轉(zhuǎn)盤(pán)干燥機(jī)作為一種間接式干燥設(shè)備，具有熱效率高、蒸發(fā)強(qiáng)度大以及節(jié)能環(huán)保效果優(yōu)越等特點(diǎn)，適用于干燥各種粘糊狀、粉狀及粒狀等熱敏性較穩(wěn)定的有機(jī)物和無(wú)機(jī)物料。加熱圓盤(pán)作為轉(zhuǎn)盤(pán)干燥機(jī)的核心部件，一直是眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)。龐樹(shù)生等通過(guò)建立圓盤(pán)上下板的力學(xué)模型，推導(dǎo)了圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的撓曲率方程式和應(yīng)力計(jì)算公式。賀華波等采用有限元分析和簡(jiǎn)化力學(xué)模型的方法，對(duì)盤(pán)式干燥機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的主要承壓部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，理論模型計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致，表明所設(shè)計(jì)的承壓圓盤(pán)安全可靠。劉寶慶和蔣家羚建立承壓圓盤(pán)的軸對(duì)稱(chēng)和非軸對(duì)稱(chēng)力學(xué)模型，并根據(jù)薄板的小撓度彎曲理論，對(duì)圓盤(pán)力學(xué)模型進(jìn)行求解，得出非軸對(duì)稱(chēng)模型更好地反映圓盤(pán)的位移、應(yīng)力分布趨勢(shì)。
對(duì)于大尺寸加熱圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，在上下板之間分布著許多拉撐件，并與加熱盤(pán)上下板焊接，其作用是提高加熱盤(pán)上下板的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)使加熱盤(pán)內(nèi)的流體產(chǎn)生局部小渦流，從而大大提高換熱效率。目前，從拉撐件的結(jié)構(gòu)形式考察圓盤(pán)整體強(qiáng)度的研究較少，本文對(duì)棒材和管材作為拉撐件的兩種拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，考慮圓盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)兩種拉撐圓盤(pán)應(yīng)力變化趨勢(shì)的影響，從而為轉(zhuǎn)盤(pán)干燥機(jī)圓盤(pán)拉撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。
1 轉(zhuǎn)盤(pán)干燥機(jī)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)有限元分析
以蒸汽為加熱介質(zhì)的轉(zhuǎn)盤(pán)式干燥機(jī)，中空軸上焊接的空心加熱圓盤(pán)作為轉(zhuǎn)子緩慢旋轉(zhuǎn)，蒸汽由轉(zhuǎn)子空心軸的一端進(jìn)入，通過(guò)圓盤(pán)壁面間接加熱干燥機(jī)身內(nèi)的物料，圓盤(pán)外側(cè)設(shè)置帶有傾角的耙葉，用于翻抄、攪拌物料。
1.1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)
某大型轉(zhuǎn)盤(pán)干燥機(jī)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)由中心軸管、盤(pán)片、拉撐件、擋水板及外端焊縫構(gòu)成。盤(pán)片直徑2000mm，盤(pán)片厚度8mm，盤(pán)片內(nèi)表面所形成錐角為10°，軸管外徑620mm，軸管厚度28mm。針對(duì)不同拉撐形式的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，管式拉撐圓盤(pán)以φ38mm×5mm管材為拉撐件；柱式拉撐圓盤(pán)以φ38mm的棒材為拉撐件，沿圓盤(pán)周向拉撐件兩圈均布，軸管中心距內(nèi)圈拉撐件距離為530mm，距外圈拉撐件距離為760mm。每圈相鄰拉撐件周向間距200mm。
圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壓力為0.66MPa，設(shè)計(jì)溫度為165℃；圓盤(pán)材料為Q345R，許用應(yīng)力為179.1MPa，軸管河拉撐件材料為Q345D，許用應(yīng)力為174.0MPa。圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)性能如下表所示：
材料 | 彈性模量E（GPa） | 泊松比v | 許用應(yīng)力[δ]（MPa） |
Q345R | 193.1 | 0.3 | 179.1 |
Q345D | 193.1 | 0.3 | 174.0 |
1.2 圓盤(pán)有限元模型
本文主要考慮不同拉撐形式下圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的受力情況，為此取單個(gè)圓盤(pán)為研究對(duì)象進(jìn)行建模分析，不計(jì)擋水板對(duì)盤(pán)片的加強(qiáng)作用，兩端軸管伸長(zhǎng)量為相鄰盤(pán)片間距的一半?？紤]非軸對(duì)稱(chēng)模型更加真實(shí)反應(yīng)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，選用全模型作為分析對(duì)象。選用solid185實(shí)體單元對(duì)軸管、盤(pán)片、拉撐件及外端焊縫進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分
1.3 載荷及邊界條件
轉(zhuǎn)盤(pán)干燥機(jī)工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)速一般在3～10r/min，由此產(chǎn)生的慣性力較小，不計(jì)其影響，盤(pán)片腔內(nèi)、軸管內(nèi)表面內(nèi)和拉撐件外表面施加設(shè)計(jì)壓力p=0.66MPa，軸管斷面施加全約束，另一端面施加由內(nèi)壓引起的軸向平衡載荷P1=-3.17MPa。
1.4 有限元強(qiáng)度分析
運(yùn)用大型ANSYS軟件對(duì)柱式拉撐圓盤(pán)和管式拉撐圓盤(pán)進(jìn)行有限元分析，拉撐件對(duì)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的支撐作用有效 減緩了上下盤(pán)片因內(nèi)壓引起的膨脹變形，表明拉撐件對(duì)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)具有很好的加強(qiáng)作用。比較兩種拉撐形式下圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，發(fā)現(xiàn)極大應(yīng)力點(diǎn)均出現(xiàn)在盤(pán)片與拉撐件相交截面處。不同的是，柱式拉撐圓盤(pán)極大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在內(nèi)圈，管式拉撐圓盤(pán)極大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在外圈。兩種拉撐形式下圓盤(pán)總應(yīng)力值分別為467.55MPa和452.29MPa，相差不大。
但云圖未能直觀反映兩種拉撐形式下圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的盤(pán)片、拉撐件等主要部件的應(yīng)力強(qiáng)度，為此，根據(jù)JB/T 4732-1995(R2005）中應(yīng)力分類(lèi)和評(píng)定方法將兩種拉撐形式圓盤(pán)結(jié)構(gòu)各部件進(jìn)行線性化處理，提取各部件的一次局部薄膜應(yīng)力SⅡ和一次加二次彎曲應(yīng)力SⅣ，并對(duì)各部件進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。經(jīng)評(píng)定，兩種拉撐形式下的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)各部件均滿足強(qiáng)度評(píng)定要求，均有較大的安全余量，且拉撐件由管材到棒材，圓盤(pán)結(jié)構(gòu)相應(yīng)危險(xiǎn)部位由拉撐件轉(zhuǎn)移至盤(pán)片的拉撐截面。比較兩種拉撐形式下圓盤(pán)各部件應(yīng)力強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)外端焊縫處的應(yīng)力強(qiáng)度基本一致，但盤(pán)片和拉撐件上的應(yīng)力出現(xiàn)明顯的差異：柱式拉撐圓盤(pán)相比管式拉撐圓盤(pán)，盤(pán)片SⅡ應(yīng)力強(qiáng)度降低26.39MPa，但SⅣ應(yīng)力強(qiáng)度增加57.74MPa；拉撐件上的SⅡ應(yīng)力強(qiáng)度降低90.32MPa，SⅣ應(yīng)力強(qiáng)度降低215.22MPa。這是因?yàn)榘舨淖鳛槔瓝渭捎行г黾幼陨砗捅P(pán)片的強(qiáng)度，從而降低拉撐件上的應(yīng)力和盤(pán)片上的SⅡ應(yīng)力強(qiáng)度。但是棒材與盤(pán)片剛度相差較大，致使盤(pán)片拉撐截面處的SⅣ應(yīng)力較大。
比較兩種拉撐形式下的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力，雖然盤(pán)片和拉撐件上的應(yīng)力存在明顯差異，但未考慮圓盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響。為此，值得進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)參數(shù)下兩種拉撐圓盤(pán)應(yīng)力變化趨勢(shì)。
2 兩種拉撐形式下圓盤(pán)強(qiáng)度影響因素分析
分別從拉撐件壁厚（由管材至棒材）、圓盤(pán)錐角（上下兩盤(pán)片內(nèi)壁面所形成的角度）、拉撐件直徑和拉撐件周向間距來(lái)研究圓盤(pán)應(yīng)力變化趨勢(shì)，對(duì)比分析兩種拉撐圓盤(pán)應(yīng)力分布差異，從而為圓盤(pán)拉撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。
2.1 拉撐件壁厚對(duì)兩種拉撐圓盤(pán)應(yīng)力分布的影響
兩圈拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)圈和外圈應(yīng)力分布相差不大且隨拉撐件壁厚的變化規(guī)律基本一致。
當(dāng)拉撐件壁厚增加，盤(pán)片的SⅡ應(yīng)力總體呈下降趨勢(shì)，且拉撐件壁厚在7～8mm左右，盤(pán)片的SⅣ應(yīng)力達(dá)到極小值，這是由于拉撐件厚度與盤(pán)片厚度接近或相差不大時(shí)，盤(pán)片受力較好。當(dāng)增大或減小拉撐件厚度，盤(pán)片的SⅣ應(yīng)力強(qiáng)度均會(huì)增大，且厚度增加至棒材時(shí)，盤(pán)片的SⅣ應(yīng)力會(huì)顯著上升。這是由于拉撐件厚度與盤(pán)片厚度相差較大，連接處較大的剛度差導(dǎo)致盤(pán)片彎曲應(yīng)力顯著增加。
拉撐件的SⅡ和SⅣ應(yīng)力隨壁厚增加總體呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)槔瓝渭诤竦脑黾?，增?qiáng)了自身的強(qiáng)度和剛度，使得拉撐件上的應(yīng)力顯著下降。當(dāng)拉撐件壁厚從3mm增加至7mm時(shí)，拉撐件上的應(yīng)力迅速下降；當(dāng)拉撐件壁厚大于7mm時(shí)，拉撐件的SⅡ應(yīng)力呈均勻下降；壁厚在9～17mm間，應(yīng)力趨于平緩，但當(dāng)壁厚增加至實(shí)心柱時(shí)，SⅣ應(yīng)力再次迅速下降。
上述應(yīng)力變化規(guī)律表明，管材作為拉撐件時(shí)，以管材厚度盡可能與盤(pán)片等厚或相差不大為宜，此時(shí)盤(pán)片受力較好；棒材作為拉撐件時(shí)，雖然可有效降低拉撐上的壓力，但是會(huì)提高盤(pán)片上彎曲應(yīng)力。
2.2 圓盤(pán)錐角對(duì)兩種拉撐圓盤(pán)應(yīng)力分布的影響
圓盤(pán)錐角改變對(duì)盤(pán)片和拉撐件上的應(yīng)力影響很小。隨著錐角的增大，盤(pán)片的應(yīng)力呈緩慢下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殄F角增加致使拉撐件與盤(pán)片拉撐截面增大，所以盤(pán)片應(yīng)力有所下降。因此，在轉(zhuǎn)盤(pán)干燥機(jī)圓盤(pán)承壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，錐角大小對(duì)圓盤(pán)受力不起決定作用，但是錐角設(shè)置應(yīng)適宜。
2.3 拉撐件直徑對(duì)兩種拉撐圓盤(pán)應(yīng)力分布的影響
比較兩種拉撐結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力變化，發(fā)現(xiàn)增大拉撐件的直徑，可顯著降低拉撐件上的應(yīng)力，同時(shí)盤(pán)片上的應(yīng)力也有明顯下降。這是由于拉撐件直徑越大，增加了自身強(qiáng)度和剛度，從而有效降低拉撐件上的應(yīng)力；同時(shí)拉撐件直徑越大，使得盤(pán)片間的拉撐面積增大，從而降低盤(pán)片上的壓力。由上述規(guī)律可知，拉撐件直徑大小對(duì)兩種拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力均有顯著影響，在滿足設(shè)計(jì)要求下，拉撐件直徑越大，圓盤(pán)結(jié)構(gòu)受力越好。
2.4 拉撐件周向間距對(duì)兩種拉撐圓盤(pán)應(yīng)力分布的影響
隨著周向間距的增大，兩種拉撐結(jié)構(gòu)的盤(pán)片和拉撐件的應(yīng)力呈單調(diào)上升趨勢(shì)。這是因?yàn)橄噜徖瓝渭拈g距越大，使得每圈拉撐件的排布個(gè)數(shù)越少，導(dǎo)致總拉撐件個(gè)數(shù)減少，從而降低拉撐件對(duì)上下盤(pán)片的支撐作用，加劇盤(pán)片向外膨脹，盤(pán)片應(yīng)力增大；由于盤(pán)片膨脹加劇，對(duì)拉撐件向外拉扯作用，使拉撐件上的應(yīng)力也增大。
當(dāng)周向間距小于260mm時(shí)，兩種拉撐結(jié)構(gòu)的盤(pán)片和拉撐件應(yīng)力均勻增加，當(dāng)大于260mm時(shí)，盤(pán)片和拉撐件應(yīng)力上升幅度迅速增加，圓盤(pán)各部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極易遭到破壞。柱式拉撐盤(pán)片SⅣ應(yīng)力較大，盤(pán)片結(jié)構(gòu)因SⅣ應(yīng)力超標(biāo)較先發(fā)生破壞；而管式拉撐件SⅡ和SⅣ應(yīng)力較大，拉撐件因SⅡ或SⅣ應(yīng)力超標(biāo)較先發(fā)生破壞。
由上述規(guī)律可知，在圓盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，棒材作為拉撐件時(shí)，盤(pán)片為較先發(fā)生破壞的危險(xiǎn)部件；管材作為拉撐件時(shí)，拉撐件為較先發(fā)生破壞的危險(xiǎn)部件，且拉撐件周向間距設(shè)置不宜過(guò)大。
3 結(jié)論
（1）采用有限元方法對(duì)棒材、管材兩種典型拉撐結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行強(qiáng)度探討，分析表明兩者均能滿足強(qiáng)度性能要求，且具備一定的安全余量，隨著拉撐件的增厚，即由管材至棒材，圓盤(pán)結(jié)構(gòu)相應(yīng)較危險(xiǎn)部分由拉撐件轉(zhuǎn)移至盤(pán)片的拉撐截面。
（2）兩種拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，錐角的變化對(duì)圓盤(pán)應(yīng)力影響可忽略；管材作為拉撐件時(shí)，以拉撐件壁厚與盤(pán)片等厚或相近為宜；拉撐件直徑大小對(duì)兩種拉撐圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力均有顯著影響，在滿足設(shè)計(jì)要求下，拉撐件直徑越大，圓盤(pán)結(jié)構(gòu)受力越好。
（3）隨著拉撐件周向間距的增加，圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力會(huì)顯著增大；對(duì)于兩種拉撐圓盤(pán)，柱式拉撐的盤(pán)片SⅣ應(yīng)力較大，盤(pán)片結(jié)構(gòu)因SⅣ應(yīng)力超標(biāo)較先發(fā)生破壞；而管式拉撐圓盤(pán)的管材自身應(yīng)力較大，因SⅡ和SⅣ應(yīng)力超標(biāo)較先發(fā)生破壞，因此拉撐件周向間距設(shè)置不宜過(guò)大。
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