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(1.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2.自貢通達(dá)機(jī)器制造有限公司，四川 自貢 643000)

近年來(lái)，由于優(yōu)質(zhì)煤的開(kāi)采殆盡，褐煤的使用逐漸增多，產(chǎn)量逐步增大，成為優(yōu)質(zhì)煤的替代品。但是由于褐煤含水分較多(15%～60%)、發(fā)熱量低以及直接燃燒會(huì)產(chǎn)生大量黑煙等缺點(diǎn)，褐煤在使用過(guò)程中存在很多不可避免的問(wèn)題。若將褐煤直接燃燒，容易導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，并且污染環(huán)境，利用效率低，造成大量資源的浪費(fèi)，且褐煤中含水量高同時(shí)也會(huì)造成對(duì)外運(yùn)輸?shù)南拗?，需要更高的運(yùn)輸成本，因此對(duì)褐煤進(jìn)行干燥處理就顯得極為必要與迫切。經(jīng)過(guò)干燥處理的褐煤發(fā)熱量提高，顯著減少了空氣污染等問(wèn)題[1-2]。

褐煤的干燥方法有很多種，例如回轉(zhuǎn)式干燥、氣流干燥和高溫流化干燥等，干燥介質(zhì)又有過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽、熱水及熱油等[3]。其中過(guò)熱蒸汽干燥法是用蒸汽作為干燥介質(zhì)，通入蒸汽后物料吸收熱量溫度上升水分開(kāi)始蒸發(fā)，經(jīng)過(guò)升速—恒速—降速三個(gè)階段后，達(dá)到干燥褐煤的效果。利用過(guò)熱蒸汽對(duì)褐煤進(jìn)行脫水的方法，不僅可以使煤中大部分水分脫除，而且成品更適用于長(zhǎng)途運(yùn)輸、安全以及節(jié)能干燥速率快，符合國(guó)家節(jié)能減排的要求。而且過(guò)熱蒸汽干燥技術(shù)的方法發(fā)展迅速，已經(jīng)相當(dāng)成熟，廣泛應(yīng)用于食品、木材、紙張、泥污和褐煤的干燥。針對(duì)某單位使用的DN3400X15745型號(hào)立式蒸養(yǎng)釜作為干燥機(jī)，應(yīng)用過(guò)熱蒸汽干燥技術(shù)對(duì)褐煤進(jìn)行干燥時(shí)卸料方面的不足，在遵循相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下對(duì)蒸壓釜進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對(duì)蒸壓釜在操作工況下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行校核和評(píng)價(jià)，確保改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)受力合理性，保證新結(jié)構(gòu)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，提高卸料的穩(wěn)定性。

1 蒸壓釜的結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

蒸壓釜最早出現(xiàn)于19 世紀(jì)末，主要用于制造加氣混凝土切塊、煤磚塊、高強(qiáng)度石膏、新型輕質(zhì)墻體材料和混凝土管樁等建筑材料的蒸壓養(yǎng)護(hù)，同時(shí)也廣泛用于需蒸養(yǎng)生產(chǎn)工藝過(guò)程的各種生產(chǎn)項(xiàng)目。我國(guó)早在上世紀(jì)30 年代，就開(kāi)始使用蒸壓釜作為主反應(yīng)器生產(chǎn)加氣混凝土。從此以后，我國(guó)科研人員對(duì)蒸壓釜的探索研究也在不斷地深入改進(jìn)[4-5]。此型號(hào)立式蒸壓釜是用來(lái)對(duì)褐煤進(jìn)行過(guò)熱蒸汽干燥處理的，主要由導(dǎo)料筒、刀閘閥、筒節(jié)、卸料裝置、筒體、蒸汽匯管和上封頭等部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本型號(hào)蒸壓釜總高度15 m，寬3 m，總體積97.3 m3。過(guò)熱蒸汽從蒸汽匯管進(jìn)入筒體以后，褐煤開(kāi)始被加熱，水分開(kāi)始蒸發(fā)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，褐煤中的大部分水分蒸發(fā)出來(lái)，最后冷凝到蒸壓釜的底部，打開(kāi)排污口將筒中水排出，等筒中水排盡以后先打開(kāi)刀閘閥，然后打開(kāi)插銷(xiāo)口對(duì)卸料過(guò)程進(jìn)行控制，卸料完成后關(guān)閉刀閘閥，最后轉(zhuǎn)動(dòng)卸料板外軸，插上插銷(xiāo)進(jìn)行復(fù)位[6-7]。

在蒸壓釜實(shí)際使用過(guò)程中，由于在卸料環(huán)節(jié)需要手動(dòng)控制卸料板，物料在插銷(xiāo)抽出時(shí)會(huì)傾斜在卸料口處從導(dǎo)料口直接排出，由于卸料板的開(kāi)啟由插銷(xiāo)控制，只有開(kāi)啟閉合兩個(gè)狀態(tài)，因此會(huì)造成物料沖擊和振動(dòng)現(xiàn)象，產(chǎn)生卸料的穩(wěn)定性和安全性問(wèn)題。并且由于褐煤在錐形封頭處流通面積逐漸變小，擠壓力變大，煤粒與壁面、煤粒之間的摩擦力也越來(lái)越大，而促使煤沿壁面流動(dòng)的重力分布不變，因此卸料口上方容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。針對(duì)卸料時(shí)產(chǎn)生的一系列問(wèn)題，對(duì)蒸壓釜的卸料裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)卸料時(shí)筒體中不時(shí)出現(xiàn)的堵塞現(xiàn)象提出了改進(jìn)方案。

1—支腿；2—導(dǎo)料筒；3—刀閘閥；4—法蘭；5—筒節(jié)；6—卸料裝置；7—錐形封頭；8—壓力傳感器；9—溫度傳感器；10—保護(hù)罩；11—拉筋；12—蒸汽匯管；13—筒體；14—吊耳；15—上封頭；16—釜端部件；17—法蘭；18—連通管；19—法蘭；20—鋼管；21—支板圖1 蒸壓釜原結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the original structure of autoclave

設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)如圖2，3所示，在卸料裝置處將原結(jié)構(gòu)的2 片半圓形卸料板改成了6 片錐形板。錐形板與卸料裝置通過(guò)連接板銷(xiāo)釘?shù)冗B接，由2 片角度為135°的板焊接而成，錐形板反面焊接有頂環(huán)支撐架。錐形板與卸料筒之間可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，6 片錐形板由下方的液壓缸推動(dòng)頂環(huán)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)為了方便錐形板動(dòng)作，卸料筒由錐形改為圓柱形。在進(jìn)行褐煤干燥時(shí)，6 個(gè)液壓油缸伸出帶動(dòng)頂環(huán)上升頂住錐形板反面支撐架來(lái)承受褐煤重力，此時(shí)液壓缸頂住錐形板承受物料全部重力，等待干燥過(guò)程結(jié)束以后，打開(kāi)排污口將筒中的廢水排完，打開(kāi)刀閘閥液壓缸收攏錐形板在物料重力作用下打開(kāi)進(jìn)行卸料動(dòng)作。由于新結(jié)構(gòu)可以通過(guò)液壓缸收攏的行程和速度對(duì)錐形板整體的的開(kāi)度和打開(kāi)速度進(jìn)行有效控制，和原結(jié)構(gòu)相比物料從卸料口出來(lái)時(shí)數(shù)量和速度都能得到有效控制，因此能有效避免打開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的沖擊現(xiàn)象，從而達(dá)到對(duì)卸料過(guò)程的穩(wěn)定性進(jìn)行控制；針對(duì)卸料時(shí)出現(xiàn)堵塞的情況進(jìn)行了改進(jìn)，在筒體上增加了4 片打散板，當(dāng)出現(xiàn)卸料時(shí)物料堵塞的情況后，打散板由上方油缸推動(dòng)進(jìn)行打散動(dòng)作使物料正常落下，打散板在下方油缸帶動(dòng)下收回完成打散操作；同時(shí)為了方便污水的排出，出口處設(shè)置了兩個(gè)排污口。

1—卸料油缸；2—錐形板；3—頂環(huán)；4—銷(xiāo)軸；5—排污口圖3 蒸壓釜改進(jìn)結(jié)構(gòu)卸料機(jī)構(gòu)圖Fig.3 improved structure unloading mechanism of autoclave

2 蒸壓釜有限元分析

2.1 主要技術(shù)參數(shù)及網(wǎng)格劃分

干燥褐煤用蒸壓釜主要技術(shù)如下：釜體和法蘭的材料選用Q345R，支座材料為Q235-A。蒸壓釜設(shè)計(jì)壓力為1.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度為375 ℃，工作壓力1.15 MPa，工作溫度210 ℃，此溫度下水蒸氣為過(guò)熱水蒸氣。由于整個(gè)蒸壓釜的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，為了提高運(yùn)算效率，簡(jiǎn)化了蒸壓釜的模型。同時(shí)蒸壓釜的整體結(jié)構(gòu)為平面對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此采用了軸向截取一半模型進(jìn)行分析計(jì)算[8-9]。通過(guò)三維建模軟件建立了蒸壓釜的三維數(shù)字模型并導(dǎo)入ANSYS 14.5進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用了減縮積分單元，得到其網(wǎng)格模型且對(duì)受力集中的錐形板和頂環(huán)處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化加密。劃分網(wǎng)格數(shù)為209 740，節(jié)點(diǎn)數(shù)為729 540[10]。分析中網(wǎng)格數(shù)量的增加對(duì)最后結(jié)果的偏差均在5%以?xún)?nèi)，蒸壓釜網(wǎng)格細(xì)節(jié)模型如圖4所示。

圖4 蒸壓釜網(wǎng)格細(xì)節(jié)圖Fig.4 Grid detail drawing of autoclave

2.2 溫度場(chǎng)分析與計(jì)算

溫度場(chǎng)是指被研究對(duì)象的溫度分布情況，它是每個(gè)時(shí)刻物體各點(diǎn)的溫度分布情況的總稱(chēng)。由于蒸壓釜在工作時(shí)內(nèi)部溫度較高，因此蒸壓釜外壁面與空氣會(huì)產(chǎn)生對(duì)流換熱現(xiàn)象，原理主要是基于傳熱學(xué)中的傳熱基本定律[11]。

蒸壓釜內(nèi)工作時(shí)干燥介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽，設(shè)計(jì)溫度為375 ℃，在高溫條件下內(nèi)部零件必然會(huì)承受一定的熱應(yīng)力。因此，對(duì)蒸壓釜進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算十分必要。

傳熱計(jì)算有三種邊界條件，蒸壓釜內(nèi)壁工作時(shí)設(shè)計(jì)與375 ℃過(guò)熱蒸汽直接接觸，計(jì)算時(shí)可以假設(shè)介質(zhì)與腔體之間處于熱平衡狀態(tài)，即可在筒體內(nèi)表面施加溫度為375 ℃的邊界條件。蒸壓釜各零件之間發(fā)生接觸的區(qū)域默認(rèn)進(jìn)行熱傳導(dǎo)，部分零件之間設(shè)置綁定接觸。釜外壁面處于常溫(22 ℃)環(huán)境中，與空氣直接接觸而形成對(duì)流換熱，計(jì)算后得到蒸壓釜的溫度場(chǎng)分布如圖5所示。釜體溫度基本都在370 ℃左右，并且在支座處溫度呈階梯形遞減，熱應(yīng)力主要發(fā)生在釜體下方呈現(xiàn)溫度梯度與卸料裝置處。

圖5 蒸壓釜溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution diagram of autoclave

2.3 應(yīng)力場(chǎng)分析計(jì)算

此型號(hào)蒸壓釜工作時(shí)內(nèi)部物料為褐煤，蒸壓釜總體積為90多立方米，褐煤密度為1.1～1.2 g/mm3，工作時(shí)考慮煤塊間隙以及剩余空間，取褐煤體積為70 m3；落差為9.5 m；褐煤密度為1.1 g/mm3，根據(jù)公式得出施加在錐形板以及筒體上壓力最大值為102 410 Pa。另外設(shè)計(jì)壓力為1.3 MPa，因此在設(shè)備內(nèi)壁施加壓力1.3 MPa。同時(shí)溫度造成的熱應(yīng)力作為載荷施加到蒸壓釜上。由于蒸壓釜為多支座結(jié)構(gòu)，因此邊界條件施加時(shí)對(duì)底部支座施加全約束，對(duì)稱(chēng)面施加對(duì)稱(chēng)約束[12-13]。

針對(duì)蒸壓釜優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，蒸壓釜最大受力時(shí)在錐形板收攏后，上方褐煤在過(guò)熱蒸汽下進(jìn)行干燥，不考慮溫度帶來(lái)的熱應(yīng)力影響，主要的應(yīng)力出現(xiàn)在錐形板和頂環(huán)接觸附近以及銷(xiāo)軸處。對(duì)模型進(jìn)行載荷施加得到蒸壓釜在載荷作用下的最大剪應(yīng)力云圖，如圖6所示，其中筒節(jié)、筒體和卸料口等處的應(yīng)力值相對(duì)較小，而錐形板、銷(xiāo)軸以及頂環(huán)等直接承壓構(gòu)件的壓力值較大，最大剪應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在錐形板上和頂環(huán)接觸下方，錐形板銷(xiāo)軸處的應(yīng)力也相對(duì)較大，應(yīng)該著重進(jìn)行分析[14]。

圖6 蒸壓釜最大剪應(yīng)力分布云圖Fig.6 The maximum shear stress distribution cloud chart of autoclave

分別對(duì)筒體、錐形板、頂環(huán)和銷(xiāo)軸進(jìn)行最大剪應(yīng)力分布云圖分析，錐形板和銷(xiāo)軸的應(yīng)力相對(duì)較高，因此圖7，8分別給出錐形板和銷(xiāo)軸的最大剪應(yīng)力分布云圖。由圖7，8可知：錐形板由于承壓在和頂環(huán)接觸的邊緣處應(yīng)力集中明顯，連接銷(xiāo)軸應(yīng)力也相對(duì)較高，但是和錐形板的最大應(yīng)力還是差很多，這可能是進(jìn)行褐煤干燥工作時(shí)，液壓缸伸出錐形板閉合，物料的重力(重力等效為靜水壓力，即施加在錐形板上最大壓力值)主要要由錐形板傳遞給頂環(huán)。

圖7 錐形板最大剪應(yīng)力分布云圖Fig.7 The maximum shear stress distribution cloud chart of conical plate

圖8 銷(xiāo)軸最大剪應(yīng)力云圖Fig.8 Maximum shear stress cloud map of pin shaft

根據(jù)我國(guó)分析設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)JB 4732—1995《鋼制容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)于這些應(yīng)力較高的地方，將各應(yīng)力分量沿應(yīng)力分布線進(jìn)行當(dāng)量化處理，同時(shí)提取危險(xiǎn)路徑上的一次局部薄膜應(yīng)力PL，一次彎曲應(yīng)力Pb，二次應(yīng)力Q，并根據(jù)表1中標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一次局部薄膜應(yīng)力、一次薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力以及一次加二次應(yīng)力的校核評(píng)定[15-16]。

表1 應(yīng)力校核規(guī)范Table 1 Specification of stress check

2.4 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

由于蒸壓釜的其余零件實(shí)際應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，而物料的載荷都是通過(guò)錐形板傳遞給頂環(huán)，然后再傳遞給液壓缸的，因此只選取了受力較大的錐形板和銷(xiāo)軸的應(yīng)力分析評(píng)價(jià)結(jié)果。從表2中數(shù)據(jù)比較可知錐形板以及頂環(huán)的一次局部薄膜應(yīng)力PL，一次薄膜加彎曲應(yīng)力S2，一次加二次應(yīng)力等都離許用值較遠(yuǎn)。總的來(lái)看，對(duì)蒸壓釜在工作中相對(duì)最易破壞的錐形板及銷(xiāo)軸的分析評(píng)價(jià)可知：兩者安全余量均很大，能夠適應(yīng)工況的需求，安全性較高。

表2 應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果Table 2 Stress intensity evaluation results

3 結(jié) 論

針對(duì)過(guò)熱蒸汽法干燥褐煤用立式蒸壓釜在卸料時(shí)產(chǎn)生的卸料穩(wěn)定性、安全性以及堵塞方面的問(wèn)題提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)并進(jìn)行了分析，得到了蒸壓釜的應(yīng)力場(chǎng)，并進(jìn)行了安全校核后得出以下結(jié)論：新卸料結(jié)構(gòu)在功能上解決了蒸壓釜卸料時(shí)產(chǎn)生的不穩(wěn)定沖擊以及物料堵塞的問(wèn)題，提高了卸料的穩(wěn)定性和安全性。對(duì)蒸壓釜施加過(guò)熱蒸汽壓力以及靜水壓力得到了蒸壓釜的應(yīng)力分布，著重分析了改進(jìn)結(jié)構(gòu)后受力較大的錐形板與銷(xiāo)軸。分析結(jié)果表明:錐形板以及其他配合零件符合使用要求且安全余量較大。改進(jìn)結(jié)果對(duì)立式蒸壓釜卸料裝置的設(shè)計(jì)改進(jìn)具有一定的參考意義。

本文得到四川理工學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(y2017030)的資助。