甘蔗压榨机压榨辊的强度研究

 高东强，张志勇

 陕西科技大学机电工程学院(西安710021)

摘要压榨辊是甘蔗压榨机的重要部件和基础部件之一。强度是影响压榨性能的非常重要的因素。根据压榨辊的工作特性及其材料属性的要求，对压榨辊进行理论受力分析，通过在不同压力比工作状态下的情况，求出压榨辊具体所受的压力值，并在此基础上对其进行了有限元分析，最终确定了整个压榨辊的应力和变形分布情况。最后，对压榨辊有限元分析的后处理结果进行了理论分析，确定在正常的工况下压榨辊强度完全满足工作要求。并得出压榨辊的应力和变形随压力比变化的变化规律。

关键词甘蔗压榨机；强度；压力比；有限元分析

 食糖是关系国计民生的重要产品，既是人民生活的必需品，又是食品工业的基本原材料。甘蔗制糖分为原料供给阶段，预处理阶段，精炼阶段。预处理阶段最重要的部分就是压榨工段，压榨机是压榨工段最重要的设备。

 甘蔗压榨法提汁，至今已历经200多年，压榨法提汁技术不断发展，从原始的两辊压榨机，逐步演变成三辊、四辊、五辊和六辊压榨机，形成现代提汁技术设备。但是无论是三辊还是多辊压榨机都离不开原来传统三辊压榨机的原型。

 压榨辊是压榨提汁中非常重要的部分，由于压榨辊在工作时受力较大，并且压榨辊的失效直接影响着压榨机的工作性能，所以对压榨辊进行受力及强度分析非常重要。

1  甘蔗压榨机的结构特点和工作原理

  甘蔗压榨机是甘蔗糖厂中提取蔗汁的主要设备，如图1所示，其结构主要由机架、压榨辊、三星齿轮、顶盖、底梳、面梳等部分组成，每个榨辊轴端装有传动齿轮，同时装有轴承一对。

 压榨机的动力一般由电动机通过减速机传递到顶辊，再由顶辊的传递齿轮将动力传输到前辊和后辊的齿轮上，从而带动3个压榨辊转动。蔗料由顶辊和前辊的开口进入，在顶辊和前辊的作用下进行第一次压榨，然后经过底梳进入顶辊和后辊之间的开口，顶辊和后辊对其进行第二次压榨，蔗料从顶辊和后辊之间排出。蔗汁则流入底座中的汁槽排出。顶辊和后辊均有与齿沟吻合的面梳，以清除残留在辊面上的蔗渣。顶辊上有液压顶盖装置，保持在压榨过程中对蔗料的稳定压力。

2甘蔗压榨辊受力分析

  甘蔗压榨的整个过程都是在一定的压力下进行的，前辊和后辊的压力比值为m。假设油缸总工作压力P=5 000 k N，前辊对顶辊所产生的力为F1，后辊对顶辊所产生的力F2，底梳对顶辊所产生的力为F3，一般取F3=0.2P，前辊、后辊和底梳对顶辊产生的压力的合力为N，其合力与顶辊垂直中线所成的角度为合力角a，压榨机的顶角为β=720，底梳对顶辊产生的力与顶辊垂直中线所成的角度为y=100。作用力分析如图2所示。

分析得出力的平衡方程式：

 甘蔗压榨机在压榨过程中受力的变化情况为：

 当甘蔗刚进入压榨机时，由于蔗层较薄，顶、前辊开口较大，且只受到顶、前辊的压力，压榨机顶辊受力较小，受力几乎为零，在这种情况下可以忽略受力分析。

 当蔗层逐渐增厚，形成正常工作状态时，在正常工作状态下，进料时蔗层厚度不均匀，经常产生厚度的变化，所以压力比会随着蔗层厚度变化，从而引起受力的变化，通过选取5个不同压力比的状态，分析压榨辊的具体受力情况。列出不同压力比下，F1和F2的变化情况，如表1。

 随着蔗层厚度的变化，压力比也产生相应的变化，压榨机辊齿的侧压力也会产生相应变化，列出侧压力的变化，如表2。

 当蔗层增厚至刚好使顶辊升起时，其出人口比值达到最大值，且压力比达到最大值，压力比值达

3压榨辊模型的建立与有限元分析

3.1模型简化

  压榨辊首先通过Solid Works进行建模，然后通过Workbench与Solid Works的接口导入到Workbench中，在Workbench中对模型进行简化，将辊壳上的排汁孔简化掉，同时去掉不重要的倒角，将传动端简化掉。定义辊套与辊轴的接触类型为绑定接触，然后对网格进行划分，在受力集中处将网格调整的密一些，在其他部位将网格调整粗一些，然后通过自动划分网格的方法对网格进行划分，简化后的有限元模型如图4所示。

3.2定义材料

  由于压榨辊是由辊轴和辊套组成，辊轴材料为45钢，辊套材料为HT 350。各零件的材料如表3。

3.3对压榨辊施加边界条件

  甘蔗压榨机在作业过程中，其压榨辊两端固定于配套的滑动轴承上，由此可知在榨辊轴颈两端施加两个圆柱面约束，将轴向、径向和切向全部约束。

3.4施加载荷

  甘蔗压榨机在作业过程中，所压的蔗渣会对榨辊辊齿产生反作用力以及前、后辊会对顶辊产生压力，分别为侧压力F’n和压力Fn将这些力等效的加载到38个辊齿的两侧面以及辊齿齿顶。

  又由于蔗渣在进入压榨机时，蔗渣厚度不均匀会产生前、后辊对顶辊的压力比值的变化，从而产生前、后辊对顶辊压力的变化和蔗渣对辊齿侧压力的变化，所以加载6组不同压力比所产生的侧压力和齿顶力。

3.5求解并进行后处理分析

  通过求解，分析榨辊整体的变形和应力情况，将求解结果进行分析，可以得出6个不同压力比下的压榨辊辊齿在Z方向的最大变形，其中压力比值m=1：4时辊齿在Z向的变形最小，压力比值m=1：110时，辊齿在Z方向的变形最大，如图5和图6所示。

 由图可知，压榨辊辊齿Z方向的最大变形处在辊套两端，其变形值为0.138 mm，产生大变形的原因是辊齿受到蔗渣的单侧压力产生的，一般辊齿与梳齿的配合间隙为2～3 mm，其变形不会影响压榨机的正常作业。通过分析6个不同压力比下的压榨辊应力情况，可以得出压力比值m=1：110时产生的应力最大，图7为压榨辊的等效应力云图，其辊套的应力最大值发生在人字沟处，其最大值为157.72 M Pa，辊轴的应力最大值发生在辊套两端处，其最大值为105.15 M Pa，辊套的抗拉强度为350 M Pa，辊轴的屈服强度为355M Pa，其辊轴和辊套完全满足强度条件。

 通过对6组不同压力比下受力情况的有限元分析，可以得出压榨辊变形与压力比的变化规律以及压榨辊套和辊轴与压力比的变化规律，变化规律如图8和图9所示。

 通过分析图8得出，压榨辊辊套和辊轴应力的变化规律为，随着压力比的减小，压榨辊辊套和辊轴的应力增大。分析图9可以得出，压榨辊变形的规律为，随着压力比的减小，压榨辊的变形增大。

4结论

 1)分析了压榨辊的受力情况，具体算出了在不同压力比下压榨辊受力的大小，以及分析了压榨辊辊齿的受力情况，算出了相应的辊齿侧压力。

  2)通过Workbench软件对压榨辊进行了有限元分析，分析了压榨辊的应力和变形的具体情况，找出了压榨辊的最大变形值和分布位置以及压榨辊套和辊轴的最大应力，且完全满足工作要求。

 3)通过分析不同压力比下的应力和变形情况，找出了压力比与压榨辊应力和变形的变化规律，即随着压力比的减少，应力和变形不断增大。