王國棟，呂 勇，李金梅,黃永娜

（濟(jì)寧市機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)寧272000）

滾筒軟化鍋在谷物、油料等預(yù)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(yīng)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(shè)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(huán)形圓管進(jìn)行蒸汽分配，換熱管通過支撐板固定，沒有嚴(yán)格意義上的管板；隨著生產(chǎn)加工能力的提升和制造工藝的改進(jìn)，端部的支撐板變更為汽室管板結(jié)構(gòu)，這時(shí)管板一側(cè)要承受汽室的壓力，同時(shí)另一側(cè)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(jié)構(gòu)的強(qiáng)度削弱，常常需要增加管板的厚度進(jìn)行強(qiáng)度補(bǔ)充，但是此方案缺乏經(jīng)濟(jì)性。為了滿足強(qiáng)度要求，又兼顧經(jīng)濟(jì)性，雙管板結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

1 滾筒軟化鍋汽室結(jié)構(gòu)

滾筒軟化鍋的汽室結(jié)構(gòu)如圖1所示，軟化鍋的管板采用雙管板結(jié)構(gòu)，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(nèi)的蒸汽壓力，承受物料磨損的內(nèi)管板（件3）為輔助結(jié)構(gòu)，內(nèi)外管板間距為60 mm，兩者之間采用均勻布置的拉筋（件9）聯(lián)接，其作用是對外部管板起到加強(qiáng)作用，同時(shí)又防止被加熱物料對汽室管板的磨損，內(nèi)、外管板分別跟設(shè)備筒體（件4）焊接在一起，換熱管跟內(nèi)管板無焊接。分析該管板的應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，必須分析內(nèi)、外管板和拉筋同時(shí)受力的狀況。外管板及換熱器參數(shù)如表1。

圖1 滾筒軟化鍋的汽室結(jié)構(gòu)

表1 外管板及換熱管相關(guān)參數(shù)

2 參數(shù)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(jì)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(shí)現(xiàn)，為便于分析該管板的應(yīng)力應(yīng)變，將內(nèi)、外管板和拉筋擬合成一個(gè)整體的工件進(jìn)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(shè)備筒體采用圓周焊接固定，工作時(shí)管板沿軸向發(fā)生形變，而在徑向的變化可以忽略不計(jì)，同時(shí)管板在外載作用下發(fā)生彎曲變形時(shí)，管束受支撐板的限制在與管板連接處產(chǎn)生彎曲。由于反作用力，管子對管板亦產(chǎn)生相應(yīng)的彈性反作用力或彈性反力矩。因此管板在x，y兩個(gè)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(dòng)。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(gè)部件，汽室內(nèi)壓強(qiáng)各向均勻分布。

式中F為管板承受的壓力，N；Q為汽室內(nèi)耐壓試驗(yàn)的壓強(qiáng)，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(nèi)徑，m。

通過上面公式可以計(jì)算耐壓試驗(yàn)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(wǎng)格劃分

結(jié)合外管板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取較高節(jié)點(diǎn)品質(zhì)的實(shí)體網(wǎng)格，對該有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格化分，生成單元49 278個(gè)，單元格大小為93.2484 mm，公差為4.66242 mm；建立節(jié)點(diǎn)數(shù)96 959個(gè)，如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格圖

2.5 計(jì)算分析

通過分析計(jì)算，外管板在承壓狀態(tài)下的應(yīng)變分布圖如圖6所示，整個(gè)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(yīng)變量大于15 mm。

圖6 應(yīng)變趨勢圖

外管板應(yīng)力分布如圖7所示，外管板整體都有較大的應(yīng)力變化。外管板的內(nèi)圈換熱管內(nèi)側(cè)邊緣處應(yīng)力最小為0.37 MPa，內(nèi)二圈換熱管內(nèi)側(cè)邊緣處的應(yīng)力最大為242.6 MPa，外管板在應(yīng)力變形的同時(shí)受到管束的反作用力，導(dǎo)致應(yīng)力集中。

圖7 應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

通過SolidWorks軟件對管板進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力集中在外管板內(nèi)二圈的換熱管內(nèi)側(cè)邊緣處，外管板中心位置處在承壓狀態(tài)下變形量最大。實(shí)際滾筒軟化鍋耐壓試驗(yàn)變形情況與仿真模擬結(jié)果相一致，本次分析為后續(xù)的管板結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)為聲發(fā)射檢測提供了加壓參考數(shù)據(jù)。