孫椰望，王冠斌，楊秋娟，李偉釗

(1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京100190； 2.北京理工大學(xué)，北京100081； 3.河南省中科院科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化中心，河南 鄭州450016； 4.北京北特圣迪科技發(fā)展有限公司，北京100028)

0 引言

我國是世界人口最多的國家，糧食安全供應(yīng)一直是關(guān)乎民生的大事。糧食烘干與保存是糧食生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但是我國糧食收獲后的干燥能力較低，每年因不能及時(shí)干燥或者處理方法不當(dāng)造成的糧食霉變、發(fā)芽等數(shù)量損失占糧食總產(chǎn)量的5%左右，相當(dāng)于少產(chǎn)2 500萬t糧食。由于干燥裝備技術(shù)水平落后，我國有80%的糧食入庫品質(zhì)和水分不達(dá)標(biāo)。另外，糧食干燥主要依賴煤燃料進(jìn)行烘干，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[1-2]。隨著我國構(gòu)建和諧社會(huì)和可持續(xù)發(fā)展的迫切要求，為了解決燃燒資源帶來的環(huán)境污染和能源損失過大問題，鑒于傳統(tǒng)烘干糧食過程的熱能大量排放浪費(fèi)，采用熱泵糧食烘干系統(tǒng)是糧食烘干的有效途徑。熱泵烘干技術(shù)的顯著特點(diǎn)在于熱能的循環(huán)利用、能源高效利用和無污染[3-5]。目前，以中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所為代表的熱泵烘干技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于蔬菜、大棗、枸杞、葡萄干、小白杏和煙葉烘干等領(lǐng)域，市場實(shí)踐表明熱泵烘干技術(shù)具備省力、可控、高效、節(jié)能和減排的優(yōu)異性能[6-8]。另外，為了確保熱泵糧食烘干塔系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行，同時(shí)鑒于烘干塔體積大、高度大和質(zhì)量大的特點(diǎn)，熱泵烘干塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和烘干塔體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性是熱泵烘干塔系統(tǒng)研究的關(guān)鍵內(nèi)容。

1 熱泵烘干塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱泵糧食烘干塔系統(tǒng)基于熱泵系統(tǒng)的電能高效利用和烘干循環(huán)風(fēng)的閉式循環(huán)能量回收，并且能夠通過補(bǔ)風(fēng)結(jié)構(gòu)和智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量的充分節(jié)能和高效控制，從而達(dá)到環(huán)保、節(jié)能、高效和控制精確的糧食烘干目的，實(shí)現(xiàn)糧食的高效、高質(zhì)烘干。

熱泵烘干塔采用連續(xù)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖1所示為課題組于2015年在國內(nèi)率先設(shè)計(jì)完成，并成功應(yīng)用于生產(chǎn)的50 t烘干塔系統(tǒng)。該烘干塔采用14節(jié)設(shè)計(jì)，烘干風(fēng)室由預(yù)熱段、烘干段和冷卻段組成，其中烘干段和預(yù)熱段采用自調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)。根據(jù)熱泵烘干塔系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，烘干塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是熱泵烘干塔的關(guān)鍵內(nèi)容。

2 烘干塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

根據(jù)圖1所示烘干塔進(jìn)行三維建模與分析，建模過程充分考慮烘干塔的角狀盒特征，烘干塔的三維模型如圖2所示。

該糧食烘干系統(tǒng)位于我國最大的糧食轉(zhuǎn)運(yùn)基地黑龍江省牡丹江市穆棱地區(qū)，該地區(qū)受到臺(tái)風(fēng)影響造成的最大風(fēng)速為8～9級(jí)(18～24 ms)[9-11]。因此，分析過程采用風(fēng)速為25.7 ms(400 Pa)對(duì)烘干塔模型進(jìn)行極端載荷約束，得到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參數(shù)如圖3所示。

由圖3可知，烘干塔按照極端風(fēng)速工況進(jìn)行約束，獲得的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為9.48 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力210 MPa，且結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在烘干塔下部，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好。此外，極端風(fēng)速工況下烘干塔的最大位移量為0.85 mm，進(jìn)一步說明烘干塔在極端天氣環(huán)境下具備很好的強(qiáng)度和剛度性能。

3 結(jié)構(gòu)固有動(dòng)態(tài)特性分析

烘干塔結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析主要包括烘干塔固有動(dòng)態(tài)模態(tài)分析和抗振性響應(yīng)分析，且兩者分析過程屬于關(guān)聯(lián)性方式，對(duì)烘干塔模型進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如圖4和表1所示。

表1 烘干塔固有模態(tài)參數(shù)

烘干塔模態(tài)分析結(jié)果表明，烘干塔的前6階固有振動(dòng)模態(tài)屬于低階模態(tài)，且振形體現(xiàn)在中上部振動(dòng)和中下部振動(dòng)，共振的薄弱環(huán)節(jié)主要體現(xiàn)在底部區(qū)，特別是低頻振動(dòng)載荷的影響是重點(diǎn)研究對(duì)象。由于牡丹江穆棱下城子烘干塔地基屬于Ⅲ類，該地區(qū)歷史上發(fā)生過的最大地震是7級(jí)左右的深源地震，所以采用7級(jí)淺源地震譜載荷對(duì)烘干塔進(jìn)行保守性振動(dòng)響應(yīng)分析[12-13]。利用反應(yīng)譜理論得到地震譜如表2所示。

表2 Ⅲ級(jí)地基的淺源型地震位移譜

Tab.2 Shallow seismic displacement spectrum of grade Ⅲ foundation

振動(dòng)頻率∕Hz幅值∕mm0.300.0130.500.0181.250.0432.500.0803.500.0805.000.0808.300.08010.000.08012.500.07125.000.05450.000.045

根據(jù)表1和表2可知地震載荷與烘干塔固有振動(dòng)參數(shù)具備頻率耦合性，地震容易引起烘干塔的共振響應(yīng)，因此地震強(qiáng)度的大小對(duì)烘干塔的影響突出。

4 烘干塔響應(yīng)分析

根據(jù)表2載荷特點(diǎn)分析烘干塔的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，烘干塔的振動(dòng)響應(yīng)最大振動(dòng)位移為0.065 mm，最大應(yīng)力為3.25 MPa，相對(duì)于烘干塔水平精度要求1 mm和屈服強(qiáng)度210 MPa，烘干塔能夠滿足區(qū)域性抗震要求。

5 極端環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)需要環(huán)境載荷驗(yàn)證，烘干塔于2015年7月30日在牡丹江市下城子鎮(zhèn)國管糧庫安裝完成，臺(tái)風(fēng)“天鵝”從2015年8月26日夜間到28日影響到黑龍江省牡丹江市穆棱地區(qū)，臺(tái)風(fēng)率先進(jìn)入到牡丹江東部地區(qū)，逐漸向西移動(dòng)，穆棱暴雨，風(fēng)力達(dá)到8級(jí)。臺(tái)風(fēng)過后，烘干塔完全正常，結(jié)構(gòu)具備抵御惡劣天氣的足夠強(qiáng)度。

2016年1月2日12時(shí)22分在牡丹江市林口縣(北緯44.8°，東經(jīng)129.9°)發(fā)生6.4級(jí)地震，震源深度580 km，地震過后，烘干塔無任何異樣，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好。

6 結(jié)論

(1)經(jīng)牡丹江市極端環(huán)境驗(yàn)證，糧食熱泵烘干塔系統(tǒng)具備可靠的運(yùn)行性能。

(2)采用極端載荷邊界條件的有限元分析方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)大型糧食烘干塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)載荷的有效分析，從而很大程度地解決了烘干塔實(shí)體結(jié)構(gòu)太大造成實(shí)際工況試驗(yàn)分析困難的問題。