齊鐵力
(唐山學(xué)院a.河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計及過程仿真重點實驗室;b.機電工程系,河北 唐山 063000)
臺車是帶式燒結(jié)機上承載燒結(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械力和熱載荷,其運行環(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)機臺車的研究主要集中在燒結(jié)過程控制、燒結(jié)機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)機的篦條為研究對象,運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。
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
劃分網(wǎng)格:在理論層面,機械結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分可以是任意的,而在實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,需遵循的原則是[10]:在滿足計算精度的前提下簡化結(jié)構(gòu);運用重復(fù)性、對稱性等,縮短計算時間。
劃分網(wǎng)格時一般會考慮計算規(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,會選取較少的網(wǎng)格數(shù)量,而在計算應(yīng)力時,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:以三維實體單元來表示篦條的結(jié)構(gòu)與實際情況更相符。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,常溫屈服強度為340 MPa。
針對篦條實際工作情況,分兩種工況進(jìn)行分析:一是分析篦條處在最高溫900 ℃時的熱應(yīng)力;二是分析篦條處在最低溫200 ℃時的熱應(yīng)力。
運轉(zhuǎn)時臺車在某一時刻的溫度呈穩(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,常溫條件下施加1.6×10-2MPa的機械載荷,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
對工況二下進(jìn)行熱應(yīng)力分析時熱載荷的施加變?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)超過此時的屈服極限,出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象。
在常溫下施加相同的機械載荷(即篦條只受機械載荷),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 常溫下施加機械載荷的篦條位移、應(yīng)力分布云圖
(1)在常溫下施加相同的機械載荷,篦條所受最大應(yīng)力為1.84 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于此時的屈服極限。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)計非常必要。
由篦條熱應(yīng)力計算結(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)點為疲勞分析的對象,提取此節(jié)點等效應(yīng)力來進(jìn)行篦條的疲勞壽命計算。
疲勞位置選在篦條熱應(yīng)力最大的節(jié)點處,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)行疲勞壽命計算,其結(jié)果如圖11所示。
圖11 疲勞壽命計算結(jié)果
從疲勞壽命計算的結(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)機每天工作24 h,每年工作約330 d,實際中篦條的循環(huán)壽命為8 941次。經(jīng)ANSYS軟件計算得到的篦條壽命與之相比,相差不大,符合實際情況,說明計算準(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)點疲勞壽命結(jié)果
(1)經(jīng)軟件計算,130 m2帶式燒結(jié)機篦條的最大循環(huán)壽命為9 231次,而且其實際壽命為8 941次,計算結(jié)果基本和實際情況相符。篦條常溫下受純機械載荷作用時,其受到的交變應(yīng)力幅非常小,由S-N曲線可知,機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)生疲勞裂紋并擴展到一定程度,再受到機械沖擊之后,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,是提高篦條疲勞強度非常有力的措施。
(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)計制造時,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。