SKLNA系列逆流式冷却器排料装置优化分析

翟廷科 张勇军 张文良 李 飞

SKLNA系列逆流式冷却器排料装置优化分析

翟廷科 张勇军 张文良 李 飞

SKLNA系列逆流式冷却器排料装置的工作性能会直接影响冷却器的整体工作性能。文章针对冷却器排料装置的性能提升进行应力、应变分析。首先将排料装置的应力、应变试验结果与有限元分析结果进行对比以确定有限元方法是否可行；其次在满载荷的情况下，采用有限元分析方法对冷却器排料装置进行优化设计，并提出优化方案。

冷却器；有限元；应力；应变

冷却器是颗粒饲料加工工艺中的关键设备，其质量好坏直接影响到颗粒饲料的质量。目前市场上冷却器的种类大致分为卧式冷却器、立式冷却器、圆筒式冷却器及逆流冷却器，其中逆流冷却器以外形简洁美观、单位产量的空气消耗量低、采用先进的逆流原理等优点深得客户的喜爱。SKLNA系列逆流式冷却器是某集团改进型的逆流冷却器，在继承了所有逆流式冷却器的优点的同时，该新型冷却器采用更加合理的洒料装置和排料装置，使得冷却器在降低破碎率、冷却效果及结构寿命都得到很大的提高。

SKLNA系列逆流式冷却器虽然在性能上得到很大提升，与同行业相同类型冷却器相比有很大竞争优势，但是该型号冷却器还是有很大的提升空间。本文将重点针对该冷却器的排料装置进行优化分析，首先对该系列逆流冷却器的排料装置施加测试载荷，并将该情况下的应力和应变测试的结果与有限元分析结果对比；然后在满载荷的情况下，采用有限元软件ANSYS对排料装置进行有限元分析，实现该型号冷却器排料装置的最优配置。

1 逆流式冷却器的排料原理

排料装置是逆流式冷却器的关键部件，主要包括减压板、流量调节栅板、排料栅板等。该型号冷却器增设的减压板结构与支座相连，分担了物料对于排料栅栏的正压力，解决了由此引起的栅栏变形问题；相对于传统的逆流式冷却器其动力消耗更小，通风面积更大，具有更优越的冷却效果。流量调节栅板通过改变其与排料栅板的相对位置对排料流量进行调节；排料栅栏是冷却器的重要功能部件，由牵引块、栅条、横边、滚动轴承等部分组成，可以在传动装置的牵引下在底座导轨上做直线往复运动，进行卸料。具体工作原理如图1所示。

图1 排料装置

2 排料装置实验与有限元分析结果对比

为使分析结果更具有说服力，首先在冷却器排料装置上施加一定的载荷，然后与有限元分析结果进行对比，观察二者误差是否在允许范围内。

2.1 应力、应变测试

由图1可知，逆流式冷却器的排料装置分为三层，第一层为减压栅板，第二层为调节栅板，第三层为排料栅板。减压栅板的作用主要用于承受正压力，故对第一层进行满载时的应力测试；而第二层和第三层真正的作用是排料，对它们影响最大的因素是应变，如果二者应变尺寸过大就会导致大量的物料残留，从而影响排料器的整体性能，所以对第二层和第三层栅板在进行应力测试的同时进行位移测试。

在排料装置上设置6个位置对称的测试点，通过6次加载，所加载荷共计3.51×104N。各层栅板上测试点的分布如图2所示。

图2 各层栅板测试点分布

各测试点的具体应力测试结果就不再详细表述，各层栅板上两个测试点的平均应力如表1所示。

表1 各层栅板测点的平均应力

在对施加3.51×104N载荷的情况下，调节流量栅板和排料栅板的应变测试结果如表2所示。

表2 栅板的应变值（mm）

2.2 有限元分析

在测试载荷作用下，通过对三层栅板施加不同分配载荷进行有限元计算，并将其应力、应变与测试结果相比较。本文采用实体单元SOLID45建模，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，各层载荷分布比例分别为50%、15%、35%。应力分析结果如图3、图4、图5所示。

图3 第一层测点应力（30.1 MPa）

图4 第二层测点应力（5.37 MPa）

图5 第三层测点应力（10.2 MPa）

第二层和第三层栅板的应变分析结果如图6、图7所示。

图6 第二层测点变形

图7 第三层测点变形

观察上图可知各层栅板的测试点的应力及应变的数值，将其与实验结果对比如表3、表4所示。

表3 各层测点应力对比（MPa）

表4 各层测点应变对比（mm）

由表3、表4可知，经过比较可以看出，测点应力的有限元分析结果与测试结果接近，误差满足要求；两者变形相差0.3 mm，主要由于测试时，第一次加载结束后百分表掉落，应变测试结果较实际值应偏小。通过比较可认为有限元分析模型与实际工况下模型相同，对此模型进一步按满载计算其结构的应力和变形。

3 满载荷有限元分析

分析方法与上述相同，该型号冷却器满载承重为5 t，即所加载荷总量为4.9×104N。经过分析计算，查看后处理得出满载时排料装置的整体应力和应变，如图8～图12所示。

图8 第一层整体应力

图9 第二层整体应力

图10 第三层整体应力

图11 第二层整体应变

图12 第三层整体应变

由上图可知，在满载荷情况下，通过有限元分析可以得出该型号冷却器的排料装置各层栅板的应力分布及应变分布状况。有限元分析的最大应力及最大应变如表5所示。

表5 满载荷有限元分析结果

4 分析与结论

4.1 该型号冷却器的用材为碳钢，其许用应力一般在185～235 MPa。结合上述图表可知，各层栅板均受到应力集中的影响，如果排除此因素的影响，该型号冷却器结构整体应力较小，满足强度要求，并且强度富裕量较大，存在结构优化的空间。

4.2 结合上述整体结构应力分布图可知，由于存在应力集中，在筋板与槽钢、筋板与斜板等连接处的应力较大，特别是第三层的最大应力已经超过碳钢的许用应力，应考虑对此处进行加强。

4.3 结合上述整体结构应变图可知，第二层与第三层的应变量之差为1.5 mm，有可能会导致排料装置产生积料，故对于应变匹配问题需要进一步优化。

总之相对其它类型的冷却器而言，SKLNA系列逆流式冷却器的整体性能还是比较优越的。本文通过对SKLNA系列逆流式冷却器的排料装置的优化分析，进一步对该型冷却器进行性能提升，同时为解决此类问题提供一套更加成熟的分析方法。经过实验与分析结果的对比可知，有限元分析方法对于设备的性能提升提供了一条捷径。

S817.12

A

1001-991X（2011）09-0001-03

翟廷科，江苏牧羊集团研发中心，应用工程师，225127，江苏省扬州市邗江区牧羊路1号。

张勇军、张文良、李飞，单位及通讯地址同第一作者。

2010-12-19

（编辑：崔成德，cuicengde@tom.com）