，

(1.南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 江蘇 南京 211816； 2.江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司， 江蘇 南京 210009)

轉(zhuǎn)盤式干燥機是一種廣泛應(yīng)用于各種粘糊狀、粉狀及粒狀等熱敏性較穩(wěn)定的有機物和無機物料干燥的間接式干燥設(shè)備，具有熱效率高、蒸發(fā)強度大及節(jié)能環(huán)保效果優(yōu)等特點，其核心部件——主軸上圓盤結(jié)構(gòu)及其受力情況直接影響整個設(shè)備的安全、平穩(wěn)運行，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)模型方法，對盤式干燥機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要承壓部件進行了強度校核,理論模型計算結(jié)果與有限元計算結(jié)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(xué)模型，并根據(jù)薄板的小撓度彎曲理論，對圓盤力學(xué)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(yīng)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(guān)加筋平蓋結(jié)構(gòu)的研究則較多。這主要是因為加筋平蓋結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)盤式干燥機主軸上受拉撐的圓盤類似，可以為相關(guān)研究提供參考。許留關(guān)等人[6]分析了加筋平蓋的應(yīng)力分布，得出了加強筋的存在能使平蓋上高應(yīng)力趨于平緩，設(shè)備整體力學(xué)性能顯著提高。賀小華等人[7]應(yīng)用有限元方法分析了烘缸加筋平蓋結(jié)構(gòu)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(yīng)力的理論計算方法。譚志洪等人[9-10]通過理論分析并結(jié)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(yīng)力集中進行了論證。謝志剛等人[11-12]應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對平蓋加筋結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，效果顯著。

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

1 轉(zhuǎn)盤式干燥機結(jié)構(gòu)及其工作原理

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

圖1 轉(zhuǎn)盤式干燥機結(jié)構(gòu)簡圖

2 組合拉撐圓盤結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)

轉(zhuǎn)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(gòu)成，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型由內(nèi)圈和外圈構(gòu)成，根據(jù)內(nèi)、外圈拉撐件型材組合方式的不同分為兩種結(jié)構(gòu)形式，第1種內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)盤式干燥機兩圈拉撐圓盤結(jié)構(gòu)

圓盤直徑D1=2 000 mm，盤片厚度T1=8 mm，盤片內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計壓力p=0.66 MPa，設(shè)計溫度為165 ℃。圓盤材質(zhì)為Q345R，軸管及拉撐件材質(zhì)為Q345D。圓盤結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)性能見表1。

表1 圓盤結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能參數(shù)

3 組合拉撐圓盤結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進分析，不計擋水板對盤片的加強作用，考慮模型結(jié)構(gòu)的對稱性，以組合拉撐圓盤結(jié)構(gòu)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(wǎng)格劃分，得到2種組合拉撐圓盤結(jié)構(gòu)有限元模型,見圖3。

圖3 2種組合拉撐圓盤結(jié)構(gòu)有限元計算模型

組合拉撐圓盤結(jié)構(gòu)的載荷及邊界條件設(shè)置為，在圓盤腔內(nèi)、軸管內(nèi)表面及拉撐件外表面施加設(shè)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(jié)果分析

2種組合拉撐圓盤結(jié)構(gòu)有限元計算應(yīng)力云圖見圖4。圖4表明，2種組合拉撐圓盤結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力點均出現(xiàn)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(yīng)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(yīng)力值為463 MPa。比較圖4a和圖4b，組合拉撐形式2的最大應(yīng)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(jù)JB 4732—1995(2005年確認)《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準》[18]中的應(yīng)力分類方法，將應(yīng)力分為一次總體薄膜應(yīng)力Pm、一次局部薄膜應(yīng)力PL、一次彎曲應(yīng)力Pb、二次應(yīng)力Q和峰值應(yīng)力F，并根據(jù)不同的組合對應(yīng)力進行評定。根據(jù)有限元計算結(jié)果，沿圓盤各部件的最大應(yīng)力點提取盤片、拉撐件、外端焊縫處的局部薄膜應(yīng)力SⅡ及一次加二次彎曲應(yīng)力SⅣ，組合拉撐形式1和形式2的圓盤強度評定結(jié)果見表2。

圖4 2種組合拉撐圓盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

組合拉撐圓盤形式部件應(yīng)力分類應(yīng)力計算值/MPa應(yīng)力評定盤片局部薄膜應(yīng)力SⅡ一次加二次應(yīng)力SⅣ126.44334.45≤1.5[σ]≤3[σ]形式1拉撐件局部薄膜應(yīng)力SⅡ一次加二次應(yīng)力SⅣ166.54329.51≤1.5[σ]≤3[σ]外端焊縫局部薄膜應(yīng)力SⅡ一次加二次應(yīng)力SⅣ130.45154.77≤1.5[σ]≤3[σ]盤片局部薄膜應(yīng)力SⅡ一次加二次應(yīng)力SⅣ120.15258.31≤1.5[σ]≤3[σ]形式2拉撐件局部薄膜應(yīng)力SⅡ一次加二次應(yīng)力SⅣ155.44320.2≤1.5[σ]≤3[σ]外端焊縫局部薄膜應(yīng)力SⅡ一次加二次應(yīng)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(yīng)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(yīng)力值可知，組合拉撐圓盤結(jié)構(gòu)形式2各部件應(yīng)力值小于組合拉撐圓盤結(jié)構(gòu)形式1各部件相應(yīng)的應(yīng)力值，這說明兩圈拉撐圓盤結(jié)構(gòu)內(nèi)圈采用管件拉撐、外圈采用棒材拉撐的受力明顯優(yōu)于內(nèi)圈采用棒材、外圈采用管件拉撐的圓盤結(jié)構(gòu)。結(jié)合表2的應(yīng)力評定結(jié)果與圓盤整體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式2可以減小圓盤總體質(zhì)量，降低制造成本。

4 棒材和管件外徑比對組合拉撐圓盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度影響

基于棒材拉撐強度優(yōu)于管件的基本事實，以組合拉撐形式2的圓盤結(jié)構(gòu)為研究模型。內(nèi)圈拉撐件外徑d1不變，通過調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)應(yīng)力強度云圖見圖5。

圖5 棒材和管件不同外徑比的圓盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

從圖5可知，兩圈組合拉撐圓盤整體最大應(yīng)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(jié)構(gòu)最大應(yīng)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(jié)構(gòu)最大應(yīng)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(jié)構(gòu)最大應(yīng)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(jié)構(gòu)危險點位置由棒材與盤片的拉撐截面逐步轉(zhuǎn)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(yīng)力得到減緩，而管件與盤片處的拉撐截面相應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律，按照應(yīng)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(jié)構(gòu)中的局部薄膜應(yīng)力SⅡ及一次加二次彎曲應(yīng)力SⅣ，不同外徑比d2/d1下的盤片、拉撐件的應(yīng)力分布規(guī)律。棒材和管件不同外徑比d2/d1下盤片的應(yīng)力變化趨勢見圖6。

圖6 棒材和管件不同外徑比下盤片應(yīng)力變化趨勢

圖6顯示，隨著外徑比的增大，盤片上內(nèi)外圈的局部薄膜應(yīng)力和一次加二次彎曲應(yīng)力均呈現(xiàn)線性下降的趨勢。當外徑比d2/d1由0.65增加至1.26時，內(nèi)圈拉撐件與盤片拉撐截面處的局部薄膜應(yīng)力由133.62 MPa下降至118.68 MPa，一次加二次彎曲應(yīng)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(yīng)力由122.12 MPa降至92.27 MPa，一次加二次彎曲應(yīng)力由365.42 MPa下降至279.98 MPa。圖6上述數(shù)據(jù)表明，隨著外徑比的增大，外圈盤片處的應(yīng)力下降幅度要比內(nèi)圈大得多。這是因為，對內(nèi)圈采用管件拉撐、外圈采用棒材拉撐的組合圓盤結(jié)構(gòu)，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(yīng)力。內(nèi)圈盤片處的應(yīng)力也相應(yīng)有所下降，是因為外圈拉撐件對內(nèi)圈拉撐干涉作用較為明顯，外圈拉撐作用加強，相應(yīng)對內(nèi)圈拉撐也有一定的加強作用，故內(nèi)圈盤片處的應(yīng)力也相應(yīng)降低。

棒材和管件不同外徑比d2/d1下拉撐件的應(yīng)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(yīng)力變化趨勢

圖7中內(nèi)外圈拉撐件的應(yīng)力變化規(guī)律與盤片應(yīng)力變化趨勢一致，隨著外徑比的增大，拉撐件的局部薄膜應(yīng)力和一次加二次彎曲應(yīng)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(nèi)圈拉撐件局部薄膜應(yīng)力僅下降11.64 MPa，一次加二次彎曲應(yīng)力下降31.39 MPa；外圈拉撐件上的局部薄膜應(yīng)力下降了94 MPa，一次加二次彎曲應(yīng)力下降了165.94 MPa。比較內(nèi)外圈拉撐件應(yīng)力變化，外圈拉撐件的下降幅度比內(nèi)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(yīng)力水平顯著降低。外圈拉撐件拉撐作用加強，不僅對內(nèi)圈盤片上的應(yīng)力水平有所減緩，而且同時降低內(nèi)圈拉撐件上的應(yīng)力水平。

5 結(jié)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(yīng)力分析，并對圓盤各部件進行了強度評定，評定結(jié)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(yīng)力及各部件應(yīng)力值，對于兩圈組合拉撐圓盤，內(nèi)圈采用管件、外圈采用棒材拉撐的圓盤結(jié)構(gòu)受力更佳。③分析了棒材和管件外徑比對圓盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力強度的影響。分析結(jié)果表明，隨著外徑比增大，圓盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力呈下降趨勢，且危險點由盤片與棒材連接處轉(zhuǎn)移至盤片與管件連接處。