转盘干燥机作为一种间接式干燥设备，具有热效率高、蒸发强度大以及节能环保效果优越等特点，适用于干燥各种粘糊状、粉状及粒状等热敏性较稳定的有机物和无机物料。加热圆盘作为转盘干燥机的核心部件，一直是众多学者研究的重点。庞树生等通过建立圆盘上下板的力学模型，推导了圆盘结构的挠曲率方程式和应力计算公式。贺华波等采用有限元分析和简化力学模型的方法，对盘式干燥机转子系统的主要承压部件进行了强度校核，理论模型计算结果与有限元计算结果基本一致，表明所设计的承压圆盘安全可靠。刘宝庆和蒋家羚建立承压圆盘的轴对称和非轴对称力学模型，并根据薄板的小挠度弯曲理论，对圆盘力学模型进行求解，得出非轴对称模型更好地反映圆盘的位移、应力分布趋势。

对于大尺寸加热圆盘结构，在上下板之间分布着许多拉撑件，并与加热盘上下板焊接，其作用是提高加热盘上下板的强度和刚度，同时使加热盘内的流体产生局部小涡流，从而大大提高换热效率。目前，从拉撑件的结构形式考察圆盘整体强度的研究较少，本文对棒材和管材作为拉撑件的两种拉撑圆盘结构进行强度分析，考虑圆盘结构设计参数对两种拉撑圆盘应力变化趋势的影响，从而为转盘干燥机圆盘拉撑结构设计提供参考。

1 转盘干燥机圆盘结构有限元分析

以蒸汽为加热介质的转盘式干燥机，中空轴上焊接的空心加热圆盘作为转子缓慢旋转，蒸汽由转子空心轴的一端进入，通过圆盘壁面间接加热干燥机身内的物料，圆盘外侧设置带有倾角的耙叶，用于翻抄、搅拌物料。

1.1 结构与参数

某大型转盘干燥机圆盘结构由中心轴管、盘片、拉撑件、挡水板及外端焊缝构成。盘片直径2000mm，盘片厚度8mm，盘片内表面所形成锥角为10°，轴管外径620mm，轴管厚度28mm。针对不同拉撑形式的圆盘结构，管式拉撑圆盘以φ38mm×5mm管材为拉撑件；柱式拉撑圆盘以φ38mm的棒材为拉撑件，沿圆盘周向拉撑件两圈均布，轴管中心距内圈拉撑件距离为530mm，距外圈拉撑件距离为760mm。每圈相邻拉撑件周向间距200mm。

圆盘结构的设计压力为0.66MPa，设计温度为165℃；圆盘材料为Q345R，许用应力为179.1MPa，轴管河拉撑件材料为Q345D，许用应力为174.0MPa。圆盘结构的材料力学性能如下表所示：

1.2 圆盘有限元模型

本文主要考虑不同拉撑形式下圆盘结构的受力情况，为此取单个圆盘为研究对象进行建模分析，不计挡水板对盘片的加强作用，两端轴管伸长量为相邻盘片间距的一半。考虑非轴对称模型更加真实反应圆盘结构受力状态，选用全模型作为分析对象。选用solid185实体单元对轴管、盘片、拉撑件及外端焊缝进行映射网格划分

1.3 载荷及边界条件

转盘干燥机工作状态下转速一般在3～10r/min，由此产生的惯性力较小，不计其影响，盘片腔内、轴管内表面内和拉撑件外表面施加设计压力p=0.66MPa，轴管断面施加全约束，另一端面施加由内压引起的轴向平衡载荷P1=-3.17MPa。

1.4 有限元强度分析

运用大型ANSYS软件对柱式拉撑圆盘和管式拉撑圆盘进行有限元分析，拉撑件对圆盘结构的支撑作用有效 减缓了上下盘片因内压引起的膨胀变形，表明拉撑件对圆盘结构具有很好的加强作用。比较两种拉撑形式下圆盘结构应力云图，发现极大应力点均出现在盘片与拉撑件相交截面处。不同的是，柱式拉撑圆盘极大应力点出现在内圈，管式拉撑圆盘极大应力点出现在外圈。两种拉撑形式下圆盘总应力值分别为467.55MPa和452.29MPa，相差不大。

但云图未能直观反映两种拉撑形式下圆盘结构的盘片、拉撑件等主要部件的应力强度，为此，根据JB/T 4732-1995(R2005）中应力分类和评定方法将两种拉撑形式圆盘结构各部件进行线性化处理，提取各部件的一次局部薄膜应力SⅡ和一次加二次弯曲应力SⅣ，并对各部件进行强度评定。经评定，两种拉撑形式下的圆盘结构各部件均满足强度评定要求，均有较大的安全余量，且拉撑件由管材到棒材，圆盘结构相应危险部位由拉撑件转移至盘片的拉撑截面。比较两种拉撑形式下圆盘各部件应力强度，发现外端焊缝处的应力强度基本一致，但盘片和拉撑件上的应力出现明显的差异：柱式拉撑圆盘相比管式拉撑圆盘，盘片SⅡ应力强度降低26.39MPa，但SⅣ应力强度增加57.74MPa；拉撑件上的SⅡ应力强度降低90.32MPa，SⅣ应力强度降低215.22MPa。这是因为棒材作为拉撑件可有效增加自身和盘片的强度，从而降低拉撑件上的应力和盘片上的SⅡ应力强度。但是棒材与盘片刚度相差较大，致使盘片拉撑截面处的SⅣ应力较大。

比较两种拉撑形式下的圆盘结构应力，虽然盘片和拉撑件上的应力存在明显差异，但未考虑圆盘结构设计参数对圆盘结构应力分布的影响。为此，值得进一步研究设计参数下两种拉撑圆盘应力变化趋势。

2 两种拉撑形式下圆盘强度影响因素分析

分别从拉撑件壁厚（由管材至棒材）、圆盘锥角（上下两盘片内壁面所形成的角度）、拉撑件直径和拉撑件周向间距来研究圆盘应力变化趋势，对比分析两种拉撑圆盘应力分布差异，从而为圆盘拉撑结构设计提供参考。

2.1 拉撑件壁厚对两种拉撑圆盘应力分布的影响

两圈拉撑圆盘结构，内圈和外圈应力分布相差不大且随拉撑件壁厚的变化规律基本一致。

当拉撑件壁厚增加，盘片的SⅡ应力总体呈下降趋势，且拉撑件壁厚在7～8mm左右，盘片的SⅣ应力达到极小值，这是由于拉撑件厚度与盘片厚度接近或相差不大时，盘片受力较好。当增大或减小拉撑件厚度，盘片的SⅣ应力强度均会增大，且厚度增加至棒材时，盘片的SⅣ应力会显著上升。这是由于拉撑件厚度与盘片厚度相差较大，连接处较大的刚度差导致盘片弯曲应力显著增加。

拉撑件的SⅡ和SⅣ应力随壁厚增加总体呈下降趋势。这是因为拉撑件壁厚的增加，增强了自身的强度和刚度，使得拉撑件上的应力显著下降。当拉撑件壁厚从3mm增加至7mm时，拉撑件上的应力迅速下降；当拉撑件壁厚大于7mm时，拉撑件的SⅡ应力呈均匀下降；壁厚在9～17mm间，应力趋于平缓，但当壁厚增加至实心柱时，SⅣ应力再次迅速下降。

上述应力变化规律表明，管材作为拉撑件时，以管材厚度尽可能与盘片等厚或相差不大为宜，此时盘片受力较好；棒材作为拉撑件时，虽然可有效降低拉撑上的压力，但是会提高盘片上弯曲应力。

2.2 圆盘锥角对两种拉撑圆盘应力分布的影响

圆盘锥角改变对盘片和拉撑件上的应力影响很小。随着锥角的增大，盘片的应力呈缓慢下降趋势。这是因为锥角增加致使拉撑件与盘片拉撑截面增大，所以盘片应力有所下降。因此，在转盘干燥机圆盘承压结构设计中，锥角大小对圆盘受力不起决定作用，但是锥角设置应适宜。

2.3 拉撑件直径对两种拉撑圆盘应力分布的影响

比较两种拉撑结构下的应力变化，发现增大拉撑件的直径，可显著降低拉撑件上的应力，同时盘片上的应力也有明显下降。这是由于拉撑件直径越大，增加了自身强度和刚度，从而有效降低拉撑件上的应力；同时拉撑件直径越大，使得盘片间的拉撑面积增大，从而降低盘片上的压力。由上述规律可知，拉撑件直径大小对两种拉撑圆盘结构应力均有显著影响，在满足设计要求下，拉撑件直径越大，圆盘结构受力越好。

2.4 拉撑件周向间距对两种拉撑圆盘应力分布的影响

随着周向间距的增大，两种拉撑结构的盘片和拉撑件的应力呈单调上升趋势。这是因为相邻拉撑件的间距越大，使得每圈拉撑件的排布个数越少，导致总拉撑件个数减少，从而降低拉撑件对上下盘片的支撑作用，加剧盘片向外膨胀，盘片应力增大；由于盘片膨胀加剧，对拉撑件向外拉扯作用，使拉撑件上的应力也增大。

当周向间距小于260mm时，两种拉撑结构的盘片和拉撑件应力均匀增加，当大于260mm时，盘片和拉撑件应力上升幅度迅速增加，圆盘各部件结构强度极易遭到破坏。柱式拉撑盘片SⅣ应力较大，盘片结构因SⅣ应力超标较先发生破坏；而管式拉撑件SⅡ和SⅣ应力较大，拉撑件因SⅡ或SⅣ应力超标较先发生破坏。

由上述规律可知，在圆盘结构设计中，棒材作为拉撑件时，盘片为较先发生破坏的危险部件；管材作为拉撑件时，拉撑件为较先发生破坏的危险部件，且拉撑件周向间距设置不宜过大。

3 结论

（1）采用有限元方法对棒材、管材两种典型拉撑结构形式进行强度探讨，分析表明两者均能满足强度性能要求，且具备一定的安全余量，随着拉撑件的增厚，即由管材至棒材，圆盘结构相应较危险部分由拉撑件转移至盘片的拉撑截面。

（2）两种拉撑圆盘结构设计中，锥角的变化对圆盘应力影响可忽略；管材作为拉撑件时，以拉撑件壁厚与盘片等厚或相近为宜；拉撑件直径大小对两种拉撑圆盘结构应力均有显著影响，在满足设计要求下，拉撑件直径越大，圆盘结构受力越好。

（3）随着拉撑件周向间距的增加，圆盘结构应力会显著增大；对于两种拉撑圆盘，柱式拉撑的盘片SⅣ应力较大，盘片结构因SⅣ应力超标较先发生破坏；而管式拉撑圆盘的管材自身应力较大，因SⅡ和SⅣ应力超标较先发生破坏，因此拉撑件周向间距设置不宜过大。