大型轉(zhuǎn)盤(pán)式干燥機(jī)組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

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(1.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816； 2.江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司， 江蘇 南京 210009)

轉(zhuǎn)盤(pán)式干燥機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于各種粘糊狀、粉狀及粒狀等熱敏性較穩(wěn)定的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物料干燥的間接式干燥設(shè)備，具有熱效率高、蒸發(fā)強(qiáng)度大及節(jié)能環(huán)保效果優(yōu)等特點(diǎn)，其核心部件——主軸上圓盤(pán)結(jié)構(gòu)及其受力情況直接影響整個(gè)設(shè)備的安全、平穩(wěn)運(yùn)行，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)[1-2]。

賀華波等[3-4]采用有限元分析和簡(jiǎn)化力學(xué)模型方法，對(duì)盤(pán)式干燥機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要承壓部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核,理論模型計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致。劉寶慶[5]建立承壓圓盤(pán)的軸對(duì)稱(chēng)和非軸對(duì)稱(chēng)力學(xué)模型，并根據(jù)薄板的小撓度彎曲理論，對(duì)圓盤(pán)力學(xué)模型進(jìn)行求解，得出非軸對(duì)稱(chēng)模型，更好地反映圓盤(pán)的位移、應(yīng)力分布趨勢(shì)。

目前從拉撐件的組合形式考察圓盤(pán)整體強(qiáng)度的研究較少，有關(guān)加筋平蓋結(jié)構(gòu)的研究則較多。這主要是因?yàn)榧咏钇缴w結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)盤(pán)式干燥機(jī)主軸上受拉撐的圓盤(pán)類(lèi)似，可以為相關(guān)研究提供參考。許留關(guān)等人[6]分析了加筋平蓋的應(yīng)力分布，得出了加強(qiáng)筋的存在能使平蓋上高應(yīng)力趨于平緩，設(shè)備整體力學(xué)性能顯著提高。賀小華等人[7]應(yīng)用有限元方法分析了烘缸加筋平蓋結(jié)構(gòu)的受力。馮永利等人[8]提出了以平行角鋼為加強(qiáng)筋的圓形平蓋應(yīng)力的理論計(jì)算方法。譚志洪等人[9-10]通過(guò)理論分析并結(jié)合有限元計(jì)算，對(duì)加強(qiáng)筋的存在有效降低了平蓋與筒體連接處由于剛度差引起的應(yīng)力集中進(jìn)行了論證。謝志剛等人[11-12]應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)平蓋加筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，效果顯著。

本文結(jié)合實(shí)際常見(jiàn)圓盤(pán)拉撐件的結(jié)構(gòu)形式和用材特點(diǎn)，以?xún)扇瓝螆A盤(pán)結(jié)構(gòu)為例，采用建模和有限元數(shù)值模擬方法對(duì)組合使用棒材和管件拉撐的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，為組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更加可靠和直接的參考。

1 轉(zhuǎn)盤(pán)式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理

轉(zhuǎn)盤(pán)式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。工作時(shí)，干燥機(jī)身內(nèi)中空軸上焊接的空心加熱圓盤(pán)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(guò)圓盤(pán)壁面間接加熱干燥機(jī)身內(nèi)的物料[13-14]。圓盤(pán)外側(cè)設(shè)置帶有傾角的耙葉，用于翻抄、攪拌物料[15-17]。

圖1 轉(zhuǎn)盤(pán)式干燥機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)

轉(zhuǎn)盤(pán)式干燥機(jī)兩圈拉撐圓盤(pán)主要由軸管、盤(pán)片、拉撐件、擋水板及外端焊縫構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。圓盤(pán)上的拉撐件通常使用棒材或管件。組合拉撐圓盤(pán)還綜合考慮了加工及焊接制造的方便，一般同一圈采用相同形式的拉撐件，圈與圈之間則可采用不同形式的拉撐件。文中研究的兩圈拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)模型由內(nèi)圈和外圈構(gòu)成，根據(jù)內(nèi)、外圈拉撐件型材組合方式的不同分為兩種結(jié)構(gòu)形式，第1種內(nèi)圈拉撐件為棒材，外圈拉撐件為管件，記作組合拉撐圓盤(pán)形式1；第2種內(nèi)圈拉撐件為管件，外圈拉撐件為棒材，記作組合拉撐圓盤(pán)形式2。

圖2 轉(zhuǎn)盤(pán)式干燥機(jī)兩圈拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)

圓盤(pán)直徑D1=2 000 mm，盤(pán)片厚度T1=8 mm，盤(pán)片內(nèi)表面所形成錐角α=8°，軸管外徑D2=620 mm，軸管厚度T2=28 mm。棒材尺寸為?38 mm，管件尺寸為?38 mm×5 mm，軸管中心距內(nèi)圈拉撐件R1=520 mm，距外圈拉撐件R2=750 mm。每圈相鄰拉撐件間距L=200 mm。圓盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓力p=0.66 MPa，設(shè)計(jì)溫度為165 ℃。圓盤(pán)材質(zhì)為Q345R，軸管及拉撐件材質(zhì)為Q345D。圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 圓盤(pán)結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能參數(shù)

3 組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)件有限元分析

3.1 有限元計(jì)算模型及邊界條件

對(duì)組合拉撐圓盤(pán)形式1和形式2的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)分析，不計(jì)擋水板對(duì)盤(pán)片的加強(qiáng)作用，考慮模型結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，以組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的1/2進(jìn)行有限元建模。選用solid185實(shí)體單元對(duì)軸管、盤(pán)片、拉撐件及外端焊縫進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，得到2種組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)有限元模型,見(jiàn)圖3。

圖3 2種組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的載荷及邊界條件設(shè)置為，在圓盤(pán)腔內(nèi)、軸管內(nèi)表面及拉撐件外表面施加設(shè)計(jì)壓力p=0.66 MPa，在軸管端面施加軸向平衡載荷p1=-3.17 MPa。在軸管另一端面施加全約束，在對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

2種組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4。圖4表明，2種組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力點(diǎn)均出現(xiàn)在棒材拉撐件與盤(pán)片連接處。從圖4a可以知道，組合拉撐形式1的圓盤(pán)最大應(yīng)力值為549.6 MPa。從圖4b可以知道，組合拉撐形式2的圓盤(pán)最大應(yīng)力值為463 MPa。比較圖4a和圖4b，組合拉撐形式2的最大應(yīng)力值比組合拉撐形式1的低86.6 MPa，組合拉撐形式2的圓盤(pán)整體受力更為均勻。

為了詳細(xì)分析組合拉撐形式1和形式2的圓盤(pán)各部件受力情況，根據(jù)JB 4732—1995(2005年確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[18]中的應(yīng)力分類(lèi)方法，將應(yīng)力分為一次總體薄膜應(yīng)力Pm、一次局部薄膜應(yīng)力PL、一次彎曲應(yīng)力Pb、二次應(yīng)力Q和峰值應(yīng)力F，并根據(jù)不同的組合對(duì)應(yīng)力進(jìn)行評(píng)定。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，沿圓盤(pán)各部件的最大應(yīng)力點(diǎn)提取盤(pán)片、拉撐件、外端焊縫處的局部薄膜應(yīng)力SⅡ及一次加二次彎曲應(yīng)力SⅣ，組合拉撐形式1和形式2的圓盤(pán)強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 2種組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

組合拉撐圓盤(pán)形式部件應(yīng)力分類(lèi)應(yīng)力計(jì)算值/MPa應(yīng)力評(píng)定盤(pán)片局部薄膜應(yīng)力SⅡ一次加二次應(yīng)力SⅣ126.44334.45≤1.5[σ]≤3[σ]形式1拉撐件局部薄膜應(yīng)力SⅡ一次加二次應(yīng)力SⅣ166.54329.51≤1.5[σ]≤3[σ]外端焊縫局部薄膜應(yīng)力SⅡ一次加二次應(yīng)力SⅣ130.45154.77≤1.5[σ]≤3[σ]盤(pán)片局部薄膜應(yīng)力SⅡ一次加二次應(yīng)力SⅣ120.15258.31≤1.5[σ]≤3[σ]形式2拉撐件局部薄膜應(yīng)力SⅡ一次加二次應(yīng)力SⅣ155.44320.2≤1.5[σ]≤3[σ]外端焊縫局部薄膜應(yīng)力SⅡ一次加二次應(yīng)力SⅣ126.33150.84≤1.5[σ]≤3[σ]

從表2可知，2種組合拉撐圓盤(pán)各部件的應(yīng)力值均滿(mǎn)足評(píng)定要求且具有較大的安全裕量。比較表2中組合拉撐圓盤(pán)形式1和形式2各部件的計(jì)算應(yīng)力值可知，組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)形式2各部件應(yīng)力值小于組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)形式1各部件相應(yīng)的應(yīng)力值，這說(shuō)明兩圈拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)內(nèi)圈采用管件拉撐、外圈采用棒材拉撐的受力明顯優(yōu)于內(nèi)圈采用棒材、外圈采用管件拉撐的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)。結(jié)合表2的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果與圓盤(pán)整體結(jié)構(gòu)中外端焊縫處對(duì)盤(pán)片的支撐作用弱于中心軸管對(duì)盤(pán)片的支撐作用的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析可知，由于棒材拉撐強(qiáng)度大于管件拉撐強(qiáng)度，所以外圈采用棒材拉撐明顯改善了圓盤(pán)整體受力。因此，從輕量化及加工制造的角度考慮，組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)形式2可以減小圓盤(pán)總體質(zhì)量，降低制造成本。

4 棒材和管件外徑比對(duì)組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度影響

基于棒材拉撐強(qiáng)度優(yōu)于管件的基本事實(shí)，以組合拉撐形式2的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)為研究模型。內(nèi)圈拉撐件外徑d1不變，通過(guò)調(diào)節(jié)棒材外徑d2來(lái)改變棒材與管件外徑比。棒材和管件的外徑比d2/d1分別為0.65、0.84、1、1.1、1.18、1.26的典型圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度云圖見(jiàn)圖5。

圖5 棒材和管件不同外徑比的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

從圖5可知，兩圈組合拉撐圓盤(pán)整體最大應(yīng)力值均隨著外徑比d2/d1的增大呈下降趨勢(shì)。外徑比d2/d1從0.65增至1.26，圓盤(pán)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值由537.7 MPa降至431.02 MPa。當(dāng)d2/d1<1.18時(shí)，兩圈組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力點(diǎn)均位于盤(pán)片與棒材連接處；當(dāng)d2/d1增大到1.26時(shí)，兩圈組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力點(diǎn)位于盤(pán)片與管件連接處。圖5表明隨著拉撐件外徑比的增大，組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)位置由棒材與盤(pán)片的拉撐截面逐步轉(zhuǎn)移至管件與盤(pán)片的拉撐截面。這是因?yàn)榘舨耐鈴降脑龃?，?duì)盤(pán)片及自身的強(qiáng)度有明顯的加強(qiáng)作用，從而使得棒材與盤(pán)片拉撐截面處的應(yīng)力得到減緩，而管件與盤(pán)片處的拉撐截面相應(yīng)變成了最危險(xiǎn)截面。

為了詳細(xì)分析組合拉撐圓盤(pán)各部件在不同外徑比下的應(yīng)力分布規(guī)律，按照應(yīng)力分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)圓盤(pán)各部件進(jìn)行線性化處理，提取兩圈組合拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)中的局部薄膜應(yīng)力SⅡ及一次加二次彎曲應(yīng)力SⅣ，不同外徑比d2/d1下的盤(pán)片、拉撐件的應(yīng)力分布規(guī)律。棒材和管件不同外徑比d2/d1下盤(pán)片的應(yīng)力變化趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖6 棒材和管件不同外徑比下盤(pán)片應(yīng)力變化趨勢(shì)

圖6顯示，隨著外徑比的增大，盤(pán)片上內(nèi)外圈的局部薄膜應(yīng)力和一次加二次彎曲應(yīng)力均呈現(xiàn)線性下降的趨勢(shì)。當(dāng)外徑比d2/d1由0.65增加至1.26時(shí)，內(nèi)圈拉撐件與盤(pán)片拉撐截面處的局部薄膜應(yīng)力由133.62 MPa下降至118.68 MPa，一次加二次彎曲應(yīng)力則由272.1 MPa下降至246.87 MPa；而外圈拉撐件與盤(pán)片拉撐截面處的局部薄膜應(yīng)力由122.12 MPa降至92.27 MPa，一次加二次彎曲應(yīng)力由365.42 MPa下降至279.98 MPa。圖6上述數(shù)據(jù)表明，隨著外徑比的增大，外圈盤(pán)片處的應(yīng)力下降幅度要比內(nèi)圈大得多。這是因?yàn)椋瑢?duì)內(nèi)圈采用管件拉撐、外圈采用棒材拉撐的組合圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，隨著棒材外徑的增大，外圈拉撐件對(duì)盤(pán)片的拉撐作用起到明顯的加強(qiáng)作用，從而顯著降低外圈盤(pán)片上的應(yīng)力。內(nèi)圈盤(pán)片處的應(yīng)力也相應(yīng)有所下降，是因?yàn)橥馊瓝渭?duì)內(nèi)圈拉撐干涉作用較為明顯，外圈拉撐作用加強(qiáng)，相應(yīng)對(duì)內(nèi)圈拉撐也有一定的加強(qiáng)作用，故內(nèi)圈盤(pán)片處的應(yīng)力也相應(yīng)降低。

棒材和管件不同外徑比d2/d1下拉撐件的應(yīng)力變化趨勢(shì)見(jiàn)圖7。

圖7 棒材和管件不同外徑比下拉撐件應(yīng)力變化趨勢(shì)

圖7中內(nèi)外圈拉撐件的應(yīng)力變化規(guī)律與盤(pán)片應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，隨著外徑比的增大，拉撐件的局部薄膜應(yīng)力和一次加二次彎曲應(yīng)力均下降，且變化趨勢(shì)基本一致。外徑比d2/d1從0.65到1.26，內(nèi)圈拉撐件局部薄膜應(yīng)力僅下降11.64 MPa，一次加二次彎曲應(yīng)力下降31.39 MPa；外圈拉撐件上的局部薄膜應(yīng)力下降了94 MPa，一次加二次彎曲應(yīng)力下降了165.94 MPa。比較內(nèi)外圈拉撐件應(yīng)力變化，外圈拉撐件的下降幅度比內(nèi)圈拉撐件大得多，這是因?yàn)橥馊榘舨睦瓝?，隨著棒材外徑的增大，自身的強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，使得本身應(yīng)力水平顯著降低。外圈拉撐件拉撐作用加強(qiáng)，不僅對(duì)內(nèi)圈盤(pán)片上的應(yīng)力水平有所減緩，而且同時(shí)降低內(nèi)圈拉撐件上的應(yīng)力水平。

5 結(jié)語(yǔ)

①采用有限元法對(duì)兩圈拉撐圓盤(pán)的2種組合拉撐形式進(jìn)行了應(yīng)力分析，并對(duì)圓盤(pán)各部件進(jìn)行了強(qiáng)度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求且具有較大的安全裕量。②比較了2種組合拉撐形式的圓盤(pán)整體應(yīng)力及各部件應(yīng)力值，對(duì)于兩圈組合拉撐圓盤(pán)，內(nèi)圈采用管件、外圈采用棒材拉撐的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)受力更佳。③分析了棒材和管件外徑比對(duì)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度的影響。分析結(jié)果表明，隨著外徑比增大，圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，且危險(xiǎn)點(diǎn)由盤(pán)片與棒材連接處轉(zhuǎn)移至盤(pán)片與管件連接處。