大型轉盤式干燥機組合拉撐圓盤結構強度分析

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(1.南京工業大學 機械與動力工程學院， 江蘇 南京 211816； 2.江蘇中圣高科技產業有限公司， 江蘇 南京 210009)

轉盤式干燥機是一種廣泛應用于各種粘糊狀、粉狀及粒狀等熱敏性較穩定的有機物和無機物料干燥的間接式干燥設備，具有熱效率高、蒸發強度大及節能環保效果優等特點，其核心部件——主軸上圓盤結構及其受力情況直接影響整個設備的安全、平穩運行，一直是結構設計的研究熱點[1-2]。

賀華波等[3-4]采用有限元分析和簡化力學模型方法，對盤式干燥機轉子系統的主要承壓部件進行了強度校核,理論模型計算結果與有限元計算結果基本一致。劉寶慶[5]建立承壓圓盤的軸對稱和非軸對稱力學模型，并根據薄板的小撓度彎曲理論，對圓盤力學模型進行求解，得出非軸對稱模型，更好地反映圓盤的位移、應力分布趨勢。

目前從拉撐件的組合形式考察圓盤整體強度的研究較少，有關加筋平蓋結構的研究則較多。這主要是因為加筋平蓋結構與轉盤式干燥機主軸上受拉撐的圓盤類似，可以為相關研究提供參考。許留關等人[6]分析了加筋平蓋的應力分布，得出了加強筋的存在能使平蓋上高應力趨于平緩，設備整體力學性能顯著提高。賀小華等人[7]應用有限元方法分析了烘缸加筋平蓋結構的受力。馮永利等人[8]提出了以平行角鋼為加強筋的圓形平蓋應力的理論計算方法。譚志洪等人[9-10]通過理論分析并結合有限元計算，對加強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力集中進行了論證。謝志剛等人[11-12]應用有限元分析軟件ANSYS對平蓋加筋結構進行了優化設計，效果顯著。

本文結合實際常見圓盤拉撐件的結構形式和用材特點，以兩圈拉撐圓盤結構為例，采用建模和有限元數值模擬方法對組合使用棒材和管件拉撐的圓盤結構進行強度分析，為組合拉撐圓盤結構設計提供更加可靠和直接的參考。

1 轉盤式干燥機結構及其工作原理

轉盤式干燥機結構簡圖見圖1。工作時，干燥機身內中空軸上焊接的空心加熱圓盤作為轉子緩慢旋轉，蒸汽由轉子空心軸的一端進入，通過圓盤壁面間接加熱干燥機身內的物料[13-14]。圓盤外側設置帶有傾角的耙葉，用于翻抄、攪拌物料[15-17]。

圖1 轉盤式干燥機結構簡圖

2 組合拉撐圓盤結構尺寸及參數

轉盤式干燥機兩圈拉撐圓盤主要由軸管、盤片、拉撐件、擋水板及外端焊縫構成，其結構圖見圖2。圓盤上的拉撐件通常使用棒材或管件。組合拉撐圓盤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結構模型由內圈和外圈構成，根據內、外圈拉撐件型材組合方式的不同分為兩種結構形式，第1種內圈拉撐件為棒材，外圈拉撐件為管件，記作組合拉撐圓盤形式1；第2種內圈拉撐件為管件，外圈拉撐件為棒材，記作組合拉撐圓盤形式2。

圖2 轉盤式干燥機兩圈拉撐圓盤結構

圓盤直徑D1=2 000 mm，盤片厚度T1=8 mm，盤片內表面所形成錐角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。圓盤結構設計壓力p=0.66 MPa，設計溫度為165 ℃。圓盤材質為Q345R，軸管及拉撐件材質為Q345D。圓盤結構的材料力學性能見表1。

表1 圓盤結構材料力學性能參數

3 組合拉撐圓盤結構件有限元分析

3.1 有限元計算模型及邊界條件

對組合拉撐圓盤形式1和形式2的圓盤結構進分析，不計擋水板對盤片的加強作用，考慮模型結構的對稱性，以組合拉撐圓盤結構的1/2進行有限元建模。選用solid185實體單元對軸管、盤片、拉撐件及外端焊縫進行六面體網格劃分，得到2種組合拉撐圓盤結構有限元模型,見圖3。

圖3 2種組合拉撐圓盤結構有限元計算模型

組合拉撐圓盤結構的載荷及邊界條件設置為，在圓盤腔內、軸管內表面及拉撐件外表面施加設計壓力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，在對稱面施加對稱約束。

3.2 計算結果分析

2種組合拉撐圓盤結構有限元計算應力云圖見圖4。圖4表明，2種組合拉撐圓盤結構的最大應力點均出現在棒材拉撐件與盤片連接處。從圖4a可以知道，組合拉撐形式1的圓盤最大應力值為549.6 MPa。從圖4b可以知道，組合拉撐形式2的圓盤最大應力值為463 MPa。比較圖4a和圖4b，組合拉撐形式2的最大應力值比組合拉撐形式1的低86.6 MPa，組合拉撐形式2的圓盤整體受力更為均勻。

為了詳細分析組合拉撐形式1和形式2的圓盤各部件受力情況，根據JB 4732—1995(2005年確認)《鋼制壓力容器——分析設計標準》[18]中的應力分類方法，將應力分為一次總體薄膜應力Pm、一次局部薄膜應力PL、一次彎曲應力Pb、二次應力Q和峰值應力F，并根據不同的組合對應力進行評定。根據有限元計算結果，沿圓盤各部件的最大應力點提取盤片、拉撐件、外端焊縫處的局部薄膜應力SⅡ及一次加二次彎曲應力SⅣ，組合拉撐形式1和形式2的圓盤強度評定結果見表2。

圖4 2種組合拉撐圓盤結構應力云圖

組合拉撐圓盤形式部件應力分類應力計算值/MPa應力評定盤片局部薄膜應力SⅡ一次加二次應力SⅣ126.44334.45≤1.5[σ]≤3[σ]形式1拉撐件局部薄膜應力SⅡ一次加二次應力SⅣ166.54329.51≤1.5[σ]≤3[σ]外端焊縫局部薄膜應力SⅡ一次加二次應力SⅣ130.45154.77≤1.5[σ]≤3[σ]盤片局部薄膜應力SⅡ一次加二次應力SⅣ120.15258.31≤1.5[σ]≤3[σ]形式2拉撐件局部薄膜應力SⅡ一次加二次應力SⅣ155.44320.2≤1.5[σ]≤3[σ]外端焊縫局部薄膜應力SⅡ一次加二次應力SⅣ126.33150.84≤1.5[σ]≤3[σ]

從表2可知，2種組合拉撐圓盤各部件的應力值均滿足評定要求且具有較大的安全裕量。比較表2中組合拉撐圓盤形式1和形式2各部件的計算應力值可知，組合拉撐圓盤結構形式2各部件應力值小于組合拉撐圓盤結構形式1各部件相應的應力值，這說明兩圈拉撐圓盤結構內圈采用管件拉撐、外圈采用棒材拉撐的受力明顯優于內圈采用棒材、外圈采用管件拉撐的圓盤結構。結合表2的應力評定結果與圓盤整體結構中外端焊縫處對盤片的支撐作用弱于中心軸管對盤片的支撐作用的結構特點分析可知，由于棒材拉撐強度大于管件拉撐強度，所以外圈采用棒材拉撐明顯改善了圓盤整體受力。因此，從輕量化及加工制造的角度考慮，組合拉撐圓盤結構形式2可以減小圓盤總體質量，降低制造成本。

4 棒材和管件外徑比對組合拉撐圓盤結構應力強度影響

基于棒材拉撐強度優于管件的基本事實，以組合拉撐形式2的圓盤結構為研究模型。內圈拉撐件外徑d1不變，通過調節棒材外徑d2來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的典型圓盤結構應力強度云圖見圖5。

圖5 棒材和管件不同外徑比的圓盤結構應力云圖

從圖5可知，兩圈組合拉撐圓盤整體最大應力值均隨著外徑比d2/d1的增大呈下降趨勢。外徑比d2/d1從0.65增至1.26，圓盤結構最大應力值由537.7 MPa降至431.02 MPa。當d2/d1<1.18時，兩圈組合拉撐圓盤結構最大應力點均位于盤片與棒材連接處；當d2/d1增大到1.26時，兩圈組合拉撐圓盤結構最大應力點位于盤片與管件連接處。圖5表明隨著拉撐件外徑比的增大，組合拉撐圓盤結構危險點位置由棒材與盤片的拉撐截面逐步轉移至管件與盤片的拉撐截面。這是因為棒材外徑的增大，對盤片及自身的強度有明顯的加強作用，從而使得棒材與盤片拉撐截面處的應力得到減緩，而管件與盤片處的拉撐截面相應變成了最危險截面。

為了詳細分析組合拉撐圓盤各部件在不同外徑比下的應力分布規律，按照應力分類標準，對圓盤各部件進行線性化處理，提取兩圈組合拉撐圓盤結構中的局部薄膜應力SⅡ及一次加二次彎曲應力SⅣ，不同外徑比d2/d1下的盤片、拉撐件的應力分布規律。棒材和管件不同外徑比d2/d1下盤片的應力變化趨勢見圖6。

圖6 棒材和管件不同外徑比下盤片應力變化趨勢

圖6顯示，隨著外徑比的增大，盤片上內外圈的局部薄膜應力和一次加二次彎曲應力均呈現線性下降的趨勢。當外徑比d2/d1由0.65增加至1.26時，內圈拉撐件與盤片拉撐截面處的局部薄膜應力由133.62 MPa下降至118.68 MPa，一次加二次彎曲應力則由272.1 MPa下降至246.87 MPa；而外圈拉撐件與盤片拉撐截面處的局部薄膜應力由122.12 MPa降至92.27 MPa，一次加二次彎曲應力由365.42 MPa下降至279.98 MPa。圖6上述數據表明，隨著外徑比的增大，外圈盤片處的應力下降幅度要比內圈大得多。這是因為，對內圈采用管件拉撐、外圈采用棒材拉撐的組合圓盤結構，隨著棒材外徑的增大，外圈拉撐件對盤片的拉撐作用起到明顯的加強作用，從而顯著降低外圈盤片上的應力。內圈盤片處的應力也相應有所下降，是因為外圈拉撐件對內圈拉撐干涉作用較為明顯，外圈拉撐作用加強，相應對內圈拉撐也有一定的加強作用，故內圈盤片處的應力也相應降低。

棒材和管件不同外徑比d2/d1下拉撐件的應力變化趨勢見圖7。

圖7 棒材和管件不同外徑比下拉撐件應力變化趨勢

圖7中內外圈拉撐件的應力變化規律與盤片應力變化趨勢一致，隨著外徑比的增大，拉撐件的局部薄膜應力和一次加二次彎曲應力均下降，且變化趨勢基本一致。外徑比d2/d1從0.65到1.26，內圈拉撐件局部薄膜應力僅下降11.64 MPa，一次加二次彎曲應力下降31.39 MPa；外圈拉撐件上的局部薄膜應力下降了94 MPa，一次加二次彎曲應力下降了165.94 MPa。比較內外圈拉撐件應力變化，外圈拉撐件的下降幅度比內圈拉撐件大得多，這是因為外圈為棒材拉撐，隨著棒材外徑的增大，自身的強度顯著增強，使得本身應力水平顯著降低。外圈拉撐件拉撐作用加強，不僅對內圈盤片上的應力水平有所減緩，而且同時降低內圈拉撐件上的應力水平。

5 結語

①采用有限元法對兩圈拉撐圓盤的2種組合拉撐形式進行了應力分析，并對圓盤各部件進行了強度評定，評定結果均滿足強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整體應力及各部件應力值，對于兩圈組合拉撐圓盤，內圈采用管件、外圈采用棒材拉撐的圓盤結構受力更佳。③分析了棒材和管件外徑比對圓盤結構應力強度的影響。分析結果表明，隨著外徑比增大，圓盤結構應力呈下降趨勢，且危險點由盤片與棒材連接處轉移至盤片與管件連接處。