轉盤干燥機作為一種間接式干燥設備，具有熱效率高、蒸發強度大以及節能環保效果優越等特點，適用于干燥各種粘糊狀、粉狀及粒狀等熱敏性較穩定的有機物和無機物料。加熱圓盤作為轉盤干燥機的核心部件，一直是眾多學者研究的重點。龐樹生等通過建立圓盤上下板的力學模型，推導了圓盤結構的撓曲率方程式和應力計算公式。賀華波等采用有限元分析和簡化力學模型的方法，對盤式干燥機轉子系統的主要承壓部件進行了強度校核，理論模型計算結果與有限元計算結果基本一致，表明所設計的承壓圓盤安全可靠。劉寶慶和蔣家羚建立承壓圓盤的軸對稱和非軸對稱力學模型，并根據薄板的小撓度彎曲理論，對圓盤力學模型進行求解，得出非軸對稱模型更好地反映圓盤的位移、應力分布趨勢。

對于大尺寸加熱圓盤結構，在上下板之間分布著許多拉撐件，并與加熱盤上下板焊接，其作用是提高加熱盤上下板的強度和剛度，同時使加熱盤內的流體產生局部小渦流，從而大大提高換熱效率。目前，從拉撐件的結構形式考察圓盤整體強度的研究較少，本文對棒材和管材作為拉撐件的兩種拉撐圓盤結構進行強度分析，考慮圓盤結構設計參數對兩種拉撐圓盤應力變化趨勢的影響，從而為轉盤干燥機圓盤拉撐結構設計提供參考。

1 轉盤干燥機圓盤結構有限元分析

以蒸汽為加熱介質的轉盤式干燥機，中空軸上焊接的空心加熱圓盤作為轉子緩慢旋轉，蒸汽由轉子空心軸的一端進入，通過圓盤壁面間接加熱干燥機身內的物料，圓盤外側設置帶有傾角的耙葉，用于翻抄、攪拌物料。

1.1 結構與參數

某大型轉盤干燥機圓盤結構由中心軸管、盤片、拉撐件、擋水板及外端焊縫構成。盤片直徑2000mm，盤片厚度8mm，盤片內表面所形成錐角為10°，軸管外徑620mm，軸管厚度28mm。針對不同拉撐形式的圓盤結構，管式拉撐圓盤以φ38mm×5mm管材為拉撐件；柱式拉撐圓盤以φ38mm的棒材為拉撐件，沿圓盤周向拉撐件兩圈均布，軸管中心距內圈拉撐件距離為530mm，距外圈拉撐件距離為760mm。每圈相鄰拉撐件周向間距200mm。

圓盤結構的設計壓力為0.66MPa，設計溫度為165℃；圓盤材料為Q345R，許用應力為179.1MPa，軸管河拉撐件材料為Q345D，許用應力為174.0MPa。圓盤結構的材料力學性能如下表所示：

1.2 圓盤有限元模型

本文主要考慮不同拉撐形式下圓盤結構的受力情況，為此取單個圓盤為研究對象進行建模分析，不計擋水板對盤片的加強作用，兩端軸管伸長量為相鄰盤片間距的一半。考慮非軸對稱模型更加真實反應圓盤結構受力狀態，選用全模型作為分析對象。選用solid185實體單元對軸管、盤片、拉撐件及外端焊縫進行映射網格劃分

1.3 載荷及邊界條件

轉盤干燥機工作狀態下轉速一般在3～10r/min，由此產生的慣性力較小，不計其影響，盤片腔內、軸管內表面內和拉撐件外表面施加設計壓力p=0.66MPa，軸管斷面施加全約束，另一端面施加由內壓引起的軸向平衡載荷P1=-3.17MPa。

1.4 有限元強度分析

運用大型ANSYS軟件對柱式拉撐圓盤和管式拉撐圓盤進行有限元分析，拉撐件對圓盤結構的支撐作用有效 減緩了上下盤片因內壓引起的膨脹變形，表明拉撐件對圓盤結構具有很好的加強作用。比較兩種拉撐形式下圓盤結構應力云圖，發現極大應力點均出現在盤片與拉撐件相交截面處。不同的是，柱式拉撐圓盤極大應力點出現在內圈，管式拉撐圓盤極大應力點出現在外圈。兩種拉撐形式下圓盤總應力值分別為467.55MPa和452.29MPa，相差不大。

但云圖未能直觀反映兩種拉撐形式下圓盤結構的盤片、拉撐件等主要部件的應力強度，為此，根據JB/T 4732-1995(R2005）中應力分類和評定方法將兩種拉撐形式圓盤結構各部件進行線性化處理，提取各部件的一次局部薄膜應力SⅡ和一次加二次彎曲應力SⅣ，并對各部件進行強度評定。經評定，兩種拉撐形式下的圓盤結構各部件均滿足強度評定要求，均有較大的安全余量，且拉撐件由管材到棒材，圓盤結構相應危險部位由拉撐件轉移至盤片的拉撐截面。比較兩種拉撐形式下圓盤各部件應力強度，發現外端焊縫處的應力強度基本一致，但盤片和拉撐件上的應力出現明顯的差異：柱式拉撐圓盤相比管式拉撐圓盤，盤片SⅡ應力強度降低26.39MPa，但SⅣ應力強度增加57.74MPa；拉撐件上的SⅡ應力強度降低90.32MPa，SⅣ應力強度降低215.22MPa。這是因為棒材作為拉撐件可有效增加自身和盤片的強度，從而降低拉撐件上的應力和盤片上的SⅡ應力強度。但是棒材與盤片剛度相差較大，致使盤片拉撐截面處的SⅣ應力較大。

比較兩種拉撐形式下的圓盤結構應力，雖然盤片和拉撐件上的應力存在明顯差異，但未考慮圓盤結構設計參數對圓盤結構應力分布的影響。為此，值得進一步研究設計參數下兩種拉撐圓盤應力變化趨勢。

2 兩種拉撐形式下圓盤強度影響因素分析

分別從拉撐件壁厚（由管材至棒材）、圓盤錐角（上下兩盤片內壁面所形成的角度）、拉撐件直徑和拉撐件周向間距來研究圓盤應力變化趨勢，對比分析兩種拉撐圓盤應力分布差異，從而為圓盤拉撐結構設計提供參考。

2.1 拉撐件壁厚對兩種拉撐圓盤應力分布的影響

兩圈拉撐圓盤結構，內圈和外圈應力分布相差不大且隨拉撐件壁厚的變化規律基本一致。

當拉撐件壁厚增加，盤片的SⅡ應力總體呈下降趨勢，且拉撐件壁厚在7～8mm左右，盤片的SⅣ應力達到極小值，這是由于拉撐件厚度與盤片厚度接近或相差不大時，盤片受力較好。當增大或減小拉撐件厚度，盤片的SⅣ應力強度均會增大，且厚度增加至棒材時，盤片的SⅣ應力會顯著上升。這是由于拉撐件厚度與盤片厚度相差較大，連接處較大的剛度差導致盤片彎曲應力顯著增加。

拉撐件的SⅡ和SⅣ應力隨壁厚增加總體呈下降趨勢。這是因為拉撐件壁厚的增加，增強了自身的強度和剛度，使得拉撐件上的應力顯著下降。當拉撐件壁厚從3mm增加至7mm時，拉撐件上的應力迅速下降；當拉撐件壁厚大于7mm時，拉撐件的SⅡ應力呈均勻下降；壁厚在9～17mm間，應力趨于平緩，但當壁厚增加至實心柱時，SⅣ應力再次迅速下降。

上述應力變化規律表明，管材作為拉撐件時，以管材厚度盡可能與盤片等厚或相差不大為宜，此時盤片受力較好；棒材作為拉撐件時，雖然可有效降低拉撐上的壓力，但是會提高盤片上彎曲應力。

2.2 圓盤錐角對兩種拉撐圓盤應力分布的影響

圓盤錐角改變對盤片和拉撐件上的應力影響很小。隨著錐角的增大，盤片的應力呈緩慢下降趨勢。這是因為錐角增加致使拉撐件與盤片拉撐截面增大，所以盤片應力有所下降。因此，在轉盤干燥機圓盤承壓結構設計中，錐角大小對圓盤受力不起決定作用，但是錐角設置應適宜。

2.3 拉撐件直徑對兩種拉撐圓盤應力分布的影響

比較兩種拉撐結構下的應力變化，發現增大拉撐件的直徑，可顯著降低拉撐件上的應力，同時盤片上的應力也有明顯下降。這是由于拉撐件直徑越大，增加了自身強度和剛度，從而有效降低拉撐件上的應力；同時拉撐件直徑越大，使得盤片間的拉撐面積增大，從而降低盤片上的壓力。由上述規律可知，拉撐件直徑大小對兩種拉撐圓盤結構應力均有顯著影響，在滿足設計要求下，拉撐件直徑越大，圓盤結構受力越好。

2.4 拉撐件周向間距對兩種拉撐圓盤應力分布的影響

隨著周向間距的增大，兩種拉撐結構的盤片和拉撐件的應力呈單調上升趨勢。這是因為相鄰拉撐件的間距越大，使得每圈拉撐件的排布個數越少，導致總拉撐件個數減少，從而降低拉撐件對上下盤片的支撐作用，加劇盤片向外膨脹，盤片應力增大；由于盤片膨脹加劇，對拉撐件向外拉扯作用，使拉撐件上的應力也增大。

當周向間距小于260mm時，兩種拉撐結構的盤片和拉撐件應力均勻增加，當大于260mm時，盤片和拉撐件應力上升幅度迅速增加，圓盤各部件結構強度極易遭到破壞。柱式拉撐盤片SⅣ應力較大，盤片結構因SⅣ應力超標較先發生破壞；而管式拉撐件SⅡ和SⅣ應力較大，拉撐件因SⅡ或SⅣ應力超標較先發生破壞。

由上述規律可知，在圓盤結構設計中，棒材作為拉撐件時，盤片為較先發生破壞的危險部件；管材作為拉撐件時，拉撐件為較先發生破壞的危險部件，且拉撐件周向間距設置不宜過大。

3 結論

（1）采用有限元方法對棒材、管材兩種典型拉撐結構形式進行強度探討，分析表明兩者均能滿足強度性能要求，且具備一定的安全余量，隨著拉撐件的增厚，即由管材至棒材，圓盤結構相應較危險部分由拉撐件轉移至盤片的拉撐截面。

（2）兩種拉撐圓盤結構設計中，錐角的變化對圓盤應力影響可忽略；管材作為拉撐件時，以拉撐件壁厚與盤片等厚或相近為宜；拉撐件直徑大小對兩種拉撐圓盤結構應力均有顯著影響，在滿足設計要求下，拉撐件直徑越大，圓盤結構受力越好。

（3）隨著拉撐件周向間距的增加，圓盤結構應力會顯著增大；對于兩種拉撐圓盤，柱式拉撐的盤片SⅣ應力較大，盤片結構因SⅣ應力超標較先發生破壞；而管式拉撐圓盤的管材自身應力較大，因SⅡ和SⅣ應力超標較先發生破壞，因此拉撐件周向間距設置不宜過大。