0、引言
回轉(zhuǎn)圓筒式烘干機(jī)是對大量物料進(jìn)行烘干最常用的設(shè)備，具有運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、操作彈性大、處理能力大以及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于食品、飼料、化工、醫(yī)藥、礦山、冶金和建材等行業(yè)，富通新能源生產(chǎn)銷售
滾筒烘干機(jī)、
氣流式烘干機(jī)等干燥烘干機(jī)械設(shè)備。
回轉(zhuǎn)圓筒式烘干機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算多采用文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的方法，對模型進(jìn)行簡化、烘干機(jī)強(qiáng)度和剛度的計(jì)算，其結(jié)果多為近似值，不直觀，也不能顯示各部件及局部的強(qiáng)度和剛度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及有限元軟件的日趨成熟，利用計(jì)算機(jī)對大型復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核已成為發(fā)展趨勢。
ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體，由美國ANSYS公司開發(fā)研制的大型通用有限元分析軟件，現(xiàn)已通過美國核安全局及20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會的認(rèn)證，第一個(gè)通過了我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會認(rèn)證并在國務(wù)院17個(gè)部委推廣使用。用戶涵蓋了機(jī)械、能源、電子、水利、土木建筑、交通運(yùn)輸、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)科研等領(lǐng)域。
1、回轉(zhuǎn)圓筒式烘干機(jī)的結(jié)構(gòu)
本文所分析的回轉(zhuǎn)圓筒式烘干機(jī)（如圖1所示）主要部件有換熱管、支撐板、支撐板坐換環(huán)、滾圈、滾圈墊板、齒圈、齒圈肋板、加強(qiáng)圈、管箱支棍、簡體以及管箱等。
1.1烘干機(jī)的基本幾何參數(shù)
總長/mm: 23310
內(nèi)徑/mm: 3800
壁厚/mm: 17
進(jìn)料端蓋厚/mm: 45
出料端蓋厚/mm: 40
管板厚/mm: 40
支撐板厚/mm: 20
齒圈肋板厚/mm: 20
坐環(huán)/mm: 50×50
熱管根數(shù)／根：168
模型整體傾角：2/100
換熱管具規(guī)格如表1所示。
1.2 烘干機(jī)的基本操作參數(shù)
進(jìn)料溫度／℃：88
出料溫度／℃：135
蒸汽溫度／℃：183
蒸汽壓力／MPa:1
1.3材料選擇
烘干機(jī)簡體、換熱管、支撐板、進(jìn)料端蓋、滾圈墊板、坐環(huán)、加強(qiáng)圈、管箱等部件的材料為316L，肋板材料為16MnR，齒圈材料為ZG45，滾圈材料為SCM440。所有材料的材料屬性如表2所示。
2、模型簡化和有限元模型的建立
2.1整體模型
為準(zhǔn)確模擬烘干機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，本分析采用按實(shí)際尺寸建立的整體分析模型。為減小解題規(guī)模，除滾圈、齒圈和滾圈墊塊用實(shí)體單元模擬外．，其余全部采用梁或殼單元模擬，管板采用傳統(tǒng)規(guī)范里被削弱了的當(dāng)量板，同時(shí)建立了只有管箱和換熱管的局部實(shí)體有限元模型。整體模型如圖2所示，部分有限元模型如圖3-圖5所示。
2.2單元類型選取及有限元網(wǎng)格劃分
在有限元模型中，分別采用ANSYS中的SHELL63殼單元（主要用于模擬烘干機(jī)簡體）、BEAM189梁單元（用于模擬換熱管及管箱的支撐桿）和SOLID45體單元（用于模擬滾圈、齒圈等）；在傳熱分析中，采用了與結(jié)構(gòu)計(jì)算相對應(yīng)的熱單元為SOLID70體單元。為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)保證單元在任何兩個(gè)方向上的尺寸比例不超過1：7。劃分網(wǎng)格后，烘干機(jī)整體結(jié)構(gòu)共有55636個(gè)單元，其中SHELL63單元14896個(gè)，BEAM189單元36708個(gè)，SOLID45單元4032個(gè)，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為93612。
2.3約束方式
烘干機(jī)左右兩個(gè)滾圈的底部各有一對與鉛垂線分別成280約束方式，還各有一對與鉛垂線成28。的支撐托輪，烘干機(jī)左滾圈的右邊有一個(gè)擋輪。兩對支撐托輪對整個(gè)烘干機(jī)起到主要的支撐和約束作用，擋輪起防止烘干機(jī)軸向滑動的作用。因此，在進(jìn)行烘干機(jī)的結(jié)構(gòu)分析時(shí)，分別在兩個(gè)滾圈與托輪接觸處約束垂直位移和一側(cè)的水平位移、擋輪與滾圈接觸處約束軸向位移，在這樣的約束可能會造成計(jì)算結(jié)果在約束的位置出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，與實(shí)際應(yīng)力分布有些差異，但不會影響烘干機(jī)的整體計(jì)算結(jié)果。
2.4載荷條件
烘干機(jī)所受的載荷有自身質(zhì)量、物料質(zhì)量、蒸汽壓力及溫度。對于溫度載荷，本文僅考慮烘干機(jī)在正常工作情況下的溫度分布，因此對烘干機(jī)換熱管和管箱的溫度場進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)熱分析（包括熱對流和熱傳導(dǎo)），并對各種載荷共同作用下的強(qiáng)度和剛度分別進(jìn)行了計(jì)算。這些載荷工況組合為：
1)空載工況，烘干機(jī)僅受到自身的質(zhì)量作用；
2)機(jī)械載荷工況及烘干機(jī)受自身的質(zhì)量、120%的正常操作量的物料與內(nèi)壓載荷作用；
3)設(shè)計(jì)工況，烘干機(jī)受自身的質(zhì)量、120%的正常操作量的物料、內(nèi)壓及溫度載荷作用；
4)事故工況，烘干機(jī)受自身的質(zhì)量、200%的正常操作量的物料、內(nèi)壓及溫度載荷作用。
以下對4種工況簡稱工況l、工況2、工況3和工況4。
對烘干機(jī)出口端管板及換熱管溫度場進(jìn)行分析時(shí)，殼程介質(zhì)溫度為135℃，對流換熱系數(shù)取a=200W／m2．℃，管程蒸汽溫度為183℃，對流換熱系數(shù)a= 50W/m2．℃，管箱和筒體外部有較厚的保溫層，計(jì)算時(shí)按絕熱條件近似處理。
3、計(jì)算結(jié)果與分析
有限元計(jì)算分兩步進(jìn)行：首先計(jì)算烘干機(jī)的溫度場，對管箱（如圖3所示）和所有換熱管的局部實(shí)體單元模型做穩(wěn)態(tài)熱分析，得到換熱管和管板（見圖6所示）的金屬壁溫分布。圖6為溫度沿管板厚度的分布曲線，圖7和圖8為計(jì)算得到的換熱管和管箱的溫度分布云圖。然后，將計(jì)算結(jié)果作為溫度載荷加到主要由梁、殼單元組成的整體模型中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力計(jì)算以及整體模型在各種組合載荷工況的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3所示，部分云圖如圖9-圖12所示。
由表3可見，烘干機(jī)在工況2下的最大應(yīng)力強(qiáng)度為53. 4MPa，同工況1相比，這是由于管箱受到1MPa的內(nèi)壓造成的，中心最大撓度為1.284mm：工況3下的最大應(yīng)力強(qiáng)度為284MPa；工況4下的最大應(yīng)力強(qiáng)度為243MPa，其最大應(yīng)力強(qiáng)度值均發(fā)生在支撐板上。將工況3和工況4與工況1和工況2進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，存在溫度載荷時(shí)，烘干機(jī)的局部應(yīng)力強(qiáng)度遠(yuǎn)大于只有機(jī)械載荷作用時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度，而這一局部的溫度應(yīng)力主要是由不同材料線膨脹系數(shù)的差異所引起的，而機(jī)械載荷（即使是過載的事故條件下）對結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力的影響并不顯著。
4、結(jié)論
1)對4種載荷工況計(jì)算結(jié)果的比較可以看出，工況4為最危險(xiǎn)工況。
2)對各種載荷引起的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力水平的對比顯示，溫度應(yīng)力對烘干機(jī)強(qiáng)度的影響最大，因此采取一定的保溫措施將有利于提高烘干效率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
3)烘干機(jī)主要材料316L在設(shè)計(jì)溫度(135℃)下的許用應(yīng)力強(qiáng)度為117. 3MPa，計(jì)算機(jī)械載荷工況下的最大應(yīng)力強(qiáng)度53. 2MPa< 117. 3Mpa。由于溫度引起的應(yīng)力屬二次應(yīng)力，根據(jù)文獻(xiàn)，其最大應(yīng)力強(qiáng)度可用3倍的許用應(yīng)力強(qiáng)度控制，即可滿足243MPa<3×117. 3=351. 9MPa，因此，該烘干機(jī)滿足強(qiáng)度條件。
4)計(jì)算表明，該烘干機(jī)的整體位移小于文獻(xiàn)[2]規(guī)定的要求，即最大相對撓度小于0. 3mnl／m，滿足剛度條件。
相關(guān)烘干機(jī)產(chǎn)品：
1、
滾筒烘干機(jī)
2、
氣流式烘干機(jī)
