帶式燒結(jié)機(jī)臺車篦條疲勞分析

齊鐵力

(唐山學(xué)院a.河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)電工程系，河北 唐山 063000)

臺車是帶式燒結(jié)機(jī)上承載燒結(jié)礦的主要部件，主要由臺車體、車輪、卡輪、密封裝置、欄板、篦條等組成。臺車承受的載荷主要是機(jī)械力和熱載荷，其運(yùn)行環(huán)境和工作條件都比較惡劣，所以容易產(chǎn)生熱疲勞而損壞[1]。

目前國內(nèi)外對燒結(jié)機(jī)臺車的研究主要集中在燒結(jié)過程控制、燒結(jié)機(jī)臺車及其主梁和欄板的應(yīng)力分析與溫度分析上，對臺車篦條的研究較少[2-8]。而篦條是承受交變熱載荷的關(guān)鍵零件，因此，本文以130 m2帶式燒結(jié)機(jī)的篦條為研究對象，運(yùn)用有限元方法對篦條的應(yīng)力場與溫度場進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析篦條的疲勞特性，得出篦條的屈服特性和易疲勞的薄弱部位。

1 三維實(shí)體模型

篦條排布在臺車底面，分為三排布置，每排90-120件，通常中間篦條的溫度較高[9]。篦條的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此選取Solidworks作為建模工具，利用草圖、拉伸、修剪、鏡像等命令，完成臺車和中間篦條的三維模型，如圖1和圖2所示。本文只分析中間篦條的情況，故從臺車模型中提取中間篦條，并將其導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行分析。兩端篦條的分析可參照中間篦條的分析過程。

1.左端篦條；2.中間篦條；3.右端篦條圖1 臺車的三維模型

圖2 中間篦條的三維模型

2 有限元數(shù)值模型

劃分網(wǎng)格：在理論層面，機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分可以是任意的，而在實(shí)踐過程中不得不考慮其可行性和經(jīng)濟(jì)性，因此在劃分網(wǎng)格時(shí)，需遵循的原則是[10]：在滿足計(jì)算精度的前提下簡化結(jié)構(gòu)；運(yùn)用重復(fù)性、對稱性等，縮短計(jì)算時(shí)間。

劃分網(wǎng)格時(shí)一般會考慮計(jì)算規(guī)模和精度兩個因素來明確網(wǎng)格數(shù)量，通常在進(jìn)行靜力分析時(shí)，會選取較少的網(wǎng)格數(shù)量，而在計(jì)算應(yīng)力時(shí)，需在精度要求不變的情況下選取較多的網(wǎng)格數(shù)量。本文研究對象為中間篦條，對其網(wǎng)格劃分后，網(wǎng)格數(shù)為6 599個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為8 651個，如圖3所示。

圖3 中間篦條的有限元模型

選擇單元：以三維實(shí)體單元來表示篦條的結(jié)構(gòu)與實(shí)際情況更相符。篦條的結(jié)構(gòu)不規(guī)則，因此選擇比較靈活的四面體單元。

本構(gòu)模型：高鉻鑄鐵作為篦條的材料，密度為3 714 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為39.3 W/(m·K)，彈性模量為196 GPa，泊松比為0.28，常溫屈服強(qiáng)度為340 MPa。

3 熱應(yīng)力分析

針對篦條實(shí)際工作情況，分兩種工況進(jìn)行分析：一是分析篦條處在最高溫900 ℃時(shí)的熱應(yīng)力；二是分析篦條處在最低溫200 ℃時(shí)的熱應(yīng)力。

3.1 工況一下的熱應(yīng)力

運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)臺車在某一時(shí)刻的溫度呈穩(wěn)態(tài)對稱分布[11]。篦條的工作條件十分惡劣，由實(shí)地測量可得，臺車體中間篦條的表面溫度高達(dá)850 ℃，兩端(臺車長度方向)散熱條件更差，溫度還要高出80～100 ℃。礦石在燒結(jié)過程中在臺車的中心點(diǎn)火，因此溫度由臺車中心向兩端逐漸降低。假定在圖3中，臺車中心與篦條的左端更近，篦條左端的溫度則比右端高約100 ℃。因此，在有限元分析中，在篦條的左、右端分別施加900 ℃和800 ℃的熱載荷，如圖4所示。工況一下篦條的溫度分布云圖如圖5所示。

圖4 工況一下篦條熱載荷的施加

圖5 工況一下篦條溫度分布云圖

由圖5可知，工況一下，篦條的溫度從一端到另一端呈線性分布，即篦條在臺車中心的點(diǎn)火處或離中心最近的地方所獲得的熱量最大，篦條熱量最大部位最容易因熱而發(fā)生變形。這就是工況一下篦條靠近臺車中心處容易引起燒蝕的主要原因。

材料的屈服極限隨溫度的升高而降低。在施加熱載荷的前提下，因屈服極限降低，分析對象的應(yīng)力值會趨近屈服極限，因而材料遭到破壞。在燒結(jié)的過程中，篦條一方面受高溫影響，另一方面還要承受機(jī)械載荷，熱和力之間的相互作用共同形成了篦條載荷。在對篦條進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，常溫條件下施加1.6×10-2MPa的機(jī)械載荷，具體載荷和約束的施加如圖6所示。

圖6 工況一下篦條載荷和約束的施加

經(jīng)數(shù)值計(jì)算，得到篦條的位移分布云圖和等效應(yīng)力分布云圖，如圖7所示。

由圖7(a)可知，篦條頂部應(yīng)力較小，而兩腳外側(cè)的位移較大，這是由于兩腳處形狀變化大，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，故工況一下篦條的應(yīng)力疲勞最可能發(fā)生在其兩腳的外側(cè)。

篦條的材料是高鉻鑄鐵，在900 ℃時(shí)的屈服極限為89 MPa。由圖7(b)可知，篦條最大應(yīng)力值為106 MPa，篦條局部已經(jīng)超過此時(shí)的屈服極限，出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象。

(a)位移分布云圖

(b)等效應(yīng)力分布云圖圖7 工況一下篦條位移和應(yīng)力分布云圖

3.2 工況二下的熱應(yīng)力

對工況二下進(jìn)行熱應(yīng)力分析時(shí)熱載荷的施加變?yōu)橐欢?00 ℃，另一端300 ℃，其余條件和步驟與工況一相同，在此略去。經(jīng)計(jì)算得到工況二下篦條的溫度、位移、應(yīng)力分布云圖如圖8所示。

(a)溫度分布云圖

(b)位移分布云圖

(c)等效應(yīng)力分布云圖圖8 工況二下篦條溫度、位移、應(yīng)力分布云圖

由圖8(a)可以看出，工況二下，篦條上的溫度從一端到另一端呈線性分布，篦條在靠近臺車中心的左端所獲得的熱量最大。

由圖8(b)可知，篦條中部和兩腳外側(cè)的位移較大，頂部兩側(cè)應(yīng)力較小，故工況二下應(yīng)力疲勞最可能發(fā)生在篦條的中部和兩腳外側(cè)。

高鉻鑄鐵材料在300 ℃時(shí)的屈服極限為331 MPa。由圖8(c)可知，工況二下篦條最大應(yīng)力值為337 MPa，因此，篦條局部已經(jīng)超過此時(shí)的屈服極限，出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象。

3.3 常溫下的熱應(yīng)力

在常溫下施加相同的機(jī)械載荷(即篦條只受機(jī)械載荷)，篦條位移及應(yīng)力分布云圖如圖9所示。

由圖9(a)可知，篦條兩端位移變化及應(yīng)力分布都是對稱的。高鉻鑄鐵材料常溫下的屈服極限為340 MPa，由圖9(b)可知，常溫下篦條最大應(yīng)力為1.84 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此時(shí)的屈服極限。

(a)位移分布云圖

(b)等效應(yīng)力分布云圖圖9 常溫下施加機(jī)械載荷的篦條位移、應(yīng)力分布云圖

3.4 熱應(yīng)力結(jié)果分析

(1)在常溫下施加相同的機(jī)械載荷，篦條所受最大應(yīng)力為1.84 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此時(shí)的屈服極限。當(dāng)施加溫度載荷以后，兩種工況下的最大應(yīng)力值分別為106 MPa和337 MPa，對應(yīng)的屈服極限分別為89 MPa和331 MPa，此時(shí)篦條局部已經(jīng)超過相應(yīng)工況下的屈服極限，說明篦條的變形主要是熱載荷引起的，機(jī)械載荷對篦條變形影響不大。

(2)隨著溫度的升高，篦條的屈服極限不斷降低。由兩種工況可知，篦條在工作中受到循環(huán)熱載荷的作用，很容易產(chǎn)生熱疲勞，所以對篦條進(jìn)行熱應(yīng)力疲勞分析，進(jìn)而得到篦條疲勞壽命，對于篦條的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)非常必要。

4 疲勞分析

4.1 問題描述

由篦條熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，由于承受激烈循環(huán)的溫度波動，篦條受到很大的熱應(yīng)力循環(huán)，易產(chǎn)生疲勞破壞。本文選取兩工況下等效應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)為疲勞分析的對象，提取此節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力來進(jìn)行篦條的疲勞壽命計(jì)算。

4.2 疲勞壽命計(jì)算

疲勞位置選在篦條熱應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)處，疲勞事件選擇兩種工況下的熱應(yīng)力循環(huán)，疲勞載荷選擇兩工況下的熱應(yīng)力。

由于篦條的疲勞位置處形狀不規(guī)則，如同角鋼受彎時(shí)的形狀，所以需設(shè)定應(yīng)力集中系數(shù)，查閱《應(yīng)力集中系數(shù)手冊》中的相關(guān)內(nèi)容，得到此處應(yīng)力集中系數(shù)為1.2[12]。

在ANSYS軟件的材料設(shè)置中，輸入高鉻鑄鐵的疲勞特性數(shù)據(jù)，得到其S-N曲線，如圖10所示。

圖10 高鉻鑄鐵S-N曲線

在ANSYS軟件中，將事件循環(huán)次數(shù)設(shè)置為10 000，進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，其結(jié)果如圖11所示。

圖11 疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

從疲勞壽命計(jì)算的結(jié)果可得，此處的最大循環(huán)壽命為9 231次。將130 m2帶式燒結(jié)機(jī)作為研究對象，其長度為53.145 m，臺車調(diào)速范圍為1.3～3.9 m/min[6]，現(xiàn)取2 m/min，一般燒結(jié)機(jī)每天工作24 h，每年工作約330 d，實(shí)際中篦條的循環(huán)壽命為8 941次。經(jīng)ANSYS軟件計(jì)算得到的篦條壽命與之相比，相差不大，符合實(shí)際情況，說明計(jì)算準(zhǔn)確。

為了得到整個篦條的壽命，在ANSYS的workbench模塊中建立仿真模型，得到的疲勞壽命結(jié)果，如圖12所示。

圖12 篦條所有節(jié)點(diǎn)疲勞壽命結(jié)果

4.3 疲勞結(jié)果分析

(1)經(jīng)軟件計(jì)算，130 m2帶式燒結(jié)機(jī)篦條的最大循環(huán)壽命為9 231次，而且其實(shí)際壽命為8 941次，計(jì)算結(jié)果基本和實(shí)際情況相符。篦條常溫下受純機(jī)械載荷作用時(shí)，其受到的交變應(yīng)力幅非常小，由S-N曲線可知，機(jī)械載荷不會造成篦條的疲勞破壞；而熱載荷下的篦條應(yīng)力幅達(dá)到了231 MPa，應(yīng)力變化非常大，這使得在篦條表面非常容易產(chǎn)生裂紋并快速擴(kuò)展，最終使得篦條失效，這是引起篦條失效的最主要原因之一。由此可以得出結(jié)論：篦條破壞的主要原因是激烈的熱循環(huán)而造成的熱疲勞。

(2)由疲勞理論可知，低周疲勞的循環(huán)次數(shù)一般在10 000次以下，且常伴有塑性變形現(xiàn)象發(fā)生[13]。而由篦條熱應(yīng)力分析結(jié)果可知，兩種工況下篦條所受最大等效應(yīng)力均超過了相應(yīng)溫度下的屈服極限，出現(xiàn)了塑性變形現(xiàn)象，這正符合疲勞理論中低周疲勞會產(chǎn)生塑性變形現(xiàn)象的論斷。由此可以得出結(jié)論：篦條由于循環(huán)熱載荷而產(chǎn)生的疲勞屬于低周疲勞。這是由于循環(huán)的熱應(yīng)變會引起應(yīng)變疲勞，當(dāng)篦條產(chǎn)生疲勞裂紋并擴(kuò)展到一定程度，再受到機(jī)械沖擊之后，就會出現(xiàn)突然斷裂的現(xiàn)象。對于篦條的低周疲勞的研究可以應(yīng)用工程中的應(yīng)變壽命方法來對篦條的疲勞特性進(jìn)行更加詳細(xì)的分析。

(3)由相關(guān)文獻(xiàn)可知，影響疲勞的眾多復(fù)雜因素中，應(yīng)力集中和較大的平均應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度危害最大。而由熱應(yīng)力等效應(yīng)力分布云圖可知，篦條兩腳外側(cè)應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，并且此處較其他部位平均應(yīng)力大，因此此處是篦條疲勞的薄弱部位，所以，優(yōu)化篦條兩腳外側(cè)結(jié)構(gòu)，降低此處的應(yīng)力集中，是提高篦條疲勞強(qiáng)度非常有力的措施。

5 結(jié)論

(1)篦條的破壞主要是由于激烈的熱循環(huán)引起的熱疲勞而造成的。

(2)篦條由于循環(huán)熱載荷而產(chǎn)生的疲勞屬于低周疲勞。

(3)在對篦條進(jìn)行設(shè)計(jì)制造時(shí)，可優(yōu)化兩腳外側(cè)結(jié)構(gòu)，減小此處的應(yīng)力集中，以提高篦條壽命。