翟廷科 張勇軍 張文良 李 飛

SKLNA系列逆流式冷卻器排料裝置優(yōu)化分析

翟廷科 張勇軍 張文良 李 飛

SKLNA系列逆流式冷卻器排料裝置的工作性能會(huì)直接影響冷卻器的整體工作性能。文章針對(duì)冷卻器排料裝置的性能提升進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析。首先將排料裝置的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以確定有限元方法是否可行；其次在滿載荷的情況下，采用有限元分析方法對(duì)冷卻器排料裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并提出優(yōu)化方案。

冷卻器；有限元；應(yīng)力；應(yīng)變

冷卻器是顆粒飼料加工工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，其質(zhì)量好壞直接影響到顆粒飼料的質(zhì)量。目前市場(chǎng)上冷卻器的種類大致分為臥式冷卻器、立式冷卻器、圓筒式冷卻器及逆流冷卻器，其中逆流冷卻器以外形簡(jiǎn)潔美觀、單位產(chǎn)量的空氣消耗量低、采用先進(jìn)的逆流原理等優(yōu)點(diǎn)深得客戶的喜愛。SKLNA系列逆流式冷卻器是某集團(tuán)改進(jìn)型的逆流冷卻器，在繼承了所有逆流式冷卻器的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，該新型冷卻器采用更加合理的灑料裝置和排料裝置，使得冷卻器在降低破碎率、冷卻效果及結(jié)構(gòu)壽命都得到很大的提高。

SKLNA系列逆流式冷卻器雖然在性能上得到很大提升，與同行業(yè)相同類型冷卻器相比有很大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但是該型號(hào)冷卻器還是有很大的提升空間。本文將重點(diǎn)針對(duì)該冷卻器的排料裝置進(jìn)行優(yōu)化分析，首先對(duì)該系列逆流冷卻器的排料裝置施加測(cè)試載荷，并將該情況下的應(yīng)力和應(yīng)變測(cè)試的結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比；然后在滿載荷的情況下，采用有限元軟件ANSYS對(duì)排料裝置進(jìn)行有限元分析，實(shí)現(xiàn)該型號(hào)冷卻器排料裝置的最優(yōu)配置。

1 逆流式冷卻器的排料原理

排料裝置是逆流式冷卻器的關(guān)鍵部件，主要包括減壓板、流量調(diào)節(jié)柵板、排料柵板等。該型號(hào)冷卻器增設(shè)的減壓板結(jié)構(gòu)與支座相連，分擔(dān)了物料對(duì)于排料柵欄的正壓力，解決了由此引起的柵欄變形問題；相對(duì)于傳統(tǒng)的逆流式冷卻器其動(dòng)力消耗更小，通風(fēng)面積更大，具有更優(yōu)越的冷卻效果。流量調(diào)節(jié)柵板通過改變其與排料柵板的相對(duì)位置對(duì)排料流量進(jìn)行調(diào)節(jié)；排料柵欄是冷卻器的重要功能部件，由牽引塊、柵條、橫邊、滾動(dòng)軸承等部分組成，可以在傳動(dòng)裝置的牽引下在底座導(dǎo)軌上做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行卸料。具體工作原理如圖1所示。

圖1 排料裝置

2 排料裝置實(shí)驗(yàn)與有限元分析結(jié)果對(duì)比

為使分析結(jié)果更具有說服力，首先在冷卻器排料裝置上施加一定的載荷，然后與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，觀察二者誤差是否在允許范圍內(nèi)。

2.1 應(yīng)力、應(yīng)變測(cè)試

由圖1可知，逆流式冷卻器的排料裝置分為三層，第一層為減壓柵板，第二層為調(diào)節(jié)柵板，第三層為排料柵板。減壓柵板的作用主要用于承受正壓力，故對(duì)第一層進(jìn)行滿載時(shí)的應(yīng)力測(cè)試；而第二層和第三層真正的作用是排料，對(duì)它們影響最大的因素是應(yīng)變，如果二者應(yīng)變尺寸過大就會(huì)導(dǎo)致大量的物料殘留，從而影響排料器的整體性能，所以對(duì)第二層和第三層?xùn)虐逶谶M(jìn)行應(yīng)力測(cè)試的同時(shí)進(jìn)行位移測(cè)試。

在排料裝置上設(shè)置6個(gè)位置對(duì)稱的測(cè)試點(diǎn)，通過6次加載，所加載荷共計(jì)3.51×104N。各層?xùn)虐迳蠝y(cè)試點(diǎn)的分布如圖2所示。

圖2 各層?xùn)虐鍦y(cè)試點(diǎn)分布

各測(cè)試點(diǎn)的具體應(yīng)力測(cè)試結(jié)果就不再詳細(xì)表述，各層?xùn)虐迳蟽蓚€(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均應(yīng)力如表1所示。

表1 各層?xùn)虐鍦y(cè)點(diǎn)的平均應(yīng)力

在對(duì)施加3.51×104N載荷的情況下，調(diào)節(jié)流量柵板和排料柵板的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 柵板的應(yīng)變值（mm）

2.2 有限元分析

在測(cè)試載荷作用下，通過對(duì)三層?xùn)虐迨┘硬煌峙漭d荷進(jìn)行有限元計(jì)算，并將其應(yīng)力、應(yīng)變與測(cè)試結(jié)果相比較。本文采用實(shí)體單元SOLID45建模，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，各層載荷分布比例分別為50%、15%、35%。應(yīng)力分析結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 第一層測(cè)點(diǎn)應(yīng)力（30.1 MPa）

圖4 第二層測(cè)點(diǎn)應(yīng)力（5.37 MPa）

圖5 第三層測(cè)點(diǎn)應(yīng)力（10.2 MPa）

第二層和第三層?xùn)虐宓膽?yīng)變分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 第二層測(cè)點(diǎn)變形

圖7 第三層測(cè)點(diǎn)變形

觀察上圖可知各層?xùn)虐宓臏y(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力及應(yīng)變的數(shù)值，將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表3、表4所示。

表3 各層測(cè)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比（MPa）

表4 各層測(cè)點(diǎn)應(yīng)變對(duì)比（mm）

由表3、表4可知，經(jīng)過比較可以看出，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的有限元分析結(jié)果與測(cè)試結(jié)果接近，誤差滿足要求；兩者變形相差0.3 mm，主要由于測(cè)試時(shí)，第一次加載結(jié)束后百分表掉落，應(yīng)變測(cè)試結(jié)果較實(shí)際值應(yīng)偏小。通過比較可認(rèn)為有限元分析模型與實(shí)際工況下模型相同，對(duì)此模型進(jìn)一步按滿載計(jì)算其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形。

3 滿載荷有限元分析

分析方法與上述相同，該型號(hào)冷卻器滿載承重為5 t，即所加載荷總量為4.9×104N。經(jīng)過分析計(jì)算，查看后處理得出滿載時(shí)排料裝置的整體應(yīng)力和應(yīng)變，如圖8～圖12所示。

圖8 第一層整體應(yīng)力

圖9 第二層整體應(yīng)力

圖10 第三層整體應(yīng)力

圖11 第二層整體應(yīng)變

圖12 第三層整體應(yīng)變

由上圖可知，在滿載荷情況下，通過有限元分析可以得出該型號(hào)冷卻器的排料裝置各層?xùn)虐宓膽?yīng)力分布及應(yīng)變分布狀況。有限元分析的最大應(yīng)力及最大應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表5 滿載荷有限元分析結(jié)果

4 分析與結(jié)論

4.1 該型號(hào)冷卻器的用材為碳鋼，其許用應(yīng)力一般在185～235 MPa。結(jié)合上述圖表可知，各層?xùn)虐寰艿綉?yīng)力集中的影響，如果排除此因素的影響，該型號(hào)冷卻器結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力較小，滿足強(qiáng)度要求，并且強(qiáng)度富裕量較大，存在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間。

4.2 結(jié)合上述整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖可知，由于存在應(yīng)力集中，在筋板與槽鋼、筋板與斜板等連接處的應(yīng)力較大，特別是第三層的最大應(yīng)力已經(jīng)超過碳鋼的許用應(yīng)力，應(yīng)考慮對(duì)此處進(jìn)行加強(qiáng)。

4.3 結(jié)合上述整體結(jié)構(gòu)應(yīng)變圖可知，第二層與第三層的應(yīng)變量之差為1.5 mm，有可能會(huì)導(dǎo)致排料裝置產(chǎn)生積料，故對(duì)于應(yīng)變匹配問題需要進(jìn)一步優(yōu)化。

總之相對(duì)其它類型的冷卻器而言，SKLNA系列逆流式冷卻器的整體性能還是比較優(yōu)越的。本文通過對(duì)SKLNA系列逆流式冷卻器的排料裝置的優(yōu)化分析，進(jìn)一步對(duì)該型冷卻器進(jìn)行性能提升，同時(shí)為解決此類問題提供一套更加成熟的分析方法。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果的對(duì)比可知，有限元分析方法對(duì)于設(shè)備的性能提升提供了一條捷徑。

S817.12

A

1001-991X（2011）09-0001-03

翟廷科，江蘇牧羊集團(tuán)研發(fā)中心，應(yīng)用工程師，225127，江蘇省揚(yáng)州市邗江區(qū)牧羊路1號(hào)。

張勇軍、張文良、李飛，單位及通訊地址同第一作者。

2010-12-19

（編輯：崔成德，cuicengde@tom.com）