HXD出料氣鎖高溫特性研究與分析

于富冬，仲崇寶，張煜昊，張朋

（山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠，濟(jì)南 250104）

0 引言

煙絲高溫在線膨脹干燥系統(tǒng)（HXD）干燥部結(jié)構(gòu)為高溫管道處理系統(tǒng)，其主要結(jié)構(gòu)由燃燒爐，進(jìn)出料氣鎖、主工藝風(fēng)機(jī)、旋風(fēng)分離器、滅火系統(tǒng)和蒸汽管路系統(tǒng)構(gòu)成。模擬水管路部分用來模擬初始過料時的水分，控制水管路部分用來實現(xiàn)工作過程中的水分的精準(zhǔn)調(diào)控[1]。

在生產(chǎn)過程中，物料（煙絲）進(jìn)入干燥管后迅速被高溫工藝氣體脫水，實現(xiàn)快速膨脹干燥，整個過程大約需要1～2 s。物料（煙絲）經(jīng)過干燥后，通過旋風(fēng)分離器實現(xiàn)空氣和煙絲的分離[1]，出料氣鎖安裝在旋風(fēng)分離器下面，煙絲從出料氣鎖進(jìn)到出料槽后分成了兩部分，一個分叉防止火花和熾熱的煙絲進(jìn)入下游設(shè)備，在出料氣鎖緊跟的出料滑槽上安裝有一個紅外探測器，并設(shè)置有空氣凈化裝置以防止灰塵積聚在探測器鏡頭上，在探測器下面是一個快速換向閥能夠使廢物進(jìn)入到出廢料滑槽和收集箱[2]。

在換向閥下面的廢料滑槽有一個水滅火區(qū)，有2個滅火用水噴嘴，當(dāng)探測到單束火光或陰燃的煙絲，換向閥立即根據(jù)預(yù)置的時間（通常為2 s）換向并將廢料排出。同時，滅火噴嘴開始噴水，對于探測到單束火花這種過程會循環(huán)動作。但是，當(dāng)單束火花頻率增大到危險的情況或者出現(xiàn)明火，換向閥則保持在滅火狀態(tài)，生產(chǎn)過程將停止，并發(fā)出相應(yīng)的警報。

1 出料氣鎖結(jié)構(gòu)分析

HXD出料氣鎖轉(zhuǎn)子刀片和轉(zhuǎn)子軸為不銹鋼材料，采用連接緊密的機(jī)械結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子有10個徑向的刀片，包容轉(zhuǎn)子的外殼是由鑄鐵加工而成[3]。

出料氣鎖調(diào)整板與殼體內(nèi)腔間隙為0.92～1.03 mm,該間隙在設(shè)備出廠前已經(jīng)調(diào)整好。工作一段時間后，由于氣鎖運轉(zhuǎn)磨損，會造成間隙逐漸變化，因此工作人員需每月用塞尺檢查進(jìn)出料氣鎖調(diào)整片與氣鎖內(nèi)腔在徑向和軸向間隙[4]，不能超過1.03 mm。如果超過應(yīng)停止工作及時適當(dāng)調(diào)整，保證各調(diào)整片調(diào)整均勻，且間隙一定不能小于0.92 mm，否則將會造成氣鎖堵轉(zhuǎn)或摩擦噪聲現(xiàn)象[5]。

圖1 出料氣鎖外部結(jié)構(gòu)圖

2 出料氣鎖工況分析

生產(chǎn)過程中，出料氣鎖需要長期在高溫環(huán)境下工作，這就要求轉(zhuǎn)子葉片具有一定的耐高溫性能，在工作環(huán)境下不會因高溫發(fā)生大變形而影響正常的工作間隙，進(jìn)而保證出料氣鎖在高溫下工作的安全性。

通常情況下，出料氣鎖的室溫環(huán)境為30 ℃，HXD啟動預(yù)熱程序開始后，溫度開始上升，一般經(jīng)過0.5 h后，溫度達(dá)到160 ℃左右。通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，出料氣鎖最高溫度達(dá)到過180 ℃。最長連續(xù)工作時間為36 h。

3 出料氣鎖高溫特性分析

高溫環(huán)境下，金屬材料中原子的擴(kuò)散能力顯著增強，使得材料內(nèi)部空位個數(shù)增多，與此同時晶界滑移系也會發(fā)生變化或數(shù)量增加。這樣就使得材料在高溫下的強度發(fā)生明顯改變。應(yīng)變速率對材料的強度極限也有著顯著的作用。通常情況下應(yīng)變速率越高，材料的強度也就越高。雖然在常溫環(huán)境下應(yīng)變速率對材料的強度也有著一定的影響，但相比高溫環(huán)境，這種影響要小得多[6]。

在對HXD出料氣鎖進(jìn)行熱應(yīng)力分析時，由于出料氣鎖在工作時所處的環(huán)境溫度高，氣鎖轉(zhuǎn)子葉片調(diào)節(jié)板會發(fā)生形變，應(yīng)力應(yīng)變場也會發(fā)生變化，因此在使用ABAQUS/Standard進(jìn)行熱應(yīng)力分析時基本步驟如下[6]：

1）設(shè)置分析材料的線脹系數(shù)：

2）定義出料氣鎖的溫度場：

在分析步中設(shè)置氣鎖所在的溫度場

*INITIAL CONDITIONS，TYPE=TEMPERATURE＜分析幾何的節(jié)點集合＞，＜溫度值＞，……

采用有限元分析軟件ABAQUS對出料氣鎖在高溫環(huán)境的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。由于HXD出料氣鎖在工作時有特定的溫度要求，因此在定義彈性模量、泊松比的基礎(chǔ)上，添加材料的線膨脹系數(shù)屬性。在靜力分析步的基礎(chǔ)上添加一個熱分析步，并在場變量輸出中添加相應(yīng)的熱學(xué)變量輸出。

對出料氣鎖在180 ℃的工作環(huán)境中進(jìn)行熱應(yīng)力分析，最大變形量為轉(zhuǎn)子葉片調(diào)節(jié)板頂端，最大變形量為1.570×10-2mm，遠(yuǎn)小于允許的出料氣鎖調(diào)整片與氣鎖內(nèi)腔在徑向和軸向間隙。因此，在正常工作環(huán)境溫度設(shè)置要求下，出料氣鎖可以安全的工作。

4 蠕變機(jī)理

材料長時間受到低于降幅或抗拉應(yīng)力作用時，出現(xiàn)塑性變形的一種現(xiàn)象稱之為蠕變。金屬材料的蠕變現(xiàn)象一般發(fā)生在高溫環(huán)境下，如果應(yīng)力增大或溫度升高，那么蠕變現(xiàn)象則更加明顯。

表1 出料氣鎖設(shè)備參數(shù)

圖2 在分析步中添加熱分析步

蠕變的產(chǎn)生通常是由三方面因素造成的：應(yīng)力、溫度及時間。隨著金屬蠕變的累積，使得金屬部件產(chǎn)生過大的塑性變形而無法正常使用，或者進(jìn)入蠕變過程的加速蠕變階段，產(chǎn)生蠕變斷裂，同樣會造成部件的失效，嚴(yán)重時會造成安全事故。因此，對于長期作業(yè)的高溫部件，要嚴(yán)格進(jìn)行蠕變監(jiān)測，當(dāng)然也允許一些部件在工作中出現(xiàn)一定的塑性變形，只要在工作期限內(nèi)由蠕變所累積的塑性變形量不超過許用值即可[7]。

5 出料氣鎖蠕變分析

出料氣鎖需要經(jīng)常在高溫環(huán)境下工作，最長工作時長為36 h。通常情況下，根據(jù)生產(chǎn)實際，空閑時間超過2 h需要對HXD進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)。為了保證出料氣鎖的正常安全工作，對出料氣鎖在180 ℃的環(huán)境下進(jìn)行蠕變分析。

進(jìn)行蠕變分析之前，首先要獲得材料的蠕變參數(shù)，再將所得到的參數(shù)用于有限元軟件中。通常獲得蠕變參數(shù)要通過使用相應(yīng)的蠕變持久試驗機(jī)，結(jié)合拉桿式引伸測量儀對實驗材料進(jìn)行蠕變實驗，獲得該材料在某一溫度一定應(yīng)力水平下的蠕變曲線，然后通過對蠕變曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到該材料相應(yīng)的蠕變參數(shù)。

采用MATLAB軟件對轉(zhuǎn)子葉片材料進(jìn)行蠕變擬合，通過ABAQUS軟件對出料氣鎖在高溫環(huán)境下的工作狀態(tài)進(jìn)行蠕變分析。在之前分析步的基礎(chǔ)上添加一個黏性分析步，進(jìn)行蠕變的分析，同時在編輯分析步中進(jìn)行相應(yīng)的分析步時間、分析步增量、容差等設(shè)置。在蠕變分析步參數(shù)設(shè)置中，蠕變應(yīng)變?nèi)莶畹脑O(shè)置會直接影響增量步的大小，如果容差設(shè)置得小，那么增量步也會隨之變小。因此在分析過程中，應(yīng)選擇一個合適的蠕變應(yīng)變?nèi)莶睿ǔ榱舜_保精度同時又保證增量步不是太小，一般將容差確定為1×10-4～1 ×10-6左右。

經(jīng)過36 h的工作，出料氣鎖發(fā)生的蠕變應(yīng)變?yōu)?.627×10-2，最大位置發(fā)生在轉(zhuǎn)子葉片調(diào)節(jié)板頂端，此時的蠕變并沒有到達(dá)材料發(fā)生破壞的蠕變應(yīng)變，出料氣鎖能夠正常工作。在180 ℃環(huán)境下，經(jīng)過53.2 h后，蠕變應(yīng)變?yōu)?.01，接近出料氣鎖調(diào)整片與氣鎖內(nèi)腔在徑向和軸向允許的間隙。為安全起見，最長連續(xù)工作時間不能超過53 h。

圖3 出料氣鎖轉(zhuǎn)子葉片位移圖

圖4 出料氣鎖高溫下的蠕變應(yīng)變

6 結(jié)語

HXD出料氣鎖由于工作環(huán)境的特殊性，需要長時間在高溫下工作，通過對HXD出料氣鎖工作環(huán)境下的熱應(yīng)力分析，確定其工作環(huán)境下的安全穩(wěn)定性，通過對其進(jìn)行蠕變分析，找到最長安全工作時間，保證HXD出料氣鎖在高溫環(huán)境下的安全穩(wěn)定工作。