雙回程烘干滾筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

摘? 要：雙回程烘干滾筒在運(yùn)行一定時(shí)間后，容易在進(jìn)料端滾圈支撐板處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。通過分析物料在滾筒內(nèi)的分布情況，并對(duì)滾筒運(yùn)行工況進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)滾筒進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，確定滾筒應(yīng)力集中區(qū)域，研究滾圈支撐板開裂的原因。

關(guān)鍵詞：干燥滾筒;滾圈;支撐板;靜強(qiáng)度分析

中圖分類號(hào)：TK173? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

雙回程烘干滾筒是干粉攪拌設(shè)備中的主要部件，用于對(duì)原料進(jìn)行烘干冷卻，以保證干粉砂漿產(chǎn)品的質(zhì)量。烘干滾筒是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并充分進(jìn)行加熱烘干作業(yè)，將直接影響整套干粉攪拌設(shè)備的正常生產(chǎn)，也是衡量整機(jī)性能的主要因素。干燥滾筒的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

支撐板介于烘干滾筒筒體與滾圈之間，起支撐固定作用，并能有效緩沖筒體與滾圈之間的相互沖擊，現(xiàn)有支撐板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

目前滾圈支撐板的設(shè)計(jì)以借鑒或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，并無理論依據(jù)支撐，產(chǎn)品的可靠性得不到保證。該文利用ANSYS分析滾筒整體應(yīng)力分布情況，確定滾筒應(yīng)力集中區(qū)域，為滾筒支撐板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 滾筒實(shí)體模型

滾筒內(nèi)各種葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為減少計(jì)算量，將內(nèi)、外筒體上的葉片全部簡(jiǎn)化掉，將進(jìn)料端簡(jiǎn)化成一段直徑與內(nèi)筒一樣的圓筒，利用SOLIDWORKS軟件建立滾筒簡(jiǎn)化模型如圖3所示。滾筒筒體材料為20 g，屈服強(qiáng)度σS=277 MPa;滾圈材料為35鋼，屈服強(qiáng)度σS=380 MPa;滾筒支撐板的材料為Q235A，屈服強(qiáng)度σS=231 MPa，99.9%存活率下的疲勞極限σ-1=177 MPa。

2 滾筒邊界條件

邊界條件主要包括施加在模型上的約束及外載荷等。滾筒由4個(gè)托輪與滾圈接觸支撐，因此滾筒的約束施加在滾圈與托輪接觸的4條接觸線上。作用在滾筒上的載荷主要有滾筒運(yùn)行時(shí)的離心力，原料對(duì)滾筒的作用力以及滾筒自身所受的重力。

滾筒簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的質(zhì)量轉(zhuǎn)換成筒體的質(zhì)量，計(jì)算得內(nèi)筒的密度ρ1=13 500 kg/m3，進(jìn)料端筒體密度ρ2=22 300 kg/m3，外筒密度ρ3=10 800 kg/m3，滾圈及其他結(jié)構(gòu)密度ρ4=7 850 kg/m3，滾筒持料量約為4 300 kg。

3 滾筒有限元模型

有限元分析中，單元網(wǎng)格劃分的好壞與計(jì)算結(jié)果的精確度及計(jì)算消耗的時(shí)間有很大關(guān)系，因此，劃分單元網(wǎng)格是進(jìn)行有限元分析求解中很重要的一步。該文采用Solid45六面體單元對(duì)滾筒進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分網(wǎng)后共有個(gè)127 190節(jié)點(diǎn)和116 370個(gè)單元。

4 求解及結(jié)果分析

由于滾筒轉(zhuǎn)速低，離心力可忽略不計(jì)，因此該文采用Static靜態(tài)求解器求解。為模擬滾筒旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)的受力情況，采取間隔2.7°施加一次載荷及約束并寫出載荷步文件，總共生成132個(gè)載荷步。求解時(shí)選擇From LS Files方法，依次讀入載荷步進(jìn)行求解。

由于滾筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，正常運(yùn)行時(shí)滾筒處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，所以取當(dāng)量應(yīng)力（Von Mises Stress）作為計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行研究。進(jìn)入ANSYS通用后處理模塊，對(duì)滾筒應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。由圖5應(yīng)力云圖可知，滾筒旋轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)力集中于支撐板與滾筒焊接一端折彎處附近，A點(diǎn)的當(dāng)量應(yīng)力值最大，其值為σv=43 MPa，是滾筒可能發(fā)生失效的危險(xiǎn)位置。與滾筒支撐板實(shí)際裂紋位置（如圖6所示）基本吻合。

由圖7應(yīng)力矢量圖可知，支撐板在滾筒旋轉(zhuǎn)過程中，危險(xiǎn)點(diǎn)A處的第二主應(yīng)力σ2比較小，可認(rèn)為支撐板始終處于拉伸、壓縮交替變換的應(yīng)力中。由材料疲勞失效的定義：材料在循環(huán)載荷作用下，局部高應(yīng)力部位損傷逐漸積累，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋或裂紋在循環(huán)載荷作用下不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致發(fā)生完全斷裂的失效形式，可知支撐板有發(fā)生疲勞失效的危險(xiǎn)，當(dāng)支撐板的等效對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力幅大于修正后的材料疲勞極限時(shí)必將發(fā)生疲勞失效。

5 結(jié)論

滾筒在正常運(yùn)行情況下，應(yīng)力集中于支撐板與滾筒焊接一端折彎處，與實(shí)際滾圈破壞位置一致。但是滾筒運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力水平較低，支撐板應(yīng)力集中區(qū)的等效對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力幅小于修正后的材料疲勞極限，滾筒正常工況下不會(huì)發(fā)生疲勞失效。由于滾筒的失效均發(fā)生在滾筒長(zhǎng)期不正常運(yùn)行，出現(xiàn)徑向跳動(dòng)，整個(gè)滾筒振動(dòng)比較大的情況下，因此可推斷引起滾筒失效的主要原因是滾筒振動(dòng)產(chǎn)生較大的沖擊載荷，從而造成滾筒振動(dòng)疲勞失效。

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