立式蒸壓釜卸料裝置分析與優(yōu)化

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(1.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000；2.自貢通達(dá)機(jī)器制造有限公司，四川 自貢 643000)

近年來，由于優(yōu)質(zhì)煤的開采殆盡，褐煤的使用逐漸增多，產(chǎn)量逐步增大，成為優(yōu)質(zhì)煤的替代品。但是由于褐煤含水分較多(15%～60%)、發(fā)熱量低以及直接燃燒會產(chǎn)生大量黑煙等缺點(diǎn)，褐煤在使用過程中存在很多不可避免的問題。若將褐煤直接燃燒，容易導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定，并且污染環(huán)境，利用效率低，造成大量資源的浪費(fèi)，且褐煤中含水量高同時(shí)也會造成對外運(yùn)輸?shù)南拗?，需要更高的運(yùn)輸成本，因此對褐煤進(jìn)行干燥處理就顯得極為必要與迫切。經(jīng)過干燥處理的褐煤發(fā)熱量提高，顯著減少了空氣污染等問題[1-2]。

褐煤的干燥方法有很多種，例如回轉(zhuǎn)式干燥、氣流干燥和高溫流化干燥等，干燥介質(zhì)又有過熱蒸汽、飽和蒸汽、熱水及熱油等[3]。其中過熱蒸汽干燥法是用蒸汽作為干燥介質(zhì)，通入蒸汽后物料吸收熱量溫度上升水分開始蒸發(fā)，經(jīng)過升速—恒速—降速三個(gè)階段后，達(dá)到干燥褐煤的效果。利用過熱蒸汽對褐煤進(jìn)行脫水的方法，不僅可以使煤中大部分水分脫除，而且成品更適用于長途運(yùn)輸、安全以及節(jié)能干燥速率快，符合國家節(jié)能減排的要求。而且過熱蒸汽干燥技術(shù)的方法發(fā)展迅速，已經(jīng)相當(dāng)成熟，廣泛應(yīng)用于食品、木材、紙張、泥污和褐煤的干燥。針對某單位使用的DN3400X15745型號立式蒸養(yǎng)釜作為干燥機(jī)，應(yīng)用過熱蒸汽干燥技術(shù)對褐煤進(jìn)行干燥時(shí)卸料方面的不足，在遵循相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下對蒸壓釜進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對蒸壓釜在操作工況下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行校核和評價(jià)，確保改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)受力合理性，保證新結(jié)構(gòu)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，提高卸料的穩(wěn)定性。

1 蒸壓釜的結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

蒸壓釜最早出現(xiàn)于19 世紀(jì)末，主要用于制造加氣混凝土切塊、煤磚塊、高強(qiáng)度石膏、新型輕質(zhì)墻體材料和混凝土管樁等建筑材料的蒸壓養(yǎng)護(hù)，同時(shí)也廣泛用于需蒸養(yǎng)生產(chǎn)工藝過程的各種生產(chǎn)項(xiàng)目。我國早在上世紀(jì)30 年代，就開始使用蒸壓釜作為主反應(yīng)器生產(chǎn)加氣混凝土。從此以后，我國科研人員對蒸壓釜的探索研究也在不斷地深入改進(jìn)[4-5]。此型號立式蒸壓釜是用來對褐煤進(jìn)行過熱蒸汽干燥處理的，主要由導(dǎo)料筒、刀閘閥、筒節(jié)、卸料裝置、筒體、蒸汽匯管和上封頭等部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本型號蒸壓釜總高度15 m，寬3 m，總體積97.3 m3。過熱蒸汽從蒸汽匯管進(jìn)入筒體以后，褐煤開始被加熱，水分開始蒸發(fā)，經(jīng)過一段時(shí)間后，褐煤中的大部分水分蒸發(fā)出來，最后冷凝到蒸壓釜的底部，打開排污口將筒中水排出，等筒中水排盡以后先打開刀閘閥，然后打開插銷口對卸料過程進(jìn)行控制，卸料完成后關(guān)閉刀閘閥，最后轉(zhuǎn)動卸料板外軸，插上插銷進(jìn)行復(fù)位[6-7]。

在蒸壓釜實(shí)際使用過程中，由于在卸料環(huán)節(jié)需要手動控制卸料板，物料在插銷抽出時(shí)會傾斜在卸料口處從導(dǎo)料口直接排出，由于卸料板的開啟由插銷控制，只有開啟閉合兩個(gè)狀態(tài)，因此會造成物料沖擊和振動現(xiàn)象，產(chǎn)生卸料的穩(wěn)定性和安全性問題。并且由于褐煤在錐形封頭處流通面積逐漸變小，擠壓力變大，煤粒與壁面、煤粒之間的摩擦力也越來越大，而促使煤沿壁面流動的重力分布不變，因此卸料口上方容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。針對卸料時(shí)產(chǎn)生的一系列問題，對蒸壓釜的卸料裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，同時(shí)對卸料時(shí)筒體中不時(shí)出現(xiàn)的堵塞現(xiàn)象提出了改進(jìn)方案。

1—支腿；2—導(dǎo)料筒；3—刀閘閥；4—法蘭；5—筒節(jié)；6—卸料裝置；7—錐形封頭；8—壓力傳感器；9—溫度傳感器；10—保護(hù)罩；11—拉筋；12—蒸汽匯管；13—筒體；14—吊耳；15—上封頭；16—釜端部件；17—法蘭；18—連通管；19—法蘭；20—鋼管；21—支板圖1 蒸壓釜原結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the original structure of autoclave

設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)如圖2，3所示，在卸料裝置處將原結(jié)構(gòu)的2 片半圓形卸料板改成了6 片錐形板。錐形板與卸料裝置通過連接板銷釘?shù)冗B接，由2 片角度為135°的板焊接而成，錐形板反面焊接有頂環(huán)支撐架。錐形板與卸料筒之間可以相對轉(zhuǎn)動，6 片錐形板由下方的液壓缸推動頂環(huán)運(yùn)動。同時(shí)為了方便錐形板動作，卸料筒由錐形改為圓柱形。在進(jìn)行褐煤干燥時(shí)，6 個(gè)液壓油缸伸出帶動頂環(huán)上升頂住錐形板反面支撐架來承受褐煤重力，此時(shí)液壓缸頂住錐形板承受物料全部重力，等待干燥過程結(jié)束以后，打開排污口將筒中的廢水排完，打開刀閘閥液壓缸收攏錐形板在物料重力作用下打開進(jìn)行卸料動作。由于新結(jié)構(gòu)可以通過液壓缸收攏的行程和速度對錐形板整體的的開度和打開速度進(jìn)行有效控制，和原結(jié)構(gòu)相比物料從卸料口出來時(shí)數(shù)量和速度都能得到有效控制，因此能有效避免打開時(shí)產(chǎn)生的沖擊現(xiàn)象，從而達(dá)到對卸料過程的穩(wěn)定性進(jìn)行控制；針對卸料時(shí)出現(xiàn)堵塞的情況進(jìn)行了改進(jìn)，在筒體上增加了4 片打散板，當(dāng)出現(xiàn)卸料時(shí)物料堵塞的情況后，打散板由上方油缸推動進(jìn)行打散動作使物料正常落下，打散板在下方油缸帶動下收回完成打散操作；同時(shí)為了方便污水的排出，出口處設(shè)置了兩個(gè)排污口。

1—卸料油缸；2—錐形板；3—頂環(huán)；4—銷軸；5—排污口圖3 蒸壓釜改進(jìn)結(jié)構(gòu)卸料機(jī)構(gòu)圖Fig.3 improved structure unloading mechanism of autoclave

2 蒸壓釜有限元分析

2.1 主要技術(shù)參數(shù)及網(wǎng)格劃分

干燥褐煤用蒸壓釜主要技術(shù)如下：釜體和法蘭的材料選用Q345R，支座材料為Q235-A。蒸壓釜設(shè)計(jì)壓力為1.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度為375 ℃，工作壓力1.15 MPa，工作溫度210 ℃，此溫度下水蒸氣為過熱水蒸氣。由于整個(gè)蒸壓釜的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，為了提高運(yùn)算效率，簡化了蒸壓釜的模型。同時(shí)蒸壓釜的整體結(jié)構(gòu)為平面對稱結(jié)構(gòu)，因此采用了軸向截取一半模型進(jìn)行分析計(jì)算[8-9]。通過三維建模軟件建立了蒸壓釜的三維數(shù)字模型并導(dǎo)入ANSYS 14.5進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用了減縮積分單元，得到其網(wǎng)格模型且對受力集中的錐形板和頂環(huán)處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化加密。劃分網(wǎng)格數(shù)為209 740，節(jié)點(diǎn)數(shù)為729 540[10]。分析中網(wǎng)格數(shù)量的增加對最后結(jié)果的偏差均在5%以內(nèi)，蒸壓釜網(wǎng)格細(xì)節(jié)模型如圖4所示。

圖4 蒸壓釜網(wǎng)格細(xì)節(jié)圖Fig.4 Grid detail drawing of autoclave

2.2 溫度場分析與計(jì)算

溫度場是指被研究對象的溫度分布情況，它是每個(gè)時(shí)刻物體各點(diǎn)的溫度分布情況的總稱。由于蒸壓釜在工作時(shí)內(nèi)部溫度較高，因此蒸壓釜外壁面與空氣會產(chǎn)生對流換熱現(xiàn)象，原理主要是基于傳熱學(xué)中的傳熱基本定律[11]。

蒸壓釜內(nèi)工作時(shí)干燥介質(zhì)為過熱蒸汽，設(shè)計(jì)溫度為375 ℃，在高溫條件下內(nèi)部零件必然會承受一定的熱應(yīng)力。因此，對蒸壓釜進(jìn)行溫度場計(jì)算十分必要。

傳熱計(jì)算有三種邊界條件，蒸壓釜內(nèi)壁工作時(shí)設(shè)計(jì)與375 ℃過熱蒸汽直接接觸，計(jì)算時(shí)可以假設(shè)介質(zhì)與腔體之間處于熱平衡狀態(tài)，即可在筒體內(nèi)表面施加溫度為375 ℃的邊界條件。蒸壓釜各零件之間發(fā)生接觸的區(qū)域默認(rèn)進(jìn)行熱傳導(dǎo)，部分零件之間設(shè)置綁定接觸。釜外壁面處于常溫(22 ℃)環(huán)境中，與空氣直接接觸而形成對流換熱，計(jì)算后得到蒸壓釜的溫度場分布如圖5所示。釜體溫度基本都在370 ℃左右，并且在支座處溫度呈階梯形遞減，熱應(yīng)力主要發(fā)生在釜體下方呈現(xiàn)溫度梯度與卸料裝置處。

圖5 蒸壓釜溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution diagram of autoclave

2.3 應(yīng)力場分析計(jì)算

此型號蒸壓釜工作時(shí)內(nèi)部物料為褐煤，蒸壓釜總體積為90多立方米，褐煤密度為1.1～1.2 g/mm3，工作時(shí)考慮煤塊間隙以及剩余空間，取褐煤體積為70 m3；落差為9.5 m；褐煤密度為1.1 g/mm3，根據(jù)公式得出施加在錐形板以及筒體上壓力最大值為102 410 Pa。另外設(shè)計(jì)壓力為1.3 MPa，因此在設(shè)備內(nèi)壁施加壓力1.3 MPa。同時(shí)溫度造成的熱應(yīng)力作為載荷施加到蒸壓釜上。由于蒸壓釜為多支座結(jié)構(gòu)，因此邊界條件施加時(shí)對底部支座施加全約束，對稱面施加對稱約束[12-13]。

針對蒸壓釜優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，蒸壓釜最大受力時(shí)在錐形板收攏后，上方褐煤在過熱蒸汽下進(jìn)行干燥，不考慮溫度帶來的熱應(yīng)力影響，主要的應(yīng)力出現(xiàn)在錐形板和頂環(huán)接觸附近以及銷軸處。對模型進(jìn)行載荷施加得到蒸壓釜在載荷作用下的最大剪應(yīng)力云圖，如圖6所示，其中筒節(jié)、筒體和卸料口等處的應(yīng)力值相對較小，而錐形板、銷軸以及頂環(huán)等直接承壓構(gòu)件的壓力值較大，最大剪應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在錐形板上和頂環(huán)接觸下方，錐形板銷軸處的應(yīng)力也相對較大，應(yīng)該著重進(jìn)行分析[14]。

圖6 蒸壓釜最大剪應(yīng)力分布云圖Fig.6 The maximum shear stress distribution cloud chart of autoclave

分別對筒體、錐形板、頂環(huán)和銷軸進(jìn)行最大剪應(yīng)力分布云圖分析，錐形板和銷軸的應(yīng)力相對較高，因此圖7，8分別給出錐形板和銷軸的最大剪應(yīng)力分布云圖。由圖7，8可知：錐形板由于承壓在和頂環(huán)接觸的邊緣處應(yīng)力集中明顯，連接銷軸應(yīng)力也相對較高，但是和錐形板的最大應(yīng)力還是差很多，這可能是進(jìn)行褐煤干燥工作時(shí)，液壓缸伸出錐形板閉合，物料的重力(重力等效為靜水壓力，即施加在錐形板上最大壓力值)主要要由錐形板傳遞給頂環(huán)。

圖7 錐形板最大剪應(yīng)力分布云圖Fig.7 The maximum shear stress distribution cloud chart of conical plate

圖8 銷軸最大剪應(yīng)力云圖Fig.8 Maximum shear stress cloud map of pin shaft

根據(jù)我國分析設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)JB 4732—1995《鋼制容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，對于這些應(yīng)力較高的地方，將各應(yīng)力分量沿應(yīng)力分布線進(jìn)行當(dāng)量化處理，同時(shí)提取危險(xiǎn)路徑上的一次局部薄膜應(yīng)力PL，一次彎曲應(yīng)力Pb，二次應(yīng)力Q，并根據(jù)表1中標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一次局部薄膜應(yīng)力、一次薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力以及一次加二次應(yīng)力的校核評定[15-16]。

表1 應(yīng)力校核規(guī)范Table 1 Specification of stress check

2.4 應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果

由于蒸壓釜的其余零件實(shí)際應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，而物料的載荷都是通過錐形板傳遞給頂環(huán)，然后再傳遞給液壓缸的，因此只選取了受力較大的錐形板和銷軸的應(yīng)力分析評價(jià)結(jié)果。從表2中數(shù)據(jù)比較可知錐形板以及頂環(huán)的一次局部薄膜應(yīng)力PL，一次薄膜加彎曲應(yīng)力S2，一次加二次應(yīng)力等都離許用值較遠(yuǎn)。總的來看，對蒸壓釜在工作中相對最易破壞的錐形板及銷軸的分析評價(jià)可知：兩者安全余量均很大，能夠適應(yīng)工況的需求，安全性較高。

表2 應(yīng)力強(qiáng)度評定結(jié)果Table 2 Stress intensity evaluation results

3 結(jié) 論

針對過熱蒸汽法干燥褐煤用立式蒸壓釜在卸料時(shí)產(chǎn)生的卸料穩(wěn)定性、安全性以及堵塞方面的問題提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)并進(jìn)行了分析，得到了蒸壓釜的應(yīng)力場，并進(jìn)行了安全校核后得出以下結(jié)論：新卸料結(jié)構(gòu)在功能上解決了蒸壓釜卸料時(shí)產(chǎn)生的不穩(wěn)定沖擊以及物料堵塞的問題，提高了卸料的穩(wěn)定性和安全性。對蒸壓釜施加過熱蒸汽壓力以及靜水壓力得到了蒸壓釜的應(yīng)力分布，著重分析了改進(jìn)結(jié)構(gòu)后受力較大的錐形板與銷軸。分析結(jié)果表明:錐形板以及其他配合零件符合使用要求且安全余量較大。改進(jìn)結(jié)果對立式蒸壓釜卸料裝置的設(shè)計(jì)改進(jìn)具有一定的參考意義。

本文得到四川理工學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(y2017030)的資助。