大型转盘式干燥机组合拉撑圆盘结构强度分析

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(1.南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京 211816； 2.江苏中圣高科技产业有限公司， 江苏 南京 210009)

转盘式干燥机是一种广泛应用于各种粘糊状、粉状及粒状等热敏性较稳定的有机物和无机物料干燥的间接式干燥设备，具有热效率高、蒸发强度大及节能环保效果优等特点，其核心部件——主轴上圆盘结构及其受力情况直接影响整个设备的安全、平稳运行，一直是结构设计的研究热点[1-2]。

贺华波等[3-4]采用有限元分析和简化力学模型方法，对盘式干燥机转子系统的主要承压部件进行了强度校核,理论模型计算结果与有限元计算结果基本一致。刘宝庆[5]建立承压圆盘的轴对称和非轴对称力学模型，并根据薄板的小挠度弯曲理论，对圆盘力学模型进行求解，得出非轴对称模型，更好地反映圆盘的位移、应力分布趋势。

目前从拉撑件的组合形式考察圆盘整体强度的研究较少，有关加筋平盖结构的研究则较多。这主要是因为加筋平盖结构与转盘式干燥机主轴上受拉撑的圆盘类似，可以为相关研究提供参考。许留关等人[6]分析了加筋平盖的应力分布，得出了加强筋的存在能使平盖上高应力趋于平缓，设备整体力学性能显著提高。贺小华等人[7]应用有限元方法分析了烘缸加筋平盖结构的受力。冯永利等人[8]提出了以平行角钢为加强筋的圆形平盖应力的理论计算方法。谭志洪等人[9-10]通过理论分析并结合有限元计算，对加强筋的存在有效降低了平盖与筒体连接处由于刚度差引起的应力集中进行了论证。谢志刚等人[11-12]应用有限元分析软件ANSYS对平盖加筋结构进行了优化设计，效果显著。

本文结合实际常见圆盘拉撑件的结构形式和用材特点，以两圈拉撑圆盘结构为例，采用建模和有限元数值模拟方法对组合使用棒材和管件拉撑的圆盘结构进行强度分析，为组合拉撑圆盘结构设计提供更加可靠和直接的参考。

1 转盘式干燥机结构及其工作原理

转盘式干燥机结构简图见图1。工作时，干燥机身内中空轴上焊接的空心加热圆盘作为转子缓慢旋转，蒸汽由转子空心轴的一端进入，通过圆盘壁面间接加热干燥机身内的物料[13-14]。圆盘外侧设置带有倾角的耙叶，用于翻抄、搅拌物料[15-17]。

图1 转盘式干燥机结构简图

2 组合拉撑圆盘结构尺寸及参数

转盘式干燥机两圈拉撑圆盘主要由轴管、盘片、拉撑件、挡水板及外端焊缝构成，其结构图见图2。圆盘上的拉撑件通常使用棒材或管件。组合拉撑圆盘还综合考虑了加工及焊接制造的方便，一般同一圈采用相同形式的拉撑件，圈与圈之间则可采用不同形式的拉撑件。文中研究的两圈拉撑圆盘结构模型由内圈和外圈构成，根据内、外圈拉撑件型材组合方式的不同分为两种结构形式，第1种内圈拉撑件为棒材，外圈拉撑件为管件，记作组合拉撑圆盘形式1；第2种内圈拉撑件为管件，外圈拉撑件为棒材，记作组合拉撑圆盘形式2。

图2 转盘式干燥机两圈拉撑圆盘结构

圆盘直径D1=2 000 mm，盘片厚度T1=8 mm，盘片内表面所形成锥角α=8°，轴管外径D2=620 mm，轴管厚度T2=28 mm。棒材尺寸为Ø38 mm，管件尺寸为Ø38 mm×5 mm，轴管中心距内圈拉撑件R1=520 mm，距外圈拉撑件R2=750 mm。每圈相邻拉撑件间距L=200 mm。圆盘结构设计压力p=0.66 MPa，设计温度为165 ℃。圆盘材质为Q345R，轴管及拉撑件材质为Q345D。圆盘结构的材料力学性能见表1。

表1 圆盘结构材料力学性能参数

3 组合拉撑圆盘结构件有限元分析

3.1 有限元计算模型及边界条件

对组合拉撑圆盘形式1和形式2的圆盘结构进分析，不计挡水板对盘片的加强作用，考虑模型结构的对称性，以组合拉撑圆盘结构的1/2进行有限元建模。选用solid185实体单元对轴管、盘片、拉撑件及外端焊缝进行六面体网格划分，得到2种组合拉撑圆盘结构有限元模型,见图3。

图3 2种组合拉撑圆盘结构有限元计算模型

组合拉撑圆盘结构的载荷及边界条件设置为，在圆盘腔内、轴管内表面及拉撑件外表面施加设计压力p=0.66 MPa，在轴管端面施加轴向平衡载荷p1=-3.17 MPa。在轴管另一端面施加全约束，在对称面施加对称约束。

3.2 计算结果分析

2种组合拉撑圆盘结构有限元计算应力云图见图4。图4表明，2种组合拉撑圆盘结构的最大应力点均出现在棒材拉撑件与盘片连接处。从图4a可以知道，组合拉撑形式1的圆盘最大应力值为549.6 MPa。从图4b可以知道，组合拉撑形式2的圆盘最大应力值为463 MPa。比较图4a和图4b，组合拉撑形式2的最大应力值比组合拉撑形式1的低86.6 MPa，组合拉撑形式2的圆盘整体受力更为均匀。

为了详细分析组合拉撑形式1和形式2的圆盘各部件受力情况，根据JB 4732—1995(2005年确认)《钢制压力容器——分析设计标准》[18]中的应力分类方法，将应力分为一次总体薄膜应力Pm、一次局部薄膜应力PL、一次弯曲应力Pb、二次应力Q和峰值应力F，并根据不同的组合对应力进行评定。根据有限元计算结果，沿圆盘各部件的最大应力点提取盘片、拉撑件、外端焊缝处的局部薄膜应力SⅡ及一次加二次弯曲应力SⅣ，组合拉撑形式1和形式2的圆盘强度评定结果见表2。

图4 2种组合拉撑圆盘结构应力云图

组合拉撑圆盘形式部件应力分类应力计算值/MPa应力评定盘片局部薄膜应力SⅡ一次加二次应力SⅣ126.44334.45≤1.5[σ]≤3[σ]形式1拉撑件局部薄膜应力SⅡ一次加二次应力SⅣ166.54329.51≤1.5[σ]≤3[σ]外端焊缝局部薄膜应力SⅡ一次加二次应力SⅣ130.45154.77≤1.5[σ]≤3[σ]盘片局部薄膜应力SⅡ一次加二次应力SⅣ120.15258.31≤1.5[σ]≤3[σ]形式2拉撑件局部薄膜应力SⅡ一次加二次应力SⅣ155.44320.2≤1.5[σ]≤3[σ]外端焊缝局部薄膜应力SⅡ一次加二次应力SⅣ126.33150.84≤1.5[σ]≤3[σ]

从表2可知，2种组合拉撑圆盘各部件的应力值均满足评定要求且具有较大的安全裕量。比较表2中组合拉撑圆盘形式1和形式2各部件的计算应力值可知，组合拉撑圆盘结构形式2各部件应力值小于组合拉撑圆盘结构形式1各部件相应的应力值，这说明两圈拉撑圆盘结构内圈采用管件拉撑、外圈采用棒材拉撑的受力明显优于内圈采用棒材、外圈采用管件拉撑的圆盘结构。结合表2的应力评定结果与圆盘整体结构中外端焊缝处对盘片的支撑作用弱于中心轴管对盘片的支撑作用的结构特点分析可知，由于棒材拉撑强度大于管件拉撑强度，所以外圈采用棒材拉撑明显改善了圆盘整体受力。因此，从轻量化及加工制造的角度考虑，组合拉撑圆盘结构形式2可以减小圆盘总体质量，降低制造成本。

4 棒材和管件外径比对组合拉撑圆盘结构应力强度影响

基于棒材拉撑强度优于管件的基本事实，以组合拉撑形式2的圆盘结构为研究模型。内圈拉撑件外径d1不变，通过调节棒材外径d2来改变棒材与管件外径比。棒材和管件的外径比d2/d1分别为0.65、0.84、1、1.1、1.18、1.26的典型圆盘结构应力强度云图见图5。

图5 棒材和管件不同外径比的圆盘结构应力云图

从图5可知，两圈组合拉撑圆盘整体最大应力值均随着外径比d2/d1的增大呈下降趋势。外径比d2/d1从0.65增至1.26，圆盘结构最大应力值由537.7 MPa降至431.02 MPa。当d2/d1<1.18时，两圈组合拉撑圆盘结构最大应力点均位于盘片与棒材连接处；当d2/d1增大到1.26时，两圈组合拉撑圆盘结构最大应力点位于盘片与管件连接处。图5表明随着拉撑件外径比的增大，组合拉撑圆盘结构危险点位置由棒材与盘片的拉撑截面逐步转移至管件与盘片的拉撑截面。这是因为棒材外径的增大，对盘片及自身的强度有明显的加强作用，从而使得棒材与盘片拉撑截面处的应力得到减缓，而管件与盘片处的拉撑截面相应变成了最危险截面。

为了详细分析组合拉撑圆盘各部件在不同外径比下的应力分布规律，按照应力分类标准，对圆盘各部件进行线性化处理，提取两圈组合拉撑圆盘结构中的局部薄膜应力SⅡ及一次加二次弯曲应力SⅣ，不同外径比d2/d1下的盘片、拉撑件的应力分布规律。棒材和管件不同外径比d2/d1下盘片的应力变化趋势见图6。

图6 棒材和管件不同外径比下盘片应力变化趋势

图6显示，随着外径比的增大，盘片上内外圈的局部薄膜应力和一次加二次弯曲应力均呈现线性下降的趋势。当外径比d2/d1由0.65增加至1.26时，内圈拉撑件与盘片拉撑截面处的局部薄膜应力由133.62 MPa下降至118.68 MPa，一次加二次弯曲应力则由272.1 MPa下降至246.87 MPa；而外圈拉撑件与盘片拉撑截面处的局部薄膜应力由122.12 MPa降至92.27 MPa，一次加二次弯曲应力由365.42 MPa下降至279.98 MPa。图6上述数据表明，随着外径比的增大，外圈盘片处的应力下降幅度要比内圈大得多。这是因为，对内圈采用管件拉撑、外圈采用棒材拉撑的组合圆盘结构，随着棒材外径的增大，外圈拉撑件对盘片的拉撑作用起到明显的加强作用，从而显著降低外圈盘片上的应力。内圈盘片处的应力也相应有所下降，是因为外圈拉撑件对内圈拉撑干涉作用较为明显，外圈拉撑作用加强，相应对内圈拉撑也有一定的加强作用，故内圈盘片处的应力也相应降低。

棒材和管件不同外径比d2/d1下拉撑件的应力变化趋势见图7。

图7 棒材和管件不同外径比下拉撑件应力变化趋势

图7中内外圈拉撑件的应力变化规律与盘片应力变化趋势一致，随着外径比的增大，拉撑件的局部薄膜应力和一次加二次弯曲应力均下降，且变化趋势基本一致。外径比d2/d1从0.65到1.26，内圈拉撑件局部薄膜应力仅下降11.64 MPa，一次加二次弯曲应力下降31.39 MPa；外圈拉撑件上的局部薄膜应力下降了94 MPa，一次加二次弯曲应力下降了165.94 MPa。比较内外圈拉撑件应力变化，外圈拉撑件的下降幅度比内圈拉撑件大得多，这是因为外圈为棒材拉撑，随着棒材外径的增大，自身的强度显著增强，使得本身应力水平显著降低。外圈拉撑件拉撑作用加强，不仅对内圈盘片上的应力水平有所减缓，而且同时降低内圈拉撑件上的应力水平。

5 结语

①采用有限元法对两圈拉撑圆盘的2种组合拉撑形式进行了应力分析，并对圆盘各部件进行了强度评定，评定结果均满足强度要求且具有较大的安全裕量。②比较了2种组合拉撑形式的圆盘整体应力及各部件应力值，对于两圈组合拉撑圆盘，内圈采用管件、外圈采用棒材拉撑的圆盘结构受力更佳。③分析了棒材和管件外径比对圆盘结构应力强度的影响。分析结果表明，随着外径比增大，圆盘结构应力呈下降趋势，且危险点由盘片与棒材连接处转移至盘片与管件连接处。