基于ANSYS的某矿粉加热装置加热盘热变形分析

2018-09-01卿艳青邓希来

机械设计与制造工程 2018年8期

延伟，卿艳青，邓希来，胡静

(三一汽车制造有限公司，湖南长沙 410100)

浇注式沥青混凝土是指在高温下拌合，依靠自身的流动性摊铺成型而无需碾压的、空隙率小于1%的沥青混凝土，因具有良好的防水性、抗老化性、抗疲劳性以及对钢面板优良的追从性，被广泛应用于大跨径钢桥面铺装[1-2]。浇注式沥青混凝土施工工艺的关键技术之一是制备出温度在220～250℃范围内的浇注式沥青混凝土，因混凝土中矿粉的含量高(16%～26%)、导热性差，采用普通沥青搅拌站生产时，搅拌前需要将骨料温度加热至350～400℃，过高的温度会对烘干滚筒的内部叶片、驱动电机的轴承及滚筒的滚圈等零部件造成严重伤害，生产总能耗高且严重影响沥青搅拌站的使用寿命[3]。

1 矿粉加热装置简介

矿粉加热装置是一种与沥青搅拌站配合使用、对混凝土中矿粉进行搅拌前预加热的装置[4]，该装置的核心部件是加热器，其结构类似于干燥器[5]，其结构简图如图1所示。加热器内部主要由多层空心加热盘、导热油管道、主轴、耙臂耙叶组件及保温层组成，大、小加热盘间隔排列，通过导热油管道将相邻的加热盘连接在一起，利用沥青搅拌站现有的高温导热油作为传热介质，对落在加热盘表面的矿粉进行加热。冷矿粉从加热器顶部进入后落在第一层大加热盘上，然后在耙叶的推动下，从大盘边缘向内作螺旋线移动，从大加热盘内孔落入下层小加热盘，小加热盘上的矿粉在耙叶推动下从内缘向外作螺旋线移动，再从小加热盘外缘落入下一层大盘，如此内外交替移动，并在移动过程中受耙叶推动作翻转运动，保证矿粉的各个部位都能接触加热盘，实现吸热升温。

1—大加热盘耙臂耙叶组件；2—大加热盘；3—小加热盘耙臂耙叶组件；4—小加热盘；5—保温层；6—导热油出口；7—导热油进口； 8—主轴；9—矿粉；10—导热油管道图1 加热器结构简图

浇注式沥青混凝土的生产效率主要由矿粉的加热效率决定，提高导热油的温度可以提高矿粉加热效率，但过高的温度可能会造成加热盘发生不可恢复的变形，凹凸不平的表面会使部分矿粉堆积，因矿粉的导热性极差，会进一步影响后续矿粉的加热，导致加热效率降低和出料温度温差大等问题。因此，对加热盘温度场和热变形的深入研究显得尤为重要，本文利用ANSYS有限元分析软件，针对某型矿粉加热装置加热盘进行热变形分析，研究其在当前导热油温度范围内产生的变形是否会影响矿粉的加热，并与试验测试结果进行了对比分析。

2 有限元模型的建立

2.1 几何模型和有限元模型

利用Pro/E软件建立加热盘三维模型如图2所示，为了提高有限元计算精度，对三维模型进行简化处理，忽略模型中的尖角和圆角，对模型进行抽中面处理，去除直径小于10mm小孔，简化处理后的模型如图3所示，转化格式后导入ANSYS软件中，建立图4所示有限元模型。

图2 加热盘三维模型

图3 加热盘简化模型

图4 加热盘有限元模型

2.2 材料

加热盘由4mm和6mm厚的Q235A钢板通过冲压后焊接在一起，Q235A钢材的屈服强度和抗拉强度分别为235MPa、356MPa，其他属性见表1。密度均为7.85×10-9t/mm3。

表1 材料属性

2.3 载荷和边界条件处理

考虑到加热盘成中心对称结构，4个固定臂对称分布并与加热器骨架相连接，因此在接触面上施加对称边界条件。实际工作时，加热盘受到的载荷主要为自身重力、均布在其上表面的矿粉以及受高温导热油作用产生的热变形力，通常作业条件下导热油温度为200℃，最高使用温度为250℃，因此分3种工况对加热盘进行有限元仿真分析。工况1不施加温度载荷，仅施加重力作用，工况2和工况3是在工况1的基础上，分别增加200℃、250℃温度载荷，3种工况均在加热盘底部约束Y方向平移自由度，施加重力加速度g=9.81N/kg，分别如图5～图7所示，选用Hyperworks12.0 Optistruct求解器求解计算。

图5 工况1约束与载荷边界条件

图6 工况2约束与载荷边界条件

图7 工况3约束与载荷边界条件

3 结果分析与建议

分别对3种工况下加热盘的总位移、X/Y/Z方向产生的位移以及应力进行了分析，结果如图8～图13所示。根据有限元分析结果，加热盘在3种工况下的位移、最大等效应力见表2。可以看出，加热盘在温度载荷作用下抵消了一部分重力引起的变形，加热盘受热时主要沿径向扩展(即X，Z方向)。3种工况下的最大等效应力约为24MPa,远小于材料的屈服强度235MPa，因此该变形为可恢复变形。