劉軍華，劉宇齊，賈富國(guó)，潘銘，孫健倫，謝帥濤

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211100；2.南京工程學(xué)院，南京 211100；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150030)

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糧食烘干塔換熱器智能折邊設(shè)備研發(fā)

劉軍華1，劉宇齊2，賈富國(guó)3，潘銘1，孫健倫1，謝帥濤1

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 211100；2.南京工程學(xué)院，南京 211100；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150030)

結(jié)合螺旋板式換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域及其板材折邊生產(chǎn)現(xiàn)狀，分析了其生產(chǎn)弊端。針對(duì)板材折邊工藝要求，研發(fā)了糧食烘干塔換熱器智能折邊設(shè)備，并剖析其工作機(jī)理。根據(jù)典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)智能折邊裝備總體裝配圖并計(jì)算主要零件參數(shù)，為智能折邊裝備制作提供理論依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)換熱器板材折邊智能加工，提高換熱器卷板折邊質(zhì)量及精度。

糧食烘干塔；螺旋板式換熱器；板材智能折邊；三維掃描儀采集；人機(jī)交互

0 引言

換熱器是可提高能源利用率的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、石油、化工、冶金、電力及船舶等領(lǐng)域?！?013-2017年中國(guó)換熱器行業(yè)發(fā)展前景預(yù)測(cè)與轉(zhuǎn)型升級(jí)分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2010年中國(guó)換熱器產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模在500億元左右[1]。其中，農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的機(jī)油冷卻器、中冷器等換熱器占據(jù)較大的市場(chǎng)份額。在糧食、食品烘干設(shè)備中，需采用冷卻水對(duì)板式換熱器中的導(dǎo)熱液進(jìn)行熱交換以達(dá)到降溫目的，換熱器已成為烘干設(shè)備的關(guān)鍵構(gòu)件[2]。

換熱器行業(yè)中利用板材構(gòu)成傳熱面的間壁式換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積的傳熱面積較大。其中，螺旋板式換熱器是由兩張保持一定間距的平行金屬板卷制而成，冷、熱流體分別在金屬板兩側(cè)的螺旋形通道內(nèi)流動(dòng)。該換熱器的傳熱系數(shù)高(約比管殼式換熱器高1～4倍)，因冷、熱流體可作完全的逆流流動(dòng)，故其平均溫度差較大，此外還具備流動(dòng)阻力小且不易結(jié)垢等特征[3]。

作為一種高效換熱設(shè)備，螺旋板式換熱器適用于化學(xué)、石油、溶劑、醫(yī)藥、食品、輕工、紡織、冶金、軋鋼及焦化等領(lǐng)域。圖1為典型螺旋板式換熱器實(shí)物照片，制造包括板材卷制、板邊折彎及通道焊接等重要工序[4]。

目前，螺旋板式換熱器生產(chǎn)中，板邊對(duì)折尚采用人工大錘砸制，需要強(qiáng)制的隔音措施，部分生產(chǎn)企業(yè)由耳障工人制作，機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)尚處于研究階段。此外，強(qiáng)力制造會(huì)引發(fā)板材損傷[5](如開(kāi)裂、褶皺)，導(dǎo)致材料性能下降。

圖1 典型螺旋板式換熱器實(shí)物

如研發(fā)自動(dòng)折邊裝備，可改善生產(chǎn)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率。此外，借助自動(dòng)折邊設(shè)備可有效控制板材彎曲精度[6]，且生產(chǎn)過(guò)程受力性質(zhì)改善，使產(chǎn)品及缺陷得以控制。

圖2為原手工生產(chǎn)模式和擬開(kāi)發(fā)設(shè)備工作過(guò)程對(duì)照。

1 換熱器板材智能折邊設(shè)備機(jī)理

1.1 智能折邊設(shè)備構(gòu)造

板材自動(dòng)折邊設(shè)備由機(jī)架、底盤(pán)、壓輥、加熱裝置、拍板及限位裝置等部件構(gòu)成，如圖3所示。圖4為第一滑桿下部壓輥結(jié)構(gòu)示意。

圖2 生產(chǎn)模式對(duì)照示意

1.底盤(pán) 2.機(jī)架 3.拍板 4.第2滑桿 5.滑槽 6.第1滑桿壓輥 7.卷板

1.跟蹤系統(tǒng) 2.加熱裝置 3.第1滑桿 4.側(cè)板 5.錐形壓輥

1.1.1 柔性成型設(shè)計(jì)

機(jī)架上端連接可水平移動(dòng)的第1滑桿，滑桿上端穿設(shè)在機(jī)架滑槽內(nèi)，保證滑桿在滑槽內(nèi)可做水平移動(dòng)及上下移動(dòng)?；瑮U截面為圓形，與機(jī)架之間形成轉(zhuǎn)動(dòng)配合。

滑桿下端設(shè)有兩側(cè)板及頂板，兩側(cè)板安裝在頂板兩側(cè)形成容納腔。容納腔內(nèi)設(shè)有對(duì)卷狀板材端邊壓彎的錐形壓輥，其后方設(shè)有圓柱壓輥，錐形壓輥和圓柱壓輥連接在兩側(cè)板上。將兩壓輥設(shè)置在容納腔內(nèi)，以提高板材壓彎時(shí)的安全性、穩(wěn)定性。機(jī)架上端滑槽內(nèi)還設(shè)有第2滑桿，滑桿穿設(shè)在滑槽內(nèi)，滑桿下端設(shè)有呈水平設(shè)置的拍板。

滑桿下端設(shè)有高頻感應(yīng)加熱裝置，加熱口位于錐形壓輥的前側(cè)。加熱裝置可實(shí)現(xiàn)待加工區(qū)域的奧氏體化，以大幅降低其屈服強(qiáng)度，為折邊塑性變形柔性加工提供先決條件。低碳鋼、低合金鋼加熱溫度達(dá)600℃以上時(shí)，屈服強(qiáng)度可接近0MPa，如圖5所示。

圖5 低碳鋼屈服強(qiáng)度與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.1.2 限位裝置設(shè)計(jì)

機(jī)架下端設(shè)有可旋轉(zhuǎn)底盤(pán)，底盤(pán)上設(shè)有多個(gè)用于限制卷狀板材移動(dòng)的限位裝置。限位裝置包括滑板及開(kāi)設(shè)在底盤(pán)上的開(kāi)槽，滑板設(shè)置在開(kāi)槽內(nèi)，滑板上設(shè)有若干個(gè)限位擋塊，相鄰限位擋塊之間形成用于夾持板材的夾腔。此外，底盤(pán)上設(shè)有用于限制卷板移動(dòng)的鎖緊裝置。

1.1.3 實(shí)現(xiàn)精確控制

卷狀板材端部為不規(guī)則圓形，柔性壓縮過(guò)程中需要對(duì)壓輥運(yùn)行軌跡精度控制。利用外置三維掃描儀采集板材實(shí)際螺旋軌跡，控制系統(tǒng)按實(shí)際軌跡調(diào)整壓輥行程，精度可達(dá)0.01μm，可以實(shí)現(xiàn)板材邊緣折邊精加工。

1.1.4 人機(jī)交互

將三維掃描儀采集信息傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)采集信息，實(shí)時(shí)控制加工設(shè)備運(yùn)行軌跡，并按設(shè)定速度、壓力及拍擊頻率等命令運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)板邊緣智能折邊精加工。

1.2 裝備智能折邊工藝流程

1.2.1 工作機(jī)理

根據(jù)卷板規(guī)格、形狀，將其布置在適合的滑塊位置并鎖緊，以阻礙金屬板材滑動(dòng)。卷板隨旋轉(zhuǎn)底盤(pán)至第1滑桿下方，利用錐形壓輥粗壓、圓柱壓輥精壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)板材卷材端邊90°彎曲。

第1滑桿的上下移動(dòng)，可適應(yīng)不同高度的卷狀板材。第1滑桿與機(jī)架間的轉(zhuǎn)動(dòng)配合結(jié)構(gòu)，可保證壓輥根據(jù)需要調(diào)整移動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)同一批板材兩種彎曲方向。同時(shí)，可利用加熱裝置降低板材的強(qiáng)度(如奧氏體化)，利于板材端邊壓彎。

第2滑桿下端的拍板，可在機(jī)架上做上下移動(dòng)、水平移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)。利用拍板按壓，處理板材未能完全彎曲及彎曲回彈。

1.2.2 板材智能折邊工藝實(shí)施

三維掃描儀采集信息傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制壓輥運(yùn)行軌跡，并按輸入命令控制設(shè)備底盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。隨底盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，加熱裝置、粗壓、精壓、拍擊依次作用至卷板待加工區(qū)域，實(shí)現(xiàn)板邊緣智能折邊精加工。板材自動(dòng)折邊工作過(guò)程如圖3所示。

2 換熱器板材智能折邊設(shè)備設(shè)計(jì)

螺旋板式換熱器劃分為Ⅰ類(lèi)壓力容器，其強(qiáng)度計(jì)算包括幾何尺寸計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)[7]。根據(jù)換熱器焊接結(jié)構(gòu)形式及技術(shù)要求—JB/T4751-2003[8]，對(duì)卷狀板材折邊設(shè)備主要部件尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.1 智能折邊設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)螺旋板卷狀板材折邊技術(shù)要求及自動(dòng)折邊設(shè)備工作原理，設(shè)計(jì)了自動(dòng)折邊設(shè)備，如圖6所示。

1.限位滑塊 2.卷板 3.壓輥結(jié)構(gòu) 4.槽形框 5.滑桿下部 6.滑桿 7.壓輥上端部 8.橫梁 9.拍板 10.第2滑桿

2.2 主要零件設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 錐形壓輥設(shè)計(jì)

卷狀板材邊緣需要彎曲90°，折邊尺寸為3cm。螺旋板卷狀板材為Q345，板厚30mm，選取屈服強(qiáng)度為355MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

1)錐形壓輥受力分析。根據(jù)板材受力變形狀態(tài)及變形量，估算錐形壓輥徑向受力面積為15mm2，前進(jìn)方向受力面積為6mm2，如圖2(b)所示。

錐形壓輥所受徑向力Fr=355×15=5325N，錐形壓輥前進(jìn)方向受力Ft=355×6=2130N，錐形壓輥垂直面反力FR1=FR2=5325/2=2662.5N。圖7為錐形壓輥受力圖示意。

圖7 錐形壓輥受力圖

2)錐形壓輥垂直面彎矩圖。錐形壓輥?zhàn)畲髲澗豈X2=2662.514(壓輥長(zhǎng)度為28mm)=37275N·mm。圖8為錐形壓輥垂直面彎矩圖。

圖8 錐形壓輥垂直面彎矩圖示意

3)錐形壓輥轉(zhuǎn)矩圖。壓輥受轉(zhuǎn)矩T=Ft×12(壓輥中間截面半徑)=2130×12=25560N·mm。

選擇中碳調(diào)質(zhì)鋼，查表:[σ0b]=70[σ-16]=40

許用應(yīng)力T×α=25560×0.57=14569.2N·mm。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出了錐形壓輥的轉(zhuǎn)矩圖，如圖9所示。

4)錐形壓輥當(dāng)量彎矩圖。壓輥兩端面當(dāng)量QT=0.57×25560=14569.2N·mm。

壓輥中間截面當(dāng)量彎矩為

=40021N·mm

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出錐形壓輥的當(dāng)量彎矩圖如圖10所示。

圖9 錐形壓輥轉(zhuǎn)矩圖

圖10 錐形壓輥當(dāng)量彎矩圖

5)校核軸徑。

選取錐形壓輥中間截面直徑為24mm，大端直徑28mm，小端直徑20mm，壓輥直徑滿足強(qiáng)度要求。

2.2.2 電機(jī)功率計(jì)算

1)錐形壓輥電機(jī)功率計(jì)算。錐形壓輥徑向力Fr=5325N，液壓系統(tǒng)流量Q=15L/min。

液壓系統(tǒng)功率為

其中，Pe為電機(jī)計(jì)算功率；P1為電機(jī)壓力系統(tǒng)功率；η1為機(jī)械效率，選取η1=0.9。故錐形壓輥電機(jī)功率選擇2.2kW。

2)拍板電機(jī)功率計(jì)算。

拍平所需壓力N=355×40×3×0.25=8875N。

液壓系統(tǒng)流量Q=20L/min，查表得液壓系統(tǒng)效率為0.8。

液壓系統(tǒng)功率為

經(jīng)查表，計(jì)算機(jī)械效率η1=0.9,則

故拍板電機(jī)功率選擇2.2kW。

2.3 三維建模

使用(CATIA V5三維)設(shè)計(jì)軟件，對(duì)卷狀板材折邊智能加工設(shè)備各裝置進(jìn)行精確三維建模。利用(CATIA V5軟件中的)裝配功能，將各裝置進(jìn)行三維裝配，并編寫(xiě)零件清單。表1為主要零件清單。

表1 折邊設(shè)備主要零件清單

3 結(jié)論

目前，設(shè)備已開(kāi)始制作，投入生產(chǎn)后將實(shí)現(xiàn)糧食烘干等生產(chǎn)領(lǐng)域螺旋板式換熱器折邊智能加工取代手工生產(chǎn)，從而優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，大幅提高生產(chǎn)質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期。該裝備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 操作簡(jiǎn)易、方便, 具有較好的市場(chǎng)前景。

[1] 毛廣睿.換熱器的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)展[J].河南科技，2014(1):105-106.

[2] 張立輝.基于虛擬儀器的糧食干燥機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(9):163-164.

[3] 左丹.螺旋板式換熱器的進(jìn)展情況[J].硅谷,2011(9):27-27.

[4] 李永軍.可拆堵死型螺旋板式換熱器的制造技術(shù)[J].中國(guó)化工裝備,2014(3):19-23.

[5] 董金善.螺旋板換熱器密封端蓋結(jié)構(gòu)研究[J].食品與機(jī)械,2012(6):180-18.

[6] 張德強(qiáng).螺旋板換熱器外圈板的改進(jìn)[J].中國(guó)化工裝備,2014(2):37-40.

[7] 周顯雷.螺旋板式換熱器強(qiáng)度計(jì)算系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[J].中國(guó)化工裝備,2012(14):17-19.

[8] 國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).JB/T4751-2003螺旋板式換熱器[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.Abstract ID:1003-188X(2017)08-0133-EA

Research and Development on Grain Drying Tower Heat Exchanger Automatic Folding Equipment

Liu Junhua1, Liu Yuqi2, Jia Fuguo3, Pan Ming1, Sun Jianlun1， Xie Shuaitao1

(1.Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211100,China；2.NanJing Institute of Technology, Nanjing 211100, China；3.Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China)

This paper is in combination with the present situation of the application in spiral plate heat exchanger and the production of plate flanging, and analysis of its current disadvantages of production. For the technological requirements of sheet material folding,elaboratinggrain drying tower heat exchanger automatic folding equipment and analyzing its operating mechanism. According to the typical structural parameters, designing assembly drawing of the automatic folding equipment and calculating the parameter of main component,providing theoretical basis for automatic folding equipment production, so as to realize the heat exchanger sheet material folding automatic processing,solving the current problem of hand operating and improve the quality and precision of spiralheatexchanger.

grain drying tower; spiral plate heat exchanger; sheet material automatic folding; three-dimensional scanner acquisition; human-computer interaction

2016-07-03

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BADO6B02-2-3)

劉軍華(1968-)，男，哈爾濱人，高級(jí)工程師，副教授，工學(xué)碩士，(E-mail) hljljh2003@126.com。

潘 銘(1978-)，男，南京人，講師，(E-mail)352708804@qq.com。

S226.6

A

1003-188X(2017)08-0133-04