滾筒軟化鍋雙管板結構耐壓試驗仿真分析

王國棟，呂 勇，李金梅,黃永娜

（濟寧市機械設計研究院，山東 濟寧272000）

滾筒軟化鍋在谷物、油料等預處理工藝中占有舉足輕重的地位，它因加熱均勻及可靠的溫度控制被廣泛應用于谷物、油料及其它物料的加熱、軟化和干燥工藝中[1-2]。

滾筒軟化鍋汽室管板的性能決定著該設備的使用壽命，早期的臥式軟化鍋的換熱管是通過彎頭和環形圓管進行蒸汽分配，換熱管通過支撐板固定，沒有嚴格意義上的管板；隨著生產加工能力的提升和制造工藝的改進，端部的支撐板變更為汽室管板結構，這時管板一側要承受汽室的壓力，同時另一側還要承受被加熱物料的磨損，為避免管板因物料的物理磨損帶來汽室結構的強度削弱，常常需要增加管板的厚度進行強度補充，但是此方案缺乏經濟性。為了滿足強度要求，又兼顧經濟性，雙管板結構應運而生。

1 滾筒軟化鍋汽室結構

滾筒軟化鍋的汽室結構如圖1所示，軟化鍋的管板采用雙管板結構，承受汽室壓力的外管板（件2）均勻布置4圈換熱管束（件6），外管板主要承受汽室內的蒸汽壓力，承受物料磨損的內管板（件3）為輔助結構，內外管板間距為60 mm，兩者之間采用均勻布置的拉筋（件9）聯接，其作用是對外部管板起到加強作用，同時又防止被加熱物料對汽室管板的磨損，內、外管板分別跟設備筒體（件4）焊接在一起，換熱管跟內管板無焊接。分析該管板的應力應變時，必須分析內、外管板和拉筋同時受力的狀況。外管板及換熱器參數如表1。

圖1 滾筒軟化鍋的汽室結構

表1 外管板及換熱管相關參數

2 參數化分析

SolidWorks軟件的有限元分析同ANSYS軟件的有限元分析基本一致，其過程包括：三維建模、單元格劃分和計算分析[3-4]。

2.1 模型的建立

SolidWorks軟件的有限元分析模塊，只限于整體的工件分析，而對裝配體卻無法實現，為便于分析該管板的應力應變，將內、外管板和拉筋擬合成一個整體的工件進行分析，首先繪制管板擬合體的3D模型，如圖2所示。

圖2 管板3D模型

2.2 約束的施加

由于管板跟設備筒體采用圓周焊接固定，工作時管板沿軸向發生形變，而在徑向的變化可以忽略不計，同時管板在外載作用下發生彎曲變形時，管束受支撐板的限制在與管板連接處產生彎曲。由于反作用力，管子對管板亦產生相應的彈性反作用力或彈性反力矩。因此管板在x，y兩個方向的自由度受到約束，管板在承壓載荷的約束下在z方向移動。因此仿真模擬的夾具添加在管板的圓周面上，如圖3所示。

圖3 管板約束圖

2.3 力的施加

外管板是組成汽室的一個部件，汽室內壓強各向均勻分布。

式中F為管板承受的壓力，N；Q為汽室內耐壓試驗的壓強，Pa；S為管板的有效截面積，m2；D為管板直徑，m；d為換熱管內徑，m。

通過上面公式可以計算耐壓試驗施加在管板端面上的壓力：

F=0.87×106×π×[3 2002-126×(108-10)2]/(4×106)=6170 110 N，力的方向垂直于外管板端面，且指向管板。如圖4所示。

圖4 壓力施加效果圖

2.4 網格劃分

結合外管板結構特點，選取較高節點品質的實體網格，對該有限元模型進行網格化分，生成單元49 278個，單元格大小為93.2484 mm，公差為4.66242 mm；建立節點數96 959個，如圖5所示。

圖5 網格圖

2.5 計算分析

通過分析計算，外管板在承壓狀態下的應變分布圖如圖6所示，整個管板都有不同程度的變形，從四周向中心位置漸變，變形曲率逐漸加大，中心位置的應變量大于15 mm。

圖6 應變趨勢圖

外管板應力分布如圖7所示，外管板整體都有較大的應力變化。外管板的內圈換熱管內側邊緣處應力最小為0.37 MPa，內二圈換熱管內側邊緣處的應力最大為242.6 MPa，外管板在應力變形的同時受到管束的反作用力，導致應力集中。

圖7 應力分布圖

3 結論

通過SolidWorks軟件對管板進行有限元分析，發現最大應力集中在外管板內二圈的換熱管內側邊緣處，外管板中心位置處在承壓狀態下變形量最大。實際滾筒軟化鍋耐壓試驗變形情況與仿真模擬結果相一致，本次分析為后續的管板結構改進提供了數據基礎，同時為聲發射檢測提供了加壓參考數據。