史為帥 董金善 李 川 劉林波 胡國(guó)呈

（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

因轉(zhuǎn)盤(pán)干燥機(jī)具有熱效率高、蒸發(fā)強(qiáng)度大及節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)［1］，被廣泛應(yīng)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［2］。轉(zhuǎn)盤(pán)干燥機(jī)的基本工作原理為：在干燥機(jī)身內(nèi)，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［3，4］，圓盤(pán)外側(cè)設(shè)置帶有傾角的耙葉，用于翻抄、攪拌物料［5］。

轉(zhuǎn)盤(pán)干燥機(jī)的核心部件為主軸上的轉(zhuǎn)子圓盤(pán)， 而受拉撐的圓盤(pán)與加筋的平蓋結(jié)構(gòu)類(lèi)似，大多學(xué)者對(duì)加筋平蓋進(jìn)行了研究：許留關(guān)和薛絳穎分析了加筋平蓋的應(yīng)力分布，得出了加強(qiáng)筋的存在使得平蓋上高應(yīng)力趨于平緩，設(shè)備整體力學(xué)性能顯著提高［6］；賀小華等應(yīng)用有限元方法分析了烘缸加筋平蓋結(jié)構(gòu)的受力［7］；馮永利等提出了以平行角鋼為加強(qiáng)筋的圓形平蓋應(yīng)力的理論計(jì)算方法［8］；譚志洪等通過(guò)理論分析與有限元計(jì)算結(jié)合，加強(qiáng)筋的存在有效降低了平蓋與筒體連接處由 于 剛 度 差 引 起 的 應(yīng) 力 集 中［9，10］；謝 志 剛 等 應(yīng) 用有限元分析軟件ANSYS對(duì)平蓋加筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，效果顯著［11，12］。

受拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)雖然與加筋平蓋類(lèi)似，但是由于圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的特殊性（錐角的存在）使得拉撐件只能沿著圓盤(pán)環(huán)向布置，而拉撐件徑向位置的合理設(shè)置，是圓盤(pán)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 為此， 筆者以單圈拉撐圓盤(pán)和兩圈拉撐圓盤(pán)為例，采用有限元法探討了拉撐件在不同徑向位置下對(duì)圓盤(pán)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響，同時(shí)考查圓盤(pán)錐角α（上下兩盤(pán)片內(nèi)壁面所形成的角度）和寬節(jié)比Lw/Lc（圓盤(pán)徑向?qū)挾萀w與拉撐件周向節(jié)距Lc之比）的影響，詳細(xì)分析單圈、兩圈拉撐圓盤(pán)拉撐件的最佳徑向位置，從而為轉(zhuǎn)子圓盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 單圈拉撐圓盤(pán)的拉撐件徑向適宜位置分析

1.1 單圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)模型結(jié)構(gòu)尺寸的確定

依據(jù)GB 150—2011《壓力容器》［13］中最大無(wú)拉撐區(qū)域計(jì)算盤(pán)片厚度的思路，內(nèi)壓一定時(shí)圓盤(pán)厚度由最大無(wú)拉撐區(qū)域決定。 當(dāng)單圈拉撐時(shí)，拉撐件應(yīng)盡可能處于圓盤(pán)徑向的中央使無(wú)拉撐區(qū)域盡可能減小， 為此選取L1/Lw分別為0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65這7個(gè)位置進(jìn)行詳細(xì)研究，同時(shí)考慮圓盤(pán)錐角α對(duì)最佳拉撐位置的影響，分別取α為8、12、16、20°這4個(gè)水平分析模型，盤(pán)片有效厚度T1=8mm，拉撐件厚度t=5mm，單圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

軸管D2×T2377mm×25mm

圓盤(pán)直徑D11 000mm

拉撐件d×t 32mm×5mm

拉撐件的周向節(jié)距Lc185mm

盤(pán)片有效厚度T18mm

1.2 單圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)位移變形分析

圖1給出圓盤(pán)錐角α=8°時(shí)， 不同拉撐位置下單圈拉撐圓盤(pán)典型拉撐截面（放大40倍）的位移變形， 圖中虛線部分為圓盤(pán)初始時(shí)的結(jié)構(gòu)形狀。由變形結(jié)果可以看出盤(pán)片被拉撐件分割為多個(gè)區(qū)域，各區(qū)域中心有明顯的“鼓脹”，對(duì)比7個(gè)位置的位移變形，隨著拉撐件位置L1遠(yuǎn)離中心軸管，盤(pán)片最大位移變形先減小后變大，相應(yīng)的最大位移點(diǎn)由拉撐件與外端焊縫之間逐步轉(zhuǎn)移至拉撐件與軸管所圍成區(qū)域之間，符合最大無(wú)拉撐區(qū)域大小的變換規(guī)律。

圖1 α=8°時(shí)不同拉撐位置下典型拉撐截面變形

圖2為不同拉撐位置下單圈拉撐圓盤(pán)最大位移變形值，虛線左側(cè)表示最大變形發(fā)生在拉撐件外側(cè)， 虛線右側(cè)表示最大變形發(fā)生在拉撐件內(nèi)側(cè)。 圖2表明，隨著拉撐位置L1/Lw逐步增大，最大變形逐漸減小，當(dāng)拉撐件位于圓盤(pán)正中央時(shí)變形最小；拉撐位置L1/Lw繼續(xù)增大，變形開(kāi)始增大，但此時(shí)增大的幅度要小于距圓盤(pán)中心相同距離靠近軸管時(shí)的衰減幅度， 隨著拉撐位置的改變，最大位移并未沿圓盤(pán)中央位置對(duì)稱(chēng)分布，L1/Lw=0.60時(shí)的最大變形比L1/Lw=0.45時(shí)的最大變形還要小；同時(shí)，當(dāng)拉撐位置L1/Lw≥0.60時(shí)，“鼓脹”相連在一起，變形區(qū)域相互連成一片，各個(gè)區(qū)域最大變形幾近相同，此時(shí)拉撐件的設(shè)置未能顯著抑制圓盤(pán)的變形， 整個(gè)圓盤(pán)形成了一整圈等大的最大變形。 對(duì)比不同圓盤(pán)錐角下不同拉撐位置的單圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)最大變形，可以發(fā)現(xiàn)錐角對(duì)最大變形的影響僅在L1/Lw≥0.55與L1/Lw≤0.40時(shí)才逐步顯現(xiàn)，圓盤(pán)最大變形隨著圓盤(pán)錐角的增大而略微減小。

圖2 不同拉撐位置下單圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)最大位移變形

1.3 不同錐角α下單圈拉撐圓盤(pán)應(yīng)力分析

由于轉(zhuǎn)子圓盤(pán)最大應(yīng)力點(diǎn)均出現(xiàn)在盤(pán)片與拉撐件的拉撐截面處， 依據(jù)JB/T 4732—1995（R2005）《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［14］中應(yīng)力分類(lèi)方法，提取拉撐截面處的局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SII和一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度SIV， 圖3為不同圓盤(pán)錐角α下單圈拉撐圓盤(pán)應(yīng)力隨不同拉撐位置的變化規(guī)律。

圖3 不同拉撐位置下單圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)應(yīng)力分布規(guī)律

圖中拉撐截面的局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SII和一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度SIV隨拉撐位置的增大先減小后增大，在L1/Lw=0.50附近達(dá)到最小值，并且關(guān)于L1/Lw=0.50幾乎呈對(duì)稱(chēng)分布，表明拉撐件位于圓盤(pán)中央時(shí)圓盤(pán)受力最佳。 且不同錐角下的圓盤(pán)應(yīng)力變化規(guī)律一致， 表明錐角對(duì)拉撐位置無(wú)明顯影響。

結(jié)合拉撐截面SII、SIV和不同拉撐位置下單圈拉撐圓盤(pán)位移變形圖，可以發(fā)現(xiàn)外端的拉撐作用要弱于盤(pán)片與軸管端的拉撐作用。

1.4 寬節(jié)比Lw/Lc對(duì)單圈拉撐圓盤(pán)拉撐件位置的影響

雖然不同拉撐位置下直徑為1 000mm的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)最佳拉撐位置在L1/Lw=0.50，但詳細(xì)應(yīng)力分析表明盤(pán)片內(nèi)側(cè)的拉撐作用要強(qiáng)于外端的拉撐作用，當(dāng)圓盤(pán)直徑增大時(shí)，這種拉撐作用的差距可能更加明顯的表現(xiàn)出來(lái)，為了確定單圈拉撐圓盤(pán)拉撐件的最佳位置，考慮不同寬節(jié)比Lw/Lc對(duì)于圓盤(pán)單圈拉撐位置設(shè)置的影響，圓盤(pán)分析模型參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 不同寬節(jié)比Lw/Lc轉(zhuǎn)子圓盤(pán)分析模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

由上節(jié)圓盤(pán)應(yīng)力分析可知， 圓盤(pán)錐角α對(duì)于各部位應(yīng)力隨拉撐位置L1改變的變化趨勢(shì)基本沒(méi)有影響，隨著盤(pán)片直徑的增大，錐角變化范圍有限，選擇圓盤(pán)錐角α=12°的分析模型，在保證拉撐件周向間距Lc=185mm不變前提下，取圓盤(pán)直徑D1分別為1 000、1 150、1 250、1 300、1 450mm的5種模型進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖4為不同寬節(jié)比Lw/Lc下盤(pán)片拉撐截面應(yīng)力變化趨勢(shì)。 隨著Lw/Lc增大，使得圓盤(pán)的無(wú)拉撐區(qū)域增大，拉撐截面的應(yīng)力相應(yīng)增大。 當(dāng)拉撐位置為L(zhǎng)1/Lw=0.35時(shí)，應(yīng)力均保持在各拉撐位置的最高水平，屬于最劣拉撐位置；隨著寬節(jié)比Lw/Lc增大，L1/Lw=0.40大于L1/Lw=0.65時(shí)的應(yīng)力水平， 其增大趨勢(shì)要大于相應(yīng)的外側(cè)拉撐部位，證實(shí)了外側(cè)的拉撐強(qiáng)度要弱于內(nèi)側(cè)。

考慮最佳拉撐位置，以應(yīng)力相對(duì)較小的L1/Lw分別為0.50、0.55、0.60為具體討論對(duì)象，當(dāng)寬節(jié)比Lw/Lc＜2.40時(shí)，L1/Lw=0.50時(shí)的應(yīng)力要小于其他兩者， 此時(shí)最佳拉撐位置在L1/Lw=0.50處； 當(dāng)Lw/Lc＞2.40后， 隨著寬節(jié)比增大，L1/Lw=0.50時(shí)應(yīng)力增大幅度變大， 且L1/Lw=0.50的應(yīng)力曲線開(kāi)始與L1/Lw=0.55交匯，由此可以看出，對(duì)于Lw/Lc＞2.40的單圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，圓盤(pán)內(nèi)外側(cè)拉撐強(qiáng)度的差異將更加明顯， 其最佳拉撐位置將逐步向外側(cè)轉(zhuǎn)移，由最初的沿徑向均布變?yōu)長(zhǎng)1/Lw=0.55處。

1.5 單圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)徑向拉撐適宜位置

圖4 α=12°時(shí)不同寬節(jié)比Lw/Lc下轉(zhuǎn)子圓盤(pán)應(yīng)力

通過(guò)有限元計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)圓盤(pán)錐角對(duì)拉撐位置的設(shè)置沒(méi)什么影響；而寬節(jié)比對(duì)最佳拉撐位置影響顯著，當(dāng)寬節(jié)比Lw/Lc＜2.40時(shí)，拉撐件徑向適宜位置為L(zhǎng)1/Lw=0.50；當(dāng)Lw/Lc＞2.40時(shí)，由于盤(pán)片內(nèi)外側(cè)拉撐強(qiáng)度的差異，外側(cè)的拉撐強(qiáng)度弱于內(nèi)側(cè)，此時(shí)徑向拉撐適宜位置為L(zhǎng)1/Lw=0.55。

2 兩圈拉撐圓盤(pán)的拉撐件徑向適宜位置分析

考慮到單圈拉撐圓盤(pán)分析結(jié)果，內(nèi)側(cè)拉撐強(qiáng)度大于外側(cè)，拉撐件沿圓盤(pán)徑向均布時(shí)，外圈拉撐件和拉撐截面應(yīng)力將大于內(nèi)側(cè)相應(yīng)的應(yīng)力，為此參照單圈拉撐分析方法，取內(nèi)圈位置4水平、外圈位置5水平：L1/Lw=0.28、L1/Lw=0.33、L1/Lw=0.38、L1/Lw=0.43，L2/Lw=0.57、L2/Lw=0.62、L2/Lw=0.67、L2/Lw=0.72、L2/Lw=0.77，參照上節(jié)中寬節(jié)比對(duì)拉撐位置影響，等比例放大到兩圈拉撐，取相應(yīng)的4個(gè)寬節(jié)比Lw/Lc=2.92、Lw/Lc=3.22、Lw/Lc=3.73、Lw/Lc=4.14結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 兩圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)位移變形分析

通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果可知，不同寬節(jié)比下最大位移隨內(nèi)圈、外圈拉撐位置變化的規(guī)律大抵相同，圖5為寬節(jié)比Lw/Lc=2.92時(shí)4種典型拉撐位置下拉撐截面的變形。 圖中L1/Lw=0.33、L2/Lw=0.67與L1/Lw=0.38、L2/Lw=0.72時(shí)的最大變形相近，只是前者最大位移出現(xiàn)在兩圈拉撐件之間，后者出現(xiàn)在內(nèi)圈拉撐件與軸管之間。

圖5 Lw/Lc=2.92時(shí)典型拉撐截面變形

圖6為寬節(jié)比Lw/Lc=2.92時(shí)最大位移隨內(nèi)、外圈位置變化的趨勢(shì)，當(dāng)內(nèi)圈位置L1/Lw=0.28、外圈位置L2/Lw=0.62時(shí)位移最小， 其他最小位移的內(nèi)、外圈拉撐位置分別為L(zhǎng)1/Lw=0.33、L2/Lw=0.67；L1/Lw=0.38、L2/Lw=0.72；L1/Lw=0.43、L2/Lw=0.77，結(jié)合計(jì)算結(jié)果，若以最小位移變形為目標(biāo)設(shè)置兩圈拉撐件時(shí)，L1/Lw=0.33、L2/Lw=0.67與L1/Lw=0.38、L2/Lw=0.72處于同一水平，應(yīng)該具體視應(yīng)力水平變化趨勢(shì)再做決定。

圖6 Lw/Lc=2.92時(shí)不同拉撐位置下轉(zhuǎn)子圓盤(pán)最大位移

2.2 兩圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)應(yīng)力分析

圖7～9給出了不同寬節(jié)比下拉撐截面應(yīng)力隨拉撐位置的變化規(guī)律。 由圖中可以看出，各應(yīng)力曲線的變化規(guī)律沒(méi)有太大的差異。 內(nèi)圈拉撐位置L1/Lw=0.28、L1/Lw=0.33、L1/Lw=0.38下應(yīng)力隨著外圈拉撐位置的增大均呈先下降后上升的趨勢(shì)， 對(duì)應(yīng)的“谷點(diǎn)”位置大概在L2/Lw=0.63、L2/Lw=0.67、L2/Lw=0.70附近；單圈拉撐圓盤(pán)適宜位置研究表明，內(nèi)圈側(cè)的拉撐差異會(huì)隨著寬節(jié)比增大而逐步顯現(xiàn)，對(duì)于兩圈而言，此種拉撐差異也同樣存在：當(dāng)寬節(jié)比Lw/Lc＞3.73后，L1/Lw=0.38時(shí)的應(yīng)力曲線將逐漸拉開(kāi)與L1/Lw=0.33時(shí)的距離， 此時(shí)最佳受力布置已不再是L1/Lw=0.33、L2/Lw=0.67， 而是兩圈拉撐件整體向外側(cè)偏移至L1/Lw=0.38、L2/Lw=0.70位置處。

2.3 兩圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)徑向適宜位置

在兩圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)結(jié)構(gòu)中，盡管徑向均布拉撐件時(shí)最大位移最小，但這種情況并不是絕對(duì)意義上的最優(yōu)，只是略微小于其他布置位置時(shí)的最大位移，數(shù)值上與L1/Lw=0.38時(shí)最小位移較為相近；內(nèi)外側(cè)拉撐和拉撐件拉撐作用的差異在小直徑圓盤(pán)中展現(xiàn)的并不明顯，故此時(shí)不必細(xì)究拉撐強(qiáng)度的差異，但隨著寬節(jié)比增大，最佳拉撐位置將向外側(cè)靠攏， 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮拉撐強(qiáng)弱的差異。對(duì)于小寬節(jié)比的圓盤(pán)拉撐件均布即可，對(duì)于大寬節(jié)比的圓盤(pán)適宜拉撐位置設(shè)置在L1/Lw=0.38、L2/Lw=0.70處。

圖7 Lw/Lc=2.92時(shí)不同拉撐位置下轉(zhuǎn)子圓盤(pán)應(yīng)力

圖8 Lw/Lc=3.73時(shí)不同拉撐位置下轉(zhuǎn)子圓盤(pán)應(yīng)力

圖9 Lw/Lc=4.14時(shí)不同拉撐位置下轉(zhuǎn)子圓盤(pán)應(yīng)力

3 結(jié)論

3.1 由于轉(zhuǎn)子圓盤(pán)腔體高度沿徑向逐漸減小，且內(nèi)外側(cè)拉撐強(qiáng)度有差異， 使得外端拉撐強(qiáng)度小于軸管側(cè)對(duì)盤(pán)片的拉撐強(qiáng)度； 在圓盤(pán)所能達(dá)到的錐角變化范圍內(nèi)，錐角對(duì)最佳拉撐位置基本無(wú)影響。

3.2 在單圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)結(jié)構(gòu)中，對(duì)于寬節(jié)比Lw/Lc＜2.40的小尺寸圓盤(pán)， 可以不用考慮拉撐差異導(dǎo)致最佳拉撐位置的偏移， 此時(shí)徑向拉撐最佳位置為L(zhǎng)1/Lw=0.50；對(duì)于寬節(jié)比Lw/Lc＞2.40的大尺寸圓盤(pán)，由于盤(pán)片內(nèi)外側(cè)拉撐的差異，外側(cè)的拉撐強(qiáng)度弱于內(nèi)側(cè)，所以徑向拉撐最佳位置為L(zhǎng)1/Lw=0.55。

3.3 兩圈拉撐轉(zhuǎn)子圓盤(pán)結(jié)構(gòu)中， 當(dāng)寬節(jié)比Lw/Lc＜3.73時(shí)，內(nèi)外側(cè)拉撐作用的差異并不明顯，此時(shí)徑向拉撐最佳位置在L1/Lw=0.33，L2/Lw=0.67處；隨著寬節(jié)比增大，當(dāng)Lw/Lc＞3.73，最佳拉撐位置將向外側(cè)靠攏，設(shè)計(jì)時(shí)因考慮到拉撐強(qiáng)弱的差異，此時(shí)徑向拉撐最佳位置在L1/Lw=0.38、L2/Lw=0.70處。