huán)處,為了61李紅艷基于ANY的圓柱螺旋彈簧的強度與疲勞壽避免應(yīng)力集中,應(yīng)對鉤環(huán)處尺寸進行詳細的設(shè)計,命分析[J]機械設(shè)計與制造,2010(10):92-%3.應(yīng)力的計算結(jié)果應(yīng)參考有限元的分析計算結(jié)果。[7]彭文生,李志明,黃華梁.機械設(shè)計[M].北京:高等教育出版社,2008:32-98[8]張英會,劉輝航,王德成.彈簧手冊[M].北京:機械參考文獻工業(yè)出版社,2008:17-90[9] WSHI A 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New developments in[9]朱文堅現(xiàn)代設(shè)計理論與方法綜述[M].廣州:華南cone c理工大學(xué)出版社,2000:76Engineering,2009(22):613-617[10]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版[3]濮良貴,紀(jì)名剛.機械設(shè)計[M].北京:高等教育出,2004:4-194版社,2009:106-108Broken Mechanism of Critical Coupler of Master Roll of Four-roll CrusherMiNG LichuanAbstract: A four-roll crusher in a steel plant was researched. The increased hardness of the crushed material often resulteseriously damage of the critical coupling key between the spokes and roll of working roll, therefore the lifespan of spokes androll reduced. Using the finite element technical analysis on the crushed coal and crushed coke respectively, theof the coupler were obtained. The results show that when crushing the coke, the stress increases significantly. Therefore, the sin-gle coupling key should be changed into double coupling keys to improve stress concentration, so as to improveKey words: four-roll crusher; finite element analysis; deformation of coupling keyNING Lichuan: Lect.; School of Machinery and Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuha430081. China[編輯:王志全(上接第165頁)Design and Optimization of Sewage Filtration and Separation MechanismLI Wanxia, XU Yanghun, HE Yaohua, GAN YuAbstract: A sewage filtration and sed. It included air-bag mechanism filter screen andcontainer. Air-bag mechanism mainly composed of spring mechanism and guide -extrusion mechanism. The spring mechanismwas designed and calculated in detail. Finite element software was used to analyze stress intensity of spring mechanism and opti-mization was realized. The sewage filtration and separation mechanism were ensured to work properly and meet practical de-lands. Reference was then provided for the design of cylindrical helical springKey words: sewage filtration and separation mechanism; air-bag mechanism; helical extension spring; finite element anal-ysis; optimization designLI Wanxia; Postgraduate; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China