水泥回轉(zhuǎn)窯滾圈－托輪有限元分析

王春蘭

（中國礦業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院；徐州市賈汪中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州 221116）

水泥回轉(zhuǎn)窯滾圈－托輪有限元分析

王春蘭

（中國礦業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院；徐州市賈汪中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州 221116）

基于ANSYS平臺對某公司回轉(zhuǎn)窯滾圈－托輪進行了接觸分析.結(jié)果表明：現(xiàn)有工況下滾圈最頂端變形最大，將引起筒體發(fā)生變形；距離托輪表層14.567mm處存在最大剪應(yīng)力，是材料發(fā)生破壞的危險區(qū)域；接觸線及其附近區(qū)域節(jié)點出現(xiàn)滑移，發(fā)生滑移的接觸面將要發(fā)生破壞，在實際運行中要密切關(guān)注.

回轉(zhuǎn)窯；滾圈；托輪；接觸分析

回轉(zhuǎn)窯是煅燒水泥熟料的設(shè)備，其支承系統(tǒng)是回轉(zhuǎn)窯安全運行的關(guān)鍵部件，托輪支承著回轉(zhuǎn)窯回轉(zhuǎn)部分的全部重量，并在徑向通過滾圈對筒體起定位作用，一旦滾圈和托輪發(fā)生破壞，整個生產(chǎn)過程將被迫中斷，會給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失.而滾圈的破壞形式一般是由于早期接觸疲勞亞表層開裂和滾圈內(nèi)部缺陷產(chǎn)生疲勞裂紋，最后自內(nèi)向外的擴展形成整體開裂，此外滾圈的變形將直接引起筒體變形，從而使回轉(zhuǎn)窯整個支承系統(tǒng)發(fā)生故障，迫使企業(yè)停窯.因此，研究滾圈和托輪接觸性能，分析接觸應(yīng)力，預(yù)測變形及破壞位置對于保障回轉(zhuǎn)窯支承系統(tǒng)的安全運行，及企業(yè)的維護、維修提供一定的理論依據(jù).方芳[1]運用有限元方法對10000t/d水泥回轉(zhuǎn)窯溫度場與熱應(yīng)力進行有限元分析；王和慧,謝可迪等[2]運用理論分析和有限元技術(shù)，研究復(fù)雜重載、多支承、變剛度和超靜定的大型回轉(zhuǎn)窯筒體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為；王琳等[3]用ANSYS軟件，以Ф5.6m×87m日產(chǎn)8000t熟料回轉(zhuǎn)窯為例,進行了筒體各段節(jié)的應(yīng)力分析,在此基礎(chǔ)上提出了大型回轉(zhuǎn)窯各筒體段節(jié)的優(yōu)化設(shè)計方案；彭云華等[4]運用有限元技術(shù)對大型瀝青焦回轉(zhuǎn)窯設(shè)備的液壓檔輪進行應(yīng)力分析與優(yōu)化；沈意平等[5]分析了滾圈動載荷分布情況，采用有限元法對支承滾圈進行模態(tài)分析，得到支承滾圈的模態(tài)特性及其動態(tài)危險部位，為設(shè)備的動態(tài)健康維護奠定了基礎(chǔ).

1 ANSYS接觸分析流程

ANSYS是一款集力、熱、磁、電、模態(tài)等分析于一體的大型通用型分析軟件，目前廣泛應(yīng)用于機械制造、航空航天、石油化工、能源等領(lǐng)域，取得了巨大的經(jīng)濟效益.ANSYS接觸問題分為兩種基本類型：剛體─柔體的接觸，半柔體─柔體的接觸[6].剛體─柔體的接觸可以認為是完全剛性的，沒有應(yīng)變、應(yīng)力和變形,適用于一種軟材料與一種硬材料接觸的情形.半柔體─柔體適用于接觸剛度相近的兩接觸變形體，是應(yīng)用較為廣泛的一種類型.在ANSYS中支持工業(yè)領(lǐng)域中三種接觸方式：點─點，點─面，平面─面，每種接觸方式使用的接觸單元適用于某類問題.在ANSYS軟件中一般的接觸分析流程如圖1所示.

在分析過程中需要注意網(wǎng)格劃分及接觸單元創(chuàng)建兩個關(guān)鍵點.網(wǎng)格劃分的粗細關(guān)系的計算時間和計算精度.網(wǎng)格越細，精度越高，但計算時間較長；反之網(wǎng)格越粗，計算時間較短，但精度不高，因此必須注意時間與精度的協(xié)調(diào)性.本分析中在接觸區(qū)域采用較細網(wǎng)格，其余部分采用粗網(wǎng)格劃分.接觸分析與一般分析最大的不同之處就是在加載求解之前必須創(chuàng)建接觸單元.

2 滾圈與托輪有限元模型的建立及關(guān)鍵項設(shè)置

根據(jù)實際回轉(zhuǎn)窯尺寸和工況，綜合考慮計算效率，取對稱模型的1/2進行建模.滾圈－托輪接觸屬于線接觸分析，綜合考慮材料、應(yīng)力的非線性等因素選取SOLID95單元作為三維實體分析單元.SOLID95是一個高階版本的三維實體單元，是六面體二十節(jié)點單元，每節(jié)點具有三個自由度.該單元具有塑性，熱膨脹性，蠕變性，大強度，大變形等性能.適合滾圈和托輪的點一面接觸分析，所以滾圈和托輪都用SOLID95建模.滾圈和托輪的接觸屬于面與面的接觸，因此分析中接觸單元選取TARGE170和CONTA174單元分別作為目標面和接觸面單元，滾筒－托輪接觸單元如圖2所示.求解之前要施加重力加速度G為9.8m/s2，同時打開時間步長，打開牛頓拉普森選項.

圖2 滾筒－托輪接觸單元

3 結(jié)果分析及討論

求解結(jié)束后采用通用后處理器POST1和時間歷程處理器POST2，可以得到整個模型的等值效應(yīng)力彩色云圖，等值線圖、接觸云圖等，非常直觀地看出零件的受力、變形等.

圖3 滾圈變形圖

圖3為載荷作用下滾圈的變形場分布云圖，從圖中可以明顯看出滾圈上部變形即最頂端間隙明顯增大，而最低端及與托輪支承區(qū)域變形極小，中部沿x方向由于受到頂部和底部的擠壓作用，滾圈明顯向右鼓起，產(chǎn)生一定的變形.產(chǎn)生這樣變形的原因主要是由于滾筒自重、余弦載荷以及左右兩托輪綜合作用的結(jié)果.

圖4 滾圈等效應(yīng)力分布圖

圖4滾圈等效應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出在接觸區(qū)域滾圈內(nèi)部面應(yīng)力最大，其次在滾圈1/4處應(yīng)力較大，其余地方逐漸減小.這主要是由于在接觸區(qū)域壓力載荷和托輪支承反力綜合作用的結(jié)果，也意味著這些區(qū)域是將來變形的位置所在，在設(shè)備運行過程中要密切關(guān)注.

圖5 沿接觸線路徑上X,Y,Z方向上剪切應(yīng)力曲線圖

圖5為沿接觸線路徑上X,Y,Z方向上剪切應(yīng)力曲線圖.從圖中可以直觀看出，剪切主應(yīng)力隨著沿路徑深入的地方先增大后減小，而且在接觸點處應(yīng)力值為負值，說明該點處受到壓應(yīng)力.通過查看節(jié)點應(yīng)力值可以看出最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在距離托輪表層14.567mm處，最大值為15.75Mpa，對于這個最大剪應(yīng)力，它在內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力數(shù)值將超過上面所述的接觸邊緣處的拉應(yīng)力，對表面下層含材料缺陷的地方極可能在此處產(chǎn)生滑移帶裂紋，這是剝層磨損的裂紋源，在交變應(yīng)力作用下將擴展成大致平行于接觸表面的宏觀裂紋以至剝層掉塊.

圖6 接觸區(qū)滾圈應(yīng)力分布（a）及接觸區(qū)應(yīng)力分布放大圖（b）

圖7 接觸區(qū)托輪應(yīng)力分布

圖8 接觸線路徑上應(yīng)力分布

圖6接觸區(qū)滾圈應(yīng)力分布圖，圖7接觸區(qū)托輪應(yīng)力分布，圖8接觸線路徑上應(yīng)力分布.結(jié)合應(yīng)力分布云圖及接觸線應(yīng)力分布圖可以看出，在接觸區(qū)域滾圈應(yīng)力最大值為69.28Mpa，這也是接觸處的最大應(yīng)力，同時查看節(jié)點可以明顯看出這個最大應(yīng)力出現(xiàn)距離邊緣處7.8mm處，而托輪上最大應(yīng)力值為80MPa.當滾圈和托輪表面存在局部焊補或非金屬夾雜物時，在表面焊補處容易產(chǎn)生高溫微裂紋，進而在受到幅值很大的交變應(yīng)力作用時，很容易出現(xiàn)大面積剝落，造成滾圈和托輪的破壞.

圖9 滾圈－托輪接觸狀態(tài)圖（a）和滾圈－托輪接觸面間隙距離圖（b）

圖9為滾圈－托輪接觸狀態(tài)圖（a）和滾圈－托輪接觸面間隙距離圖（b）.云圖條包含三種狀態(tài)顏色，從左至右依次是遠離狀態(tài)、近接觸狀態(tài)和滑移狀態(tài).從圖中可以直觀看出接觸線及其附近區(qū)域節(jié)點已經(jīng)出現(xiàn)了滑移，也就是說發(fā)生滑移的接觸面將要發(fā)生破壞.而其它區(qū)域基本上都是未接觸或?qū)⒁佑|.而且從發(fā)生滑移的部分可以看出托輪和滾筒接觸面的一部分首先進行壓扁然后發(fā)生滑移，這與理論分析、現(xiàn)場實際和變形分析也是相一致的.圖（b）為滾圈－托輪接觸面間隙距離圖，從圖中可以明顯看出接觸線附近區(qū)域間隙距離為0，說明兩者已經(jīng)相互完全侵入，發(fā)生劇烈的摩擦、滑移，其它區(qū)域間隙距離逐漸增大直至遠離.

4 結(jié)論

（1）基于ANSYS軟件，建立了水泥回轉(zhuǎn)窯滾圈－托輪的有限元模型，進行了接觸性能分析.

（2）滾圈和筒體之間的上部間隙即最頂端間隙明顯增大，而最低端及與托輪支承區(qū)域變形極小，中部沿x方向由于受到頂部和底部的擠壓作用，滾圈明顯向右鼓起，產(chǎn)生一定的變形.

（3）距離托輪表層14.567mm處，存在最大剪應(yīng)力，一旦超過材料的許用應(yīng)力，對表面下層含材料缺陷的地方極可能在此處產(chǎn)生滑移帶裂紋，這是剝層磨損的裂紋源.

（4）接觸狀態(tài)圖表明接觸線及其附近區(qū)域節(jié)點已經(jīng)出現(xiàn)了滑移，也就是說發(fā)生滑移的接觸面將要發(fā)生破壞，設(shè)備實際運行中要注意防護.

〔1〕方芳.10000t/d回轉(zhuǎn)窯溫度場與熱應(yīng)力有限元分析研究 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008,30(8):62－64.

〔2〕王和慧,謝可迪，陳一凡，等.大型回轉(zhuǎn)窯筒體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為分析 [J].機械強度，2010,32(4):606－616.

〔3〕王琳，王炳龍，陸大剛，梁軍.大型回轉(zhuǎn)窯筒體裝置有限元分析研究[J].水泥工程，2010(2)：48－54.

〔4〕彭云華，郭衛(wèi)輝，王和慧.大型回轉(zhuǎn)窯液壓檔輪的有限元分析及其優(yōu)化 [J].石油與化工設(shè)備，2010,13(10):25－28.

〔5〕沈意平，李學(xué)軍，劉德順.大型回轉(zhuǎn)窯支承滾圈的有限元動力特性分析 [J].機械科學(xué)與技術(shù)，2007，26（9）：1155－1158.

〔6〕錢俊梅,江曉紅,仲小冬，等.談基于 ANSYS 軟件的接觸分析問題[J].煤礦機械，2006，27（7）：62－64.

TH112.3

A

1673-260X（2011）11-0132-03