轉(zhuǎn)鼓式固體發(fā)酵罐支承結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

李洪深，李十中，曹寶剛

轉(zhuǎn)鼓式固體發(fā)酵罐支承結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

李洪深1,2，李十中1,2※，曹寶剛3

（1. 清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084；2. 北京市生物燃料工程技術(shù)研究中心，北京 100084；3. 中國天辰工程有限公司，天津 300400）

為實現(xiàn)以甜高粱為原料的先進固態(tài)發(fā)酵法（advanced solid-state fermentation，ASSF）生產(chǎn)燃料乙醇工藝的大規(guī)模、自動化、連續(xù)生產(chǎn)而開發(fā)的大型轉(zhuǎn)鼓式固體發(fā)酵罐，其支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計是影響設(shè)備安全穩(wěn)定運行的決定性因素。通過分析甜高粱稈碎料在發(fā)酵罐內(nèi)的運動特點，確定了加載在筒體和支承結(jié)構(gòu)上的載荷狀況。應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對的支承系統(tǒng)各部件進行了三維實體建模，考慮了各部件間的接觸關(guān)系，對工作狀態(tài)下的非線性接觸應(yīng)力做出了理論分析和數(shù)值模擬，分別得出了支承系統(tǒng)內(nèi)摩擦環(huán)、支撐輪和輪軸的應(yīng)力分布規(guī)律。根據(jù)有限元分析結(jié)果，以限制筒體變形量和避免疲勞裂紋擴散作為主要關(guān)注點，提出了在制造過程中需要控制焊接變形和減少焊接殘余應(yīng)力的重點部位和技術(shù)要求。通過電測應(yīng)力法在工程現(xiàn)場對仿真結(jié)果進行驗證，結(jié)果表明：有限元計算對應(yīng)力峰值部位預(yù)測結(jié)果與試驗值一致，得到的應(yīng)力分布規(guī)律具有較高的準(zhǔn)確性。該研究可為類似大型回轉(zhuǎn)式農(nóng)業(yè)機械的支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；有限元；先進固體發(fā)酵；轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵罐；支承結(jié)構(gòu)

0 引 言

生物質(zhì)燃料乙醇是傳統(tǒng)化石燃料的理想替代物。根據(jù)2017年9月，國家發(fā)展改革委、國家能源局、財政部等十五部門聯(lián)合印發(fā)的《關(guān)于擴大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》，2020年開始全國范圍將推廣使用E10（10%乙醇+90%汽油）生物乙醇汽油[1]。按目前燃料乙醇產(chǎn)能增長速度計算，至2020年國內(nèi)燃料乙醇市場產(chǎn)能缺口超過1200萬t[2]。甜高粱作為一種非糧作物，具有耐旱澇、耐鹽堿、適應(yīng)性強、生物學(xué)產(chǎn)量高、糖分含量高等特性[3-5]。目前，在第二代以木質(zhì)纖維素為原料生產(chǎn)乙醇工藝尚未完全成熟以前[6]，甜高粱將是生物質(zhì)燃料乙醇生產(chǎn)的最理想原料。

利用甜高粱莖稈生產(chǎn)乙醇主要有固體和液體2種發(fā)酵方式[7]。固體發(fā)酵是指在沒有或幾乎沒有自由流動水的狀態(tài)下進行的一種或多種微生物發(fā)酵生產(chǎn)過程[8]。與液體發(fā)酵相比，固體發(fā)酵具有廢水產(chǎn)量少、環(huán)境污染小、能耗低、糖利用率高、預(yù)處理及后處理工藝簡單等特點，但其缺點是生產(chǎn)過程不連續(xù)，發(fā)酵過程熱量容易聚集導(dǎo)致局部溫度過高，發(fā)酵速度緩慢。針對傳統(tǒng)固體發(fā)酵技術(shù)的3個關(guān)鍵性難題，Kargi等[9]早期曾提出采用轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵設(shè)備的想法，但未作深入研究。清華大學(xué)李十中團隊研發(fā)了國際領(lǐng)先的先進固體發(fā)酵ASSF（advanced solid-state fermentation）生產(chǎn)乙醇技術(shù)，在實驗室小試和中試的基礎(chǔ)上[10-11]，開發(fā)出全球最大的轉(zhuǎn)鼓式連續(xù)固體發(fā)酵罐，在某萬噸級燃料乙醇項目中開車成功，實現(xiàn)了甜高粱至燃料乙醇的大規(guī)模、高效、清潔轉(zhuǎn)化和自動化連續(xù)生產(chǎn)。

目前，使用離散單元法對轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵罐內(nèi)葉片或揚料板等內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計[12]和筒內(nèi)秸稈碎料混合規(guī)律的研究已經(jīng)有了一定進展，周敬之等[13]對揚料板作用下秸稈黏性碎料在發(fā)酵罐內(nèi)的混合機理進行了研究，得出了最優(yōu)化的揚料板數(shù)量和尺寸。Zhou等[14]利用離散單元法模擬了回轉(zhuǎn)式發(fā)酵罐內(nèi)甜高粱稈粉碎料在不同轉(zhuǎn)速、填充率和揚料板作用條件下的完全混合時間，并進行了試驗驗證。隨著工程的不斷放大，設(shè)備大型化對發(fā)酵罐外部支承結(jié)構(gòu)的要求更加苛刻。應(yīng)用于建材、冶金工業(yè)的回轉(zhuǎn)窯等設(shè)備具有類似的支承結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學(xué)者主要采用有限元法對支承結(jié)構(gòu)進行研究。Ziga等[15]分析了水泥回轉(zhuǎn)窯支承結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布，認為支撐環(huán)處的總應(yīng)力由彎曲應(yīng)力、接觸應(yīng)力和熱應(yīng)力三部分組成并分別計算并指導(dǎo)設(shè)計。周賢等[16]對冶金回轉(zhuǎn)窯輪帶處的接觸應(yīng)力進行了有限元分析，得出了輪帶的應(yīng)力分布規(guī)律。王和慧等[17]利用接觸非線性有限元方法，模擬回轉(zhuǎn)窯支承部件間的接觸碾壓和摩擦作用，評估系統(tǒng)的應(yīng)力與變形規(guī)律，為回轉(zhuǎn)窯支承結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計提供理論依據(jù)。

但回轉(zhuǎn)窯類設(shè)備與轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)上有本質(zhì)的區(qū)別，具體表現(xiàn)在：首先，冶金設(shè)備具有高溫、重載等特點，支承結(jié)構(gòu)的關(guān)注點大多集中于熱膨脹或重載荷引起的基礎(chǔ)沉陷而導(dǎo)致的回轉(zhuǎn)中心的偏斜，而發(fā)酵設(shè)備由于散熱要求和制造成本的考慮，設(shè)計筒體壁厚通常較薄，且無耐火磚等襯里結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)動過程中極易產(chǎn)生因筒體剛度不足而引起的外壓失穩(wěn)。其次，為避免回轉(zhuǎn)中心偏移，發(fā)酵罐筒體與摩擦環(huán)為焊接固定，在結(jié)構(gòu)上與回轉(zhuǎn)窯的活套式連接方式有本質(zhì)不同，受力分析時需要將筒體和摩擦環(huán)作為一個整體考慮。再次，發(fā)酵罐內(nèi)秸稈類碎料為不均勻黏性桿狀物料，為提高發(fā)酵效率，內(nèi)部需設(shè)置揚料板，物料作用于筒壁的載荷與回轉(zhuǎn)窯中的規(guī)則球狀顆粒有較大區(qū)別。

因此，在支承結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要將發(fā)酵罐筒體的剛度作為主要限制因素，同時綜合考慮支撐輪和摩擦環(huán)等處由于交變載荷引起的接觸疲勞破壞和輪軸強度破壞所造成的影響。本研究將支承結(jié)構(gòu)作為一個整體系統(tǒng)，并計入輪軸與支撐輪的過盈配合產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力，運用三維接觸非線性有限元技術(shù)，分析支承結(jié)構(gòu)內(nèi)部摩擦環(huán)、支撐輪和輪軸等元件的應(yīng)力分布規(guī)律，對照標(biāo)準(zhǔn)做出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并通過試驗驗證所得到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，力求達到既保證設(shè)備長期、高效、穩(wěn)定運行，又節(jié)省材料、節(jié)約成本的目的。

1 轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵罐及其支承結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)鼓式連續(xù)固體發(fā)酵罐如圖1所示。連續(xù)固體發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)如圖2a所示，其長度為55 m，直徑3.6 m，體積560 m3，筒體壁厚12 mm，傾斜角4.7°。工作時，將甜高粱秸稈粉碎料與酵母菌液混合均勻，經(jīng)由前端進料絞龍，送入回轉(zhuǎn)筒內(nèi)進行發(fā)酵。筒體在電動機、減速機和傳動齒輪的帶動下轉(zhuǎn)動，從而帶動筒內(nèi)料床不斷翻轉(zhuǎn)。筒體內(nèi)增加揚料板，用以提高轉(zhuǎn)動時的翻轉(zhuǎn)效率，避免了發(fā)酵熱的過度累積，保證了酵母菌的活性，較好地解決了傳統(tǒng)固體發(fā)酵的前述缺陷。筒體內(nèi)布置有加強圈用以增加設(shè)備整體剛度。物料在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)連續(xù)發(fā)酵20～24 h后經(jīng)卸料倉卸料，進入后續(xù)工段進行汽提提純、精餾、脫水至燃料乙醇。

轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵罐筒體長、跨距大，設(shè)備和內(nèi)部物料質(zhì)量產(chǎn)生的荷載均由沿筒體軸向均布的三組支承結(jié)構(gòu)承擔(dān)。支承結(jié)構(gòu)主要由摩擦環(huán)、支撐輪和輪軸組成。為保證設(shè)備連續(xù)轉(zhuǎn)動，在設(shè)備非支承部位可采用加強圈結(jié)構(gòu)保持其圓度，而在支承部位，設(shè)計時必須考慮剛度和強度2方面的條件，既保證筒體的自由轉(zhuǎn)動時不發(fā)生過量變形，又能承受自重載荷，避免設(shè)備的損壞。

發(fā)酵罐的摩擦環(huán)與支撐輪的位置關(guān)系如圖2b所示，摩擦環(huán)焊接在發(fā)酵罐筒體上，支撐輪以30°角對稱分布在摩擦環(huán)中心線兩側(cè)，前后等間距設(shè)置3組，摩擦環(huán)轉(zhuǎn)動時與支撐輪呈面接觸。根據(jù)本課題組在實驗室條件下對發(fā)酵罐內(nèi)甜高粱碎料運動情況的試驗研究，可以確定物料在低轉(zhuǎn)速條件下，落料高度約等于甜高粱粉碎料在鋼板上的動態(tài)休止角= 49°，即物料與筒體無接觸壓力的弧長范圍約為98°。

圖1 560 m3轉(zhuǎn)鼓式連續(xù)固體發(fā)酵罐

圖2 連續(xù)固體發(fā)酵裝置及其支承結(jié)構(gòu)示意圖

摩擦環(huán)與支撐輪接觸面設(shè)計寬度為300 mm，支撐輪幾何結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，支撐輪中間為輪軸孔，在設(shè)計時考慮了鑄造要求開設(shè)了8個清砂孔，并設(shè)置了輻板加強輪緣強度。清砂孔和輻板邊緣都可能是應(yīng)力集中部位，具體情況需要通過有限元分析做出判斷。支撐輪的具體尺寸在圖2c中標(biāo)明，其余支承系統(tǒng)各部件及料床的幾何參數(shù)詳見表1。

表1 設(shè)計幾何參數(shù)

2 有限元建模與結(jié)果分析

2.1 有限元模型的建立

為確定摩擦環(huán)與支撐輪的摩擦接觸及輪軸和支撐輪間的過盈配合對各元件內(nèi)部應(yīng)力的影響，因此，將支撐輪、摩擦環(huán)和輪軸組成的支撐系統(tǒng)作為整體進行幾何建模。根據(jù)各元件幾何尺寸和位置關(guān)系，考慮結(jié)構(gòu)對稱性，對1/2實體進行有限元建模并進行網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖3所示。有限元實體選用ANSYS提供的三維20節(jié)點等參數(shù)塊單元SOLID186，其特點是對不規(guī)則結(jié)構(gòu)在邊界上能夠更好的逼近結(jié)構(gòu)曲面邊界，同時高次插值函數(shù)可以更高精度的逼近復(fù)雜場函數(shù)[18]。網(wǎng)格劃分時采用線和關(guān)鍵點控制的方法，將摩擦環(huán)劃分為120個單元，支撐輪劃分為5280個單元。

圖3 支承結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 載荷分析

對回轉(zhuǎn)設(shè)備支承結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的理論分析，往往采用簡化梁或簡化厚壁圓筒的方法[19]，推導(dǎo)出各種解析方程。但簡化模型與發(fā)酵罐的實際受力情況有較大差別，難于接近真實。隨著有限元理論和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，通過數(shù)值模擬的方法計算建材、冶金等回轉(zhuǎn)設(shè)備的內(nèi)部載荷[20]和支承結(jié)構(gòu)有了一定的研究，但如前所述，此類設(shè)備結(jié)構(gòu)與內(nèi)部物料運動規(guī)律與農(nóng)業(yè)機械相比差別較大，因此，需針對物料運動的特點對作用于摩擦環(huán)上的應(yīng)力分布做具體分析。

由于摩擦環(huán)與筒體焊接固定，可將支承段筒體和摩擦環(huán)作為整體考慮。為確定摩擦環(huán)內(nèi)應(yīng)力分布情況可參考經(jīng)典臥式容器支座的計算方法[21]，但由于轉(zhuǎn)鼓帶動內(nèi)部物料轉(zhuǎn)動和實際支承結(jié)構(gòu)的不同，摩擦環(huán)又有自身的受力特點。

兩邊積分，可得

其中為積分常數(shù)。又根據(jù)徑向的平衡條件

將（2）代入（3）式，有

注：R為摩擦環(huán)平均直徑；0為作用于摩擦環(huán)內(nèi)壁的物料及筒體自身重力形成垂直均布載荷；為摩擦環(huán)作用于筒壁的徑向均布載荷；各支承點平均受力得到支反力。

Note:Ris the average diameter of the friction ring; g0is the vertically evenly distributed load formed by the material acting on the inner wall of the friction ring and the gravity of the cylinder itself;is the radial uniformly distributed load acted on the cylinder wall by the friction ring;is the average stress of each supporting point to obtain the supporting reaction force.

圖4 摩擦環(huán)受力模型

Fig.4 Friction ring force model

為方便在有限元模型上施加載荷，需要求解積分常數(shù)?？煽紤]摩擦環(huán)與支撐輪之間的受力關(guān)系，利用支撐輪對摩擦環(huán)的支反力和摩擦環(huán)內(nèi)徑向應(yīng)力的總和在垂直方向上平衡關(guān)系求解。根據(jù)落料高度試驗結(jié)果，物料與筒體在頂部0°到動態(tài)休止角圍內(nèi)無壓力接觸，有限元模型1/2筒體內(nèi)受徑向應(yīng)力范圍可以確定為～180°范圍，列平衡關(guān)系，有

將（4）式代入（5），得

現(xiàn)場工作狀態(tài)下，考慮最大工作載荷，筒體內(nèi)甜高粱碎料填充率取0.6，堆積密度取本課題組長期多次測量的甜高粱自然堆積密度數(shù)據(jù)的平均值。筒體和摩擦環(huán)的材料均為Q235B，支撐輪鑄件進行正火處理，加工后外圓表面硬度應(yīng)大于摩擦環(huán)接觸面硬度至少HB20，且不低于HB200。因此，有限元分析中所輸入的各部分材料常數(shù)見表2。

表2 輸入材料常數(shù)表

整個發(fā)酵罐由3組支撐輪支撐，保守計算忽略傾角對各支承點支反力的影響，每個支撐輪支座反力垂直方向分量可由靜態(tài)平衡關(guān)系，按各支承點平均受力得到支反力

作用于摩擦環(huán)內(nèi)壁的垂直均布載荷0為

將（6）代入（4）可計算得到積分常數(shù)為

其中常數(shù)=1.8391。

將（8）、（9）代入（4）式可以得到摩擦環(huán)內(nèi)應(yīng)力分布關(guān)系

即為摩擦環(huán)內(nèi)壓力分布公式，可以看到，設(shè)備和物料作用于摩擦環(huán)上的壓力呈余弦分布，可將此關(guān)系式作為有限元分析時施加在摩擦環(huán)上的載荷函數(shù)。

2.3 施加約束和載荷

發(fā)酵罐轉(zhuǎn)動過程中，摩擦環(huán)和支撐輪之間的摩擦接觸和支撐輪與輪軸過盈配合均為典型面接觸問題，因此在接觸分析過程中，選用ANSYS軟件提供的面接觸單元TARGE170和CONTA174模擬接觸過程，采用接觸非線性有限元方法進行迭代求解。

接觸單元是獨立于結(jié)構(gòu)單元的功能單元，專門模擬接觸相互作用。在接觸分析中需指明發(fā)生接觸的兩對表面，以目標(biāo)面和接觸面加以區(qū)分。摩擦環(huán)和支撐輪之間設(shè)定支撐輪的接觸面為目標(biāo)面，支撐輪與輪軸為過盈配合，設(shè)定輪軸的接觸面為目標(biāo)面。在勻速轉(zhuǎn)動的條件下，摩擦系數(shù)根據(jù)機械設(shè)計手冊中的參數(shù)[22]設(shè)定。

由于結(jié)構(gòu)的對稱性，施加如下約束條件：

在平面上和摩擦環(huán)平行于平面上各點施加對稱約束，在輪軸表面施加一個==0的簡支約束。

加載時按關(guān)系式（10），通過ANSYS內(nèi)置的函數(shù)加載器定義后便可加載到摩擦環(huán)表面上。

2.4 結(jié)果與分析

經(jīng)求解后，得到摩擦環(huán)和支撐輪摩擦面的接觸應(yīng)力云圖（圖5）和支承系統(tǒng)部件：摩擦環(huán)、支撐環(huán)和輪軸的等效應(yīng)力云圖（圖6）。

圖5顯示摩擦環(huán)和支撐輪接觸面的最大摩擦力應(yīng)力峰值為4.1 MPa，小于轉(zhuǎn)動部件間為避免疲勞破壞所規(guī)定的經(jīng)驗許用接觸應(yīng)力值，摩擦接觸面校核合格。

圖5 摩擦面接觸應(yīng)力云圖

通過圖6中各部件的等效應(yīng)力云圖可以直觀看到，在摩擦環(huán)與支撐輪相接觸處、摩擦環(huán)中間段和頂端、支撐輪與輪軸配合處、內(nèi)輪和輻板連接處以及輪軸的內(nèi)端面等處應(yīng)力值相對較大。其中，由于過盈配合導(dǎo)致在支撐輪內(nèi)表面出現(xiàn)塑性區(qū)，而輪軸內(nèi)表面最大應(yīng)力小于材料的屈服強度，輪軸未出現(xiàn)塑性變形。根據(jù)厚壁圓筒塑性失效準(zhǔn)則，支撐輪內(nèi)壁塑性區(qū)產(chǎn)生的周向殘余應(yīng)力將有助于提高其屈服承載能力，因此可不考慮支撐輪內(nèi)周向應(yīng)力的校核。為進行強度評定，可采用路徑分析的方法分別對仿真結(jié)果做具體分析，以獲得各部件內(nèi)部應(yīng)力的變化規(guī)律。

a. 摩擦環(huán)應(yīng)力分布云圖a. Contour of von Mises stress in friction ringb. 支撐輪應(yīng)力分布云圖b. Contour of von Mises stress of supporting wheelc. 輪軸應(yīng)力分布云圖c. Contour of von Mises stress of wheel shaft

校核筒體剛度時，對摩擦環(huán)內(nèi)表面（即筒體外表面）從頂部0°到底部180°范圍做徑向位移路徑分析（圖7），可知筒體的最大位移發(fā)生在頂端，變形量為0.348 mm，而在支撐處由于拉伸和擠壓作用相互抵消，變形量反而很小，說明筒體整體發(fā)生向下的擠壓變形，且每一點處均經(jīng)歷周期性的交變變形。根據(jù)鋼制壓力容器設(shè)計規(guī)范[23]中外壓筒體圓度檢查標(biāo)準(zhǔn)，長徑比超過10的薄壁筒體圓度偏差控制值取0.2=2.4 mm，變形量符合設(shè)計要求，可以認為摩擦環(huán)的設(shè)計較好地提高了設(shè)備的剛度。同時，在摩擦環(huán)和圓筒的焊接過程中需要嚴(yán)格控制焊接變形，及時檢查焊后筒體圓度不得超過上述偏差減變形量余量的范圍，并作為技術(shù)要求體現(xiàn)在設(shè)計圖紙中，可有效避免筒體在支撐處由于外壓失穩(wěn)造成的損壞。

圖7 筒體外表面徑向變形量路徑圖

對摩擦環(huán)內(nèi)表面周向應(yīng)力在頂部0°到底部180°范圍內(nèi)做路徑分析（圖8）可以看出，在頂端，中部和支撐處均出現(xiàn)應(yīng)力峰值，回轉(zhuǎn)運動使載荷表現(xiàn)為周期性脈動，易使筒體和摩擦環(huán)焊縫在強度最薄弱處，特別是表面缺陷處產(chǎn)生疲勞裂紋，進而造成疲勞破壞[24]。因此，在筒體與摩擦環(huán)焊接時需要嚴(yán)格檢查焊縫處的裂紋和應(yīng)力集中現(xiàn)象，必要時采取相應(yīng)的熱處理工藝，改善焊縫的應(yīng)力狀態(tài)，并在焊接技術(shù)要求中說明。

圖8 摩擦環(huán)內(nèi)表面周向應(yīng)力路徑圖

Fig 8 Circumferential stress path diagram of friction ring inner surface

從支撐輪應(yīng)力分布云圖中可以看出，支撐輪內(nèi)表面至外表面應(yīng)力逐漸降低，對支撐輪的應(yīng)力分析可在與摩擦環(huán)接觸點法向沿直徑做一條路徑至內(nèi)表面，根據(jù)圖9可以看出，支撐輪內(nèi)圈與輪軸接觸處應(yīng)力狀況較惡劣，說明在滿足傳動要求的情況下，應(yīng)盡量選用過盈量適合的配合形式。曲線斷開處代表輪上清砂孔的位置（無結(jié)點）?？梢钥吹剑谥屋唭?nèi)側(cè)應(yīng)力水平急劇變化，同時，在內(nèi)圈與輻板連接處有應(yīng)力突變現(xiàn)象。為避免疲勞破壞，應(yīng)在設(shè)計圖紙中這一部位增加過渡圓角半徑，以緩解應(yīng)力集中，增加整個支承結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。

支撐輪與輪軸之間配合間隙應(yīng)以輪軸整體不出現(xiàn)塑性變形與相對滑動為準(zhǔn)則。對輪軸外側(cè)沿受力方向從前端面到后端面做路徑分析可知（圖10），因受支撐輪不平衡壓力影響，輪軸在后端一側(cè)應(yīng)力較大，在與支撐輪邊緣接觸部位的應(yīng)力達到最大，但輪軸外部最大應(yīng)力未超過材料的屈服極限，不會發(fā)生塑性變形。而輪軸在回轉(zhuǎn)過程中同樣不斷承受交變載荷，在設(shè)備實際運行過程中，應(yīng)經(jīng)常監(jiān)控輪軸后端面與軸承間疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴散，避免導(dǎo)致因輪軸斷裂而造成的事故。

圖9 支撐輪徑向應(yīng)力分布圖

圖10 輪軸表面周向應(yīng)力路徑圖

3 試驗驗證

應(yīng)力測試是在ASSF工程現(xiàn)場大型轉(zhuǎn)鼓式發(fā)酵罐的支承部件上實際測量的，試驗采用電測應(yīng)力法。電測法是利用電阻應(yīng)變片測定零部件或結(jié)構(gòu)指定部位的表面應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力的一種試驗分析方法。其基本原理是：將電阻應(yīng)變片固定在被測構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件變形時，應(yīng)變片的電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。通過電阻應(yīng)變儀，可以將應(yīng)變片中的阻值變化測量出來，并以正比于應(yīng)變值的模擬信號輸出并加以記錄。

試驗設(shè)備為SG-04型便攜式應(yīng)力分析儀（東莞市晶研儀器科技有限公司，應(yīng)變測試范圍-105～+105，精度1），是一種帶有微處理器的智能化應(yīng)變儀，可自動記錄峰值應(yīng)力和應(yīng)力變化曲線。測試時，先將待測點表面打磨除銹并清理干凈，用粘結(jié)劑將預(yù)先焊接好導(dǎo)線的應(yīng)變片與測點牢固粘貼，再將導(dǎo)線與應(yīng)變片連接至測試儀上，組橋方式采用1/4橋，用萬用表確認應(yīng)變片電阻值和導(dǎo)線與金屬構(gòu)件間的絕緣電阻值合格后，開機穩(wěn)定一段時間后，轉(zhuǎn)動設(shè)備并進行應(yīng)力值記錄。

根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果，在試驗中選定的測試點有摩擦環(huán)與筒體環(huán)焊縫處（周向），支撐輪內(nèi)壁與輪軸接觸處（徑向）。輪軸后端表面與軸承之間靠近與支撐輪一側(cè)（周向），如圖11。測量焊縫處周向應(yīng)力時，為避免導(dǎo)線纏繞，將顯示器粘貼固定與筒體后隨設(shè)備一起轉(zhuǎn)動。因空間位置受限，實際測量輪軸和支撐輪應(yīng)力時無法將應(yīng)變片固定于接觸點上，因此分別選取距離接觸點20 mm處粘貼應(yīng)變片。每個點試驗重復(fù)測量3次取平均值。最后根據(jù)所得應(yīng)變值乘以碳鋼材料的彈性模量210 GPa計算得出各點的應(yīng)力值，試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果對比如表3所示。

圖11 現(xiàn)場應(yīng)力測試點

表3 有限元仿真結(jié)果與試驗值對比

運用電測應(yīng)力法對仿真結(jié)果進行了驗證，平均仿真誤差6.69%，最大仿真誤差8.61%，實際應(yīng)力分布曲線與模擬計算結(jié)果相一致。試驗結(jié)果表明，各部件內(nèi)峰值應(yīng)力的試驗值均小于模擬值，這與有限元仿真所取載荷偏保守、非線性接觸表面長期運行過程中的磨損和儀器的測量誤差等因素有關(guān)。其中輪軸表面的周向應(yīng)力因只計算了輪軸與支撐輪接觸部分，而測試部位沒有計算值，因此不計入相對誤差，但所測值與反方向距接觸點20 mm處應(yīng)力計算值相差不大。測試儀中記錄的摩擦環(huán)與筒體焊縫處的周向應(yīng)力變化曲線與模擬的應(yīng)力曲線形態(tài)吻合，且各部件峰值應(yīng)力位置與預(yù)測點一致，表明使用有限元仿真方法確定支承結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力分布并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較高的可靠性。

4 結(jié) 論

在大型轉(zhuǎn)鼓式固體發(fā)酵罐支承結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，通過有限元方法對結(jié)構(gòu)內(nèi)各部件進行整體建模，實現(xiàn)了整個支承系統(tǒng)多體接觸模型的非線性有限元組合模擬，確定了摩擦環(huán)、支撐輪和輪軸的應(yīng)力分布狀況，達到了通過有限元分析，指導(dǎo)工程設(shè)計和監(jiān)控運行的目的。主要結(jié)論有：

1）在現(xiàn)有支承結(jié)構(gòu)作用下，設(shè)備筒體變形量滿足設(shè)計規(guī)范，但制造過程中還需同時控制焊接變形，保證圓度達標(biāo)。

2）摩擦環(huán)與筒體焊接部位易發(fā)生疲勞破壞，設(shè)計和制造時應(yīng)采取措施，避免焊縫應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3）支撐輪內(nèi)表面應(yīng)力水平較高且有應(yīng)力突變現(xiàn)象，可結(jié)合應(yīng)力分析結(jié)果對設(shè)計圖紙進行改進，降低應(yīng)力集中的影響。

4）輪軸內(nèi)端面受交變載荷作用有產(chǎn)生疲勞裂紋的可能，生產(chǎn)中需要經(jīng)常監(jiān)控輪軸后端面與軸承之間裂紋的產(chǎn)生和擴散。

5）運用電測應(yīng)力法對仿真結(jié)果進行了驗證，平均仿真誤差6.69%，最大仿真誤差8.61%，實際應(yīng)力分布曲線與模擬計算結(jié)果相一致。

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Design of supporting system on rotary drum bioreactor for solid-state fermentation and finite element analysis

Li Hongshen1,2, Li Shizhong1,2※, Cao Baogang3

(1.,,100084,; 2.,100084,;3.,300400,)

The technology of advanced solid state fermentation (ASSF) from sweet sorghum to produce fuel ethanol has broad prospects under the background of shortage of energy. In order to realize the large-scale, automatic and continuous production of the process, a type of rotary drum bioreactor is developed. The supporting system of the bioreactor is mainly composed by friction ring, supporting wheel and wheel shaft, which is the most decisive factor for the safety and stable operation of bioreactor. The pattern design of bioreactor supporting system refers to the rotary kiln used in metallurgical or construction material industry. However, due to the differences in construction, stream characteristics and the load condition between two types of equipment, the analysis of the supporting systems are distinguishing. The bioreactor and its supporting system is failure in operation mainly caused by fatigue crack on the surface of welding joint and stiffness deficiency of cylinder. By analyzing the rotating characteristics of sweet sorghum bagasse in bioreactor, the load condition on the friction ring and cylinder, which considered as a whole element due to two parts welding together, was determined. Based on APDL programing in ANSYS, a three dimensional multi-body model for three parts of supporting system with complex loading of distribution was modeled according to the actual dimension of the parts. The contact elements were used on the interface of friction ring and supporting wheel and the interface fit of wheel and its shaft. SOLID186, a three dimensional element with 20 nodes was selected to build entity. TARGE170 and CONTA174, the interface contact element provided by ANSYS, were selected to simulate the relative motion of parts in the system. Using the manner of key points and lines controlling in the meshing, 5 400 elements were divided. Numerical simulations of contact nonlinear finite elements were presented on the mechanical behavior of the supporting system in the working condition. The stress distribution of friction ring, supporting wheel and the shaft was solved. Cylinder deformation and fatigue failure were focused in finite element analysis. Through the method of path analysis, the maximum deformation on the cylinder was determined, which was combined with welding deformation to be considered as a control condition in the process of design and manufacture of cylinder. The design parameter refers to the deformation deviation of external pressure vessel on Chinese standard. The generation and diffusion of fatigue crack on the end surface of wheel shaft and the welding joint between friction ring and cylinder were predicted. Reducing the welding residual stress and the stress concentration on key parts was an effective method to avoid fatigue damage, which could be carried out by improved specification on fabrication drawings of equipment. High stress concentration was shown in contour at the internal discontinuity of supporting wheel. So fillets were designed at the connection of the ribs and the inner wheel on fabrication drawing. Electrical stress measurement method was used to indicate the effectiveness of finite element analysis of supporting system. The results showed that the maximum simulation error was 8.61% and the stress distribution obtained by finite element calculation was of high accuracy. These findings can apply as instructions for the design of similar rotary equipment applied in agriculture.

agricultural machinery; finite element analysis; ASSF; rotary drum bioreactor; supporting system

李洪深，李十中，曹寶剛. 轉(zhuǎn)鼓式固體發(fā)酵罐支承結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(22)：141－147. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.016 http://www.tcsae.org

Li Hongshen, Li Shizhong, Cao Baogang. Design of supporting system on rotary drum bioreactor for solid-state fermentation and finite element analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 141－147. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.016 http://www.tcsae.org

2019-03-26

2019-09-25

政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項（2016YFE0108500）

李洪深，高級工程師，主要從事生物質(zhì)燃料工程裝備研發(fā)。Email：li-hs17@mails.tsinghua.edu.cn

李十中，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能源方面的研究。Email：szli@mail.tsinghua.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.016

S216.2

A

1002-6819(2019)-22-0141-07