谷曉嬌，陳長(zhǎng)征，谷艷玲，陸　鶴

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

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袋式脈沖除塵器氣箱花板結(jié)構(gòu)特性*

谷曉嬌，陳長(zhǎng)征，谷艷玲，陸鶴

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870)

為了提高袋式除塵器使用性能，消除除塵器花板在結(jié)構(gòu)選擇方面的盲目性，基于有限元分析軟件ANSYS研究了方形陣列和三角形陣列兩種形式花板上的位移分布與應(yīng)力分布情況.結(jié)果表明，在變形量方面，兩種結(jié)構(gòu)的分布形式相同，但三角形陣列的變形量更??；在等效應(yīng)力方面，三角形陣列所受最大應(yīng)力比方形陣列小，但絕大多數(shù)區(qū)域方形陣列的等效應(yīng)力更小.與方形陣列相比，三角形陣列不僅滿(mǎn)足了除塵器的設(shè)計(jì)需要，而且減少了鋼材的消耗，占地面積也更小，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益.

袋式除塵器；花板；方形陣列；三角形陣列；有限元；數(shù)值模擬；位移分布；應(yīng)力分布

目前人類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)飛速發(fā)展，有害顆粒物的排出數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了環(huán)境的凈化能力，對(duì)生活環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的影響，平衡產(chǎn)業(yè)活動(dòng)和環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系已經(jīng)成為了一個(gè)社會(huì)問(wèn)題[1].為了防止工業(yè)生產(chǎn)對(duì)大氣環(huán)境造成污染，我國(guó)制定了工業(yè)煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)，一般工業(yè)廢氣在排放前需要經(jīng)過(guò)除塵設(shè)備的處理才能排放到大氣中.袋式脈沖除塵器是應(yīng)用最廣的除塵設(shè)備之一，它以濾布為過(guò)濾材料來(lái)達(dá)到分離有害物質(zhì)的目的，具有處理風(fēng)量大、占地面積小、凈化效率高、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維修量小等特點(diǎn)[2].

與國(guó)外設(shè)計(jì)水平相比，我國(guó)在除塵器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面仍有一定差距，其中花板是袋式除塵器的一個(gè)重要組成部分，也是核心技術(shù)之一.確定花板孔間距是除塵器設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，它與濾袋的長(zhǎng)度、直徑、過(guò)濾速度及粉塵特性等因素有關(guān)[3].如果孔間距設(shè)置得太近，不僅會(huì)導(dǎo)致花板的局部負(fù)荷不足，也會(huì)造成濾袋間的碰撞磨擦，減少濾袋的使用壽命.但如果孔間距太大則會(huì)增加設(shè)備的尺寸和生產(chǎn)成本，影響設(shè)備的運(yùn)輸、安裝且造成材料的浪費(fèi)[4].根據(jù)濾袋的布置方式，花板有方形陣列和三角形陣列兩種結(jié)構(gòu)，但目前在選擇上存在一定的盲目性.本文采用有限元法分析研究工作狀態(tài)下不同陣列方式的花板受力及變形情況，對(duì)花板結(jié)構(gòu)形式的正確選擇具有重要意義.

1　除塵器花板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1負(fù)荷確定

本文以某玻璃爐窯廠工況為例，首先現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)其粉塵排放情況，經(jīng)過(guò)環(huán)保人員測(cè)量得到煙氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1　煙氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

負(fù)荷往往根據(jù)濾料及含塵氣體的濃度確定，通常用q表示[5].由表1可知?dú)怏w濃度小于4 g/m3，此時(shí)負(fù)荷的范圍為10～45 m3/(h·m2).煙氣溫度在200℃以上，屬于高溫?zé)煔夥秶?，濾袋材料選用耐高溫針刺過(guò)濾氈，這種濾料的負(fù)荷范圍在10～20 m3/(h·m2)之間，采用華羅庚優(yōu)選法選取負(fù)荷值為20 m3/(h·m2).

1.2濾袋分布

根據(jù)表1的相關(guān)數(shù)據(jù)確定所需過(guò)濾面積為

(1)

式中：F為濾袋過(guò)濾面積；q為負(fù)荷；Q為含塵氣體流量.

為了檢修和更換便利，所采用的濾袋均為同一規(guī)格，即直徑和長(zhǎng)度統(tǒng)一.濾袋的直徑一般在100～600 mm之間，常用的濾袋直徑范圍在200～300 mm之間[6].耐高溫針刺過(guò)濾氈的濾布規(guī)格選用直徑為200 mm的濾袋，濾袋的長(zhǎng)度與除塵效率和壓力損失無(wú)關(guān)，根據(jù)實(shí)際空間要求選擇即可.由玻璃爐窯廠的實(shí)際工況確定濾袋長(zhǎng)度為2.5 m，故所需的濾袋數(shù)量為

(2)

式中：D為濾袋直徑；L為濾袋長(zhǎng)度.n的計(jì)算值為955.414 3，故取濾袋個(gè)數(shù)1 000，擬布置在10個(gè)除塵器中.濾袋的中心距一般是濾袋直徑的1.2～1.3倍，本工況濾袋長(zhǎng)度適中，中心距選用1.2倍，即單個(gè)除塵器中的濾袋數(shù)量為100，濾袋中心距為250 mm.

2　除塵器花板結(jié)構(gòu)建模

花板材料選用Q235，密度是7.8×103kg/m3，泊松比為0.28，彈性模量為210 GPa，抗拉強(qiáng)度450 MPa，厚度為6 mm，濾袋袋口直徑200 mm，布袋之間的中心距為250 mm，脈沖噴吹壓力為0.3 MPa.除塵器花板結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，根據(jù)工況的特殊要求，花板配有濾袋、濾袋骨架及文氏管等其他結(jié)構(gòu)[7]，但它們不承受載荷，因此要簡(jiǎn)化處理.在濾袋袋口的陣列形式上有方形陣列和三角形陣列兩種，為了獲得更為合理的花板結(jié)構(gòu)，對(duì)兩種陣列方式分別建模做進(jìn)一步的分析研究，簡(jiǎn)化后的幾何圖形結(jié)構(gòu)如圖1所示(單位：mm).

圖1　花板的幾何結(jié)構(gòu)

由于板上有很多小孔且孔口處還配有文氏管，結(jié)構(gòu)荷載情況相對(duì)比較復(fù)雜，所以采用二次四面體單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分[8].網(wǎng)格劃分后的幾何模型如圖2所示，正方形排布和三角形排布兩種板形的有限元模型質(zhì)量、節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格數(shù)如表2所示.

圖2　網(wǎng)絡(luò)劃分后幾何模型

類(lèi)型質(zhì)量/kg節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格數(shù)方形陣列61.434134865265三角形陣列48.744123404697

3　載荷和約束分析

濾板固定于上箱體和下箱體之間，當(dāng)除塵器處于工作狀態(tài)時(shí)，所承受的載荷包括袋籠的重力、袋子和它粘附顆粒的重力、除塵器作業(yè)過(guò)程形成的負(fù)壓以及濾板的重力.單個(gè)袋籠的重量為12 N，濾袋材料選用耐高溫針刺過(guò)濾氈，單個(gè)濾袋重量為30.5 N，粘附顆粒物的重量約為5 000 N，花板方形排布重量為614.34 N，三角形排布重量為487.44 N.除塵器處于脈沖噴吹狀態(tài)時(shí)，除了受到與工作狀態(tài)相同的載荷外還要受脈沖噴吹壓力的影響，此時(shí)花板所承受的載荷最大，故對(duì)處于該狀態(tài)下的花板進(jìn)行受力分析，花板受荷載情況如表3所示.

4　靜態(tài)有限元分析

袋式除塵器在脈沖噴吹狀態(tài)下花板所承受的載荷最大，故噴吹狀態(tài)下的花板滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求至關(guān)重要[9].目前，花板位移變形量和所受應(yīng)力是花板設(shè)計(jì)中的兩個(gè)重要參量，分別分析方形陣列及三角形陣列對(duì)這兩個(gè)參量的影響.

表3　花板噴吹載荷

4.1位移有限元分析

經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算得到了方形排布和三角形排布的變形量如圖3所示，花板的最大位移變形量如表4所示.從圖3和表4可以看出，除塵器方形陣列花板的最大位移量是1.987 mm，三角形花板陣列的最大位移量是1.492 mm.在除塵器工作狀態(tài)下，要求花板的最大變形量要小于花板長(zhǎng)度的0.2%，因此兩種陣列均符合設(shè)計(jì)要求.

在方形陣列中，花板位移變形量具體分布如下：有4個(gè)布袋袋口位移變形量在1.766～1.987 mm之間；有8個(gè)布袋袋口位移變形量在1.545～1.766 mm之間；有4個(gè)布袋袋口位移變形量在1.325～1.545 mm之間；有8個(gè)布袋袋口位移變形量在1.104～1.325 mm之間；有8個(gè)布袋袋口位移變形量在0.883～1.104 mm之間；有16個(gè)布袋袋口位移變形量在0.662～0.883 mm之間；有16個(gè)布袋袋口位移變形量在0.442～0.662 mm之間；有4個(gè)布袋袋口位移變形量在0.221～0.442 mm之間；有36個(gè)布袋袋口位移變形量在0～0.221 mm之間.在三角形陣列中，花板位移變形量具體分布如下：有4個(gè)布袋袋口位移變形量在1.326～1.492 mm之間；有8個(gè)布袋袋口位移變形量在1.160～1.326 mm之間；有4個(gè)布袋袋口位移變形量在0.995～1.160 mm之間；有8個(gè)布袋袋口位移變形量在0.829～0.995 mm之間；有8個(gè)布袋袋口位移變形量在0.663～0.829 mm之間；有16個(gè)布袋袋口位移變形量在0.497～0.663 mm之間；有16個(gè)布袋袋口位移變形量在0.332～0.497 mm之間；有4個(gè)布袋袋口位移變形量在0.166～0.332 mm之間；有36個(gè)布袋袋口位移變形量在0～0.166 mm之間.

圖3　花板變形量分布

類(lèi)型節(jié)點(diǎn)最大位移量mm允許變形量mm方形陣列 8101.9873.184三角形陣列61221.4922.984

由于脈沖噴吹壓力延軸向作用于花板的板面上，在相同的負(fù)載和約束情況下，兩種陣列方式花板的位移變形量分布情況基本相似.兩種陣列均是中間位移量最大，其中約有4%的布袋袋口處于最大位移處，位移量由大到小發(fā)散式向外圍分布，花板最外圍一周部分的變形量最小，且此部分所占面積最大，約有近40%的布袋袋口分布于這一區(qū)域內(nèi).但在位移量上，三角形陣列更具優(yōu)勢(shì)，在相對(duì)應(yīng)的位置上，方形陣列的變形量是三角形陣列的1.3～1.5倍.相同材質(zhì)和工作條件下，三角形陣列的方式更有利于分散位移，安全系數(shù)更高.

4.2應(yīng)力有限元分析

經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算得到方形排布和三角形排布的應(yīng)力分布如圖4所示，花板所承受的最大應(yīng)力如表5所示.從圖4和表5可以看出，方形陣列花板的最大當(dāng)量壓力為303 MPa，三角形陣列花板的最大當(dāng)量壓力為237 MPa.它們的最大等效壓力小于濾板材料壓力要求，因此符合設(shè)計(jì)要求.

圖4　花板應(yīng)力分布

類(lèi)型節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力MPa應(yīng)力極限MPa方形陣列4021303320三角形陣列11651237320

在方形陣列中，花板所受應(yīng)力情況具體分布如下：有極少的布袋袋口所受等效應(yīng)力在270～303 MPa之間；有2個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在236～270 MPa之間；有4個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在202～236 MPa之間；有4個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在169～202 MPa之間；有6個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在135～169 MPa之間；有24個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在101～135 MPa之間；有20個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在67.4～101 MPa之間；有8個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在33.7～67.4 MPa之間；有32個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在0～33.7 MPa之間.在三角形陣列中，花板所受應(yīng)力情況具體分布如下：有極少的濾袋口局部區(qū)域所受等效應(yīng)力在211～237 MPa之間；有2個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在185～211 MPa之間；有4個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在158～185 MPa之間；有4個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在132～158 MPa之間；有6個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在105～132 MPa之間；有34個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在79.1～105 MPa之間；有40個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在52.7～79.1 MPa之間；有7個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在26.4～52.7 MPa之間；有3個(gè)布袋袋口所受等效應(yīng)力在0～26.4 MPa之間.

在相同的負(fù)載和約束情況下，方形陣列花板大部分區(qū)域的等效應(yīng)力在18.1～61.4 MPa之間，采用三角形陣列花板大部分區(qū)域的等效應(yīng)力在52.7～105 MPa之間.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于三角形陣列方式起到了平衡內(nèi)應(yīng)力的作用，使最大應(yīng)力較小，故三角形排布花板的最大等效應(yīng)力僅為正方形排布的四分之三.方形陣列的受力面積較大，故在絕大部分區(qū)域方形陣列的等效應(yīng)力要比三角形陣列小.從最大應(yīng)力考慮三角形陣列更優(yōu)，從應(yīng)力均勻分布方面考慮方形陣列更具優(yōu)勢(shì).

三角形陣列花板所用鋼材約為6.5 m2，方形陣列花板所用鋼材約為7.0 m2，在花板材料上三角形陣列可節(jié)約面積0.5 m2.由以上數(shù)值分析可知，三角形、方形兩種陣列形式花板的性能各有利弊，但三角形花板的優(yōu)勢(shì)更明顯，在選擇花板結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮.

5　結(jié)　論

本文利用ANASYS有限元分析軟件對(duì)氣箱脈沖袋式除塵器方形陣列和三角線(xiàn)陣列兩種花板結(jié)構(gòu)的位移分布及所受應(yīng)力分別進(jìn)行靜態(tài)有限元分析，得到了兩種陣列方式對(duì)除塵器花板性能的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1) 兩種陣列形式的位移分布情況相同，花板中心處的位移最大，并逐漸向外圍呈不斷減小的趨勢(shì)，三角形陣列在每個(gè)區(qū)間內(nèi)的位移量均小于方形陣列，安全性?xún)?yōu)于方形陣列.

2) 三角形陣列花板所受的最大應(yīng)力比方形陣列要小，但最大應(yīng)力區(qū)域在整個(gè)花板范圍內(nèi)所占面積極??；而方形陣列在大部分區(qū)域所受應(yīng)力要小于三角形陣列，兩種陣列方式各有優(yōu)勢(shì)但均符合要求.

3) 在布袋中心距相同的情況下，三角形陣列花板鋼材消耗少.從節(jié)約能源和降低成本方面考慮，三角形排布更具優(yōu)勢(shì)，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇三角形排布花板.

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(責(zé)任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Structure characteristics of air tank plate of bag type pulse dust collector

GU Xiao-jiao,CHEN Chang-zheng,GU Yan-ling,LU He

(School of Mechanical Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

In order to improve the use performance of bag type dust collector and eliminate the selection blindness of plate structure of dust collector,the displacement and stress distributions of both square array plate and triangular array plate were studied with the finite element analysis software ANSYS.The results show that in terms of deformation,the distribution form of two structures is the same,but the deformation of triangle array is smaller.In terms of equivalent stress,the maximum stress of triangle array is smaller than that of square array,but for most of regions,the equivalent stress of square array is smaller.Compared with the square array,the triangular array not only meets the design needs of dust collector,but also reduces the steel consumption.Furthermore,the triangle array needs smaller area,and has better economic benefit.

bag type dust collector; plate; square array; triangular array; finite element; numerical simulation; displacement distribution; stress distribution

2015-11-11.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205259，51305276).

谷曉嬌(1989-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，博士生，主要從事流體傳動(dòng)與控制等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.11

TH 6

A

1000-1646(2016)02-0180-05

*本文已于2016-03-02 16∶42在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1642.004.html