大型轉(zhuǎn)盤干燥機圓盤拉撐形式結(jié)構(gòu)強度分析
技術(shù)支持
轉(zhuǎn)盤干燥機作為一種間接式干燥設(shè)備，具有熱效率高、蒸發(fā)強度大以及節(jié)能環(huán)保效果優(yōu)越等特點，適用于干燥各種粘糊狀、粉狀及粒狀等熱敏性較穩(wěn)定的有機物和無機物料。加熱圓盤作為轉(zhuǎn)盤干燥機的核心部件，一直是眾多學(xué)者研究的重點。龐樹生等通過建立圓盤上下板的力學(xué)模型，推導(dǎo)了圓盤結(jié)構(gòu)的撓曲率方程式和應(yīng)力計算公式。賀華波等采用有限元分析和簡化力學(xué)模型的方法，對盤式干燥機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要承壓部件進(jìn)行了強度校核，理論模型計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果基本一致，表明所設(shè)計的承壓圓盤安全可靠。劉寶慶和蔣家羚建立承壓圓盤的軸對稱和非軸對稱力學(xué)模型，并根據(jù)薄板的小撓度彎曲理論，對圓盤力學(xué)模型進(jìn)行求解，得出非軸對稱模型更好地反映圓盤的位移、應(yīng)力分布趨勢。
對于大尺寸加熱圓盤結(jié)構(gòu)，在上下板之間分布著許多拉撐件，并與加熱盤上下板焊接，其作用是提高加熱盤上下板的強度和剛度，同時使加熱盤內(nèi)的流體產(chǎn)生局部小渦流，從而大大提高換熱效率。目前，從拉撐件的結(jié)構(gòu)形式考察圓盤整體強度的研究較少，本文對棒材和管材作為拉撐件的兩種拉撐圓盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度分析，考慮圓盤結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對兩種拉撐圓盤應(yīng)力變化趨勢的影響，從而為轉(zhuǎn)盤干燥機圓盤拉撐結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
1 轉(zhuǎn)盤干燥機圓盤結(jié)構(gòu)有限元分析
以蒸汽為加熱介質(zhì)的轉(zhuǎn)盤式干燥機，中空軸上焊接的空心加熱圓盤作為轉(zhuǎn)子緩慢旋轉(zhuǎn)，蒸汽由轉(zhuǎn)子空心軸的一端進(jìn)入，通過圓盤壁面間接加熱干燥機身內(nèi)的物料，圓盤外側(cè)設(shè)置帶有傾角的耙葉，用于翻抄、攪拌物料。
1.1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)
某大型轉(zhuǎn)盤干燥機圓盤結(jié)構(gòu)由中心軸管、盤片、拉撐件、擋水板及外端焊縫構(gòu)成。盤片直徑2000mm，盤片厚度8mm，盤片內(nèi)表面所形成錐角為10°，軸管外徑620mm，軸管厚度28mm。針對不同拉撐形式的圓盤結(jié)構(gòu)，管式拉撐圓盤以φ38mm×5mm管材為拉撐件；柱式拉撐圓盤以φ38mm的棒材為拉撐件，沿圓盤周向拉撐件兩圈均布，軸管中心距內(nèi)圈拉撐件距離為530mm，距外圈拉撐件距離為760mm。每圈相鄰拉撐件周向間距200mm。
圓盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計壓力為0.66MPa，設(shè)計溫度為165℃；圓盤材料為Q345R，許用應(yīng)力為179.1MPa，軸管河拉撐件材料為Q345D，許用應(yīng)力為174.0MPa。圓盤結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)性能如下表所示：
材料 | 彈性模量E（GPa） | 泊松比v | 許用應(yīng)力[δ]（MPa） |
Q345R | 193.1 | 0.3 | 179.1 |
Q345D | 193.1 | 0.3 | 174.0 |
1.2 圓盤有限元模型
本文主要考慮不同拉撐形式下圓盤結(jié)構(gòu)的受力情況，為此取單個圓盤為研究對象進(jìn)行建模分析，不計擋水板對盤片的加強作用，兩端軸管伸長量為相鄰盤片間距的一半?？紤]非軸對稱模型更加真實反應(yīng)圓盤結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，選用全模型作為分析對象。選用solid185實體單元對軸管、盤片、拉撐件及外端焊縫進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分
1.3 載荷及邊界條件
轉(zhuǎn)盤干燥機工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)速一般在3～10r/min，由此產(chǎn)生的慣性力較小，不計其影響，盤片腔內(nèi)、軸管內(nèi)表面內(nèi)和拉撐件外表面施加設(shè)計壓力p=0.66MPa，軸管斷面施加全約束，另一端面施加由內(nèi)壓引起的軸向平衡載荷P1=-3.17MPa。
1.4 有限元強度分析
運用大型ANSYS軟件對柱式拉撐圓盤和管式拉撐圓盤進(jìn)行有限元分析，拉撐件對圓盤結(jié)構(gòu)的支撐作用有效 減緩了上下盤片因內(nèi)壓引起的膨脹變形，表明拉撐件對圓盤結(jié)構(gòu)具有很好的加強作用。比較兩種拉撐形式下圓盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)極大應(yīng)力點均出現(xiàn)在盤片與拉撐件相交截面處。不同的是，柱式拉撐圓盤極大應(yīng)力點出現(xiàn)在內(nèi)圈，管式拉撐圓盤極大應(yīng)力點出現(xiàn)在外圈。兩種拉撐形式下圓盤總應(yīng)力值分別為467.55MPa和452.29MPa，相差不大。
但云圖未能直觀反映兩種拉撐形式下圓盤結(jié)構(gòu)的盤片、拉撐件等主要部件的應(yīng)力強度，為此，根據(jù)JB/T 4732-1995(R2005）中應(yīng)力分類和評定方法將兩種拉撐形式圓盤結(jié)構(gòu)各部件進(jìn)行線性化處理，提取各部件的一次局部薄膜應(yīng)力SⅡ和一次加二次彎曲應(yīng)力SⅣ，并對各部件進(jìn)行強度評定。經(jīng)評定，兩種拉撐形式下的圓盤結(jié)構(gòu)各部件均滿足強度評定要求，均有較大的安全余量，且拉撐件由管材到棒材，圓盤結(jié)構(gòu)相應(yīng)危險部位由拉撐件轉(zhuǎn)移至盤片的拉撐截面。比較兩種拉撐形式下圓盤各部件應(yīng)力強度，發(fā)現(xiàn)外端焊縫處的應(yīng)力強度基本一致，但盤片和拉撐件上的應(yīng)力出現(xiàn)明顯的差異：柱式拉撐圓盤相比管式拉撐圓盤，盤片SⅡ應(yīng)力強度降低26.39MPa，但SⅣ應(yīng)力強度增加57.74MPa；拉撐件上的SⅡ應(yīng)力強度降低90.32MPa，SⅣ應(yīng)力強度降低215.22MPa。這是因為棒材作為拉撐件可有效增加自身和盤片的強度，從而降低拉撐件上的應(yīng)力和盤片上的SⅡ應(yīng)力強度。但是棒材與盤片剛度相差較大，致使盤片拉撐截面處的SⅣ應(yīng)力較大。
比較兩種拉撐形式下的圓盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力，雖然盤片和拉撐件上的應(yīng)力存在明顯差異，但未考慮圓盤結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對圓盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響。為此，值得進(jìn)一步研究設(shè)計參數(shù)下兩種拉撐圓盤應(yīng)力變化趨勢。
2 兩種拉撐形式下圓盤強度影響因素分析
分別從拉撐件壁厚（由管材至棒材）、圓盤錐角（上下兩盤片內(nèi)壁面所形成的角度）、拉撐件直徑和拉撐件周向間距來研究圓盤應(yīng)力變化趨勢，對比分析兩種拉撐圓盤應(yīng)力分布差異，從而為圓盤拉撐結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
2.1 拉撐件壁厚對兩種拉撐圓盤應(yīng)力分布的影響
兩圈拉撐圓盤結(jié)構(gòu)，內(nèi)圈和外圈應(yīng)力分布相差不大且隨拉撐件壁厚的變化規(guī)律基本一致。
當(dāng)拉撐件壁厚增加，盤片的SⅡ應(yīng)力總體呈下降趨勢，且拉撐件壁厚在7～8mm左右，盤片的SⅣ應(yīng)力達(dá)到極小值，這是由于拉撐件厚度與盤片厚度接近或相差不大時，盤片受力較好。當(dāng)增大或減小拉撐件厚度，盤片的SⅣ應(yīng)力強度均會增大，且厚度增加至棒材時，盤片的SⅣ應(yīng)力會顯著上升。這是由于拉撐件厚度與盤片厚度相差較大，連接處較大的剛度差導(dǎo)致盤片彎曲應(yīng)力顯著增加。
拉撐件的SⅡ和SⅣ應(yīng)力隨壁厚增加總體呈下降趨勢。這是因為拉撐件壁厚的增加，增強了自身的強度和剛度，使得拉撐件上的應(yīng)力顯著下降。當(dāng)拉撐件壁厚從3mm增加至7mm時，拉撐件上的應(yīng)力迅速下降；當(dāng)拉撐件壁厚大于7mm時，拉撐件的SⅡ應(yīng)力呈均勻下降；壁厚在9～17mm間，應(yīng)力趨于平緩，但當(dāng)壁厚增加至實心柱時，SⅣ應(yīng)力再次迅速下降。
上述應(yīng)力變化規(guī)律表明，管材作為拉撐件時，以管材厚度盡可能與盤片等厚或相差不大為宜，此時盤片受力較好；棒材作為拉撐件時，雖然可有效降低拉撐上的壓力，但是會提高盤片上彎曲應(yīng)力。
2.2 圓盤錐角對兩種拉撐圓盤應(yīng)力分布的影響
圓盤錐角改變對盤片和拉撐件上的應(yīng)力影響很小。隨著錐角的增大，盤片的應(yīng)力呈緩慢下降趨勢。這是因為錐角增加致使拉撐件與盤片拉撐截面增大，所以盤片應(yīng)力有所下降。因此，在轉(zhuǎn)盤干燥機圓盤承壓結(jié)構(gòu)設(shè)計中，錐角大小對圓盤受力不起決定作用，但是錐角設(shè)置應(yīng)適宜。
2.3 拉撐件直徑對兩種拉撐圓盤應(yīng)力分布的影響
比較兩種拉撐結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力變化，發(fā)現(xiàn)增大拉撐件的直徑，可顯著降低拉撐件上的應(yīng)力，同時盤片上的應(yīng)力也有明顯下降。這是由于拉撐件直徑越大，增加了自身強度和剛度，從而有效降低拉撐件上的應(yīng)力；同時拉撐件直徑越大，使得盤片間的拉撐面積增大，從而降低盤片上的壓力。由上述規(guī)律可知，拉撐件直徑大小對兩種拉撐圓盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力均有顯著影響，在滿足設(shè)計要求下，拉撐件直徑越大，圓盤結(jié)構(gòu)受力越好。
2.4 拉撐件周向間距對兩種拉撐圓盤應(yīng)力分布的影響
隨著周向間距的增大，兩種拉撐結(jié)構(gòu)的盤片和拉撐件的應(yīng)力呈單調(diào)上升趨勢。這是因為相鄰拉撐件的間距越大，使得每圈拉撐件的排布個數(shù)越少，導(dǎo)致總拉撐件個數(shù)減少，從而降低拉撐件對上下盤片的支撐作用，加劇盤片向外膨脹，盤片應(yīng)力增大；由于盤片膨脹加劇，對拉撐件向外拉扯作用，使拉撐件上的應(yīng)力也增大。
當(dāng)周向間距小于260mm時，兩種拉撐結(jié)構(gòu)的盤片和拉撐件應(yīng)力均勻增加，當(dāng)大于260mm時，盤片和拉撐件應(yīng)力上升幅度迅速增加，圓盤各部件結(jié)構(gòu)強度極易遭到破壞。柱式拉撐盤片SⅣ應(yīng)力較大，盤片結(jié)構(gòu)因SⅣ應(yīng)力超標(biāo)較先發(fā)生破壞；而管式拉撐件SⅡ和SⅣ應(yīng)力較大，拉撐件因SⅡ或SⅣ應(yīng)力超標(biāo)較先發(fā)生破壞。
由上述規(guī)律可知，在圓盤結(jié)構(gòu)設(shè)計中，棒材作為拉撐件時，盤片為較先發(fā)生破壞的危險部件；管材作為拉撐件時，拉撐件為較先發(fā)生破壞的危險部件，且拉撐件周向間距設(shè)置不宜過大。
3 結(jié)論
（1）采用有限元方法對棒材、管材兩種典型拉撐結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行強度探討，分析表明兩者均能滿足強度性能要求，且具備一定的安全余量，隨著拉撐件的增厚，即由管材至棒材，圓盤結(jié)構(gòu)相應(yīng)較危險部分由拉撐件轉(zhuǎn)移至盤片的拉撐截面。
（2）兩種拉撐圓盤結(jié)構(gòu)設(shè)計中，錐角的變化對圓盤應(yīng)力影響可忽略；管材作為拉撐件時，以拉撐件壁厚與盤片等厚或相近為宜；拉撐件直徑大小對兩種拉撐圓盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力均有顯著影響，在滿足設(shè)計要求下，拉撐件直徑越大，圓盤結(jié)構(gòu)受力越好。
（3）隨著拉撐件周向間距的增加，圓盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力會顯著增大；對于兩種拉撐圓盤，柱式拉撐的盤片SⅣ應(yīng)力較大，盤片結(jié)構(gòu)因SⅣ應(yīng)力超標(biāo)較先發(fā)生破壞；而管式拉撐圓盤的管材自身應(yīng)力較大，因SⅡ和SⅣ應(yīng)力超標(biāo)較先發(fā)生破壞，因此拉撐件周向間距設(shè)置不宜過大。
