（机械电子工程专业论文）大型滑履磨机结构分析及焊接工艺研究.pdf

4d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o a c a d e m i cd e g r e e se v a l u a t i o nc o m m i t t e eo f w u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed o c t o r sd e g r e ei ne n g i n e e r i n g 一 一一 t h es t r u c t u r e a n a l y s i sa n dw e l d i n g p r o c e s sr e s e a c ho nl a r g es l i d i n gm i l l p h dc a n d i d a t e ：z e n g f a n g m a j o r ：m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h e nz u o b i n g d a t e ：n o v e m b e r , 2 0 10 。 | - 户 。、 一 独创性声明 l i t lllt il li i i iii i iiiil 18 2 15 7 9 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 期m 印1 0 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 嘭关 导师( 签名- 参锄日期：m 护段 ，0 ， p 件 0 武汉理工大学博十学位论文 摘要 球磨机自1 8 9 3 年出现以来一直广泛用于矿业、建材、冶金、电力及化工等 行业的原料粉碎，在粉磨系统中发挥着巨大的作用。尤其在水泥粉磨作业中， 更是其它设备无可替代。球磨机作为一种应用广泛而且十分重要的生产机械， 日益向自动化、大型化及复杂化方向发展，为了提高产量而设计开发的磨机则 以滑履磨机为主。滑履磨机的问世，使球磨机的结构更加可靠，生产效率更高， 滑履磨机也成为球磨机大型化的最佳途径。 随着生产技术的发展和滑履磨机在生产中的广泛应用，针对滑履磨机的研 究也出现了很多研究方向，取得了很大的进展，各种研究成果也充分应用于生 产实践，产生了明显的经济效益和社会效益，大大提高了磨机大型化和科学化 的进程。 滑履磨机粉磨物料的主要工作部分是筒体，主要工作应力包括磨机及磨球 的重力、磨球及物料对简体的冲击力，因此对磨机的结构安全分析是保证磨机 安全运转的必要工作。另一方面，由于滑履磨机的筒体是筒节卷制后焊接而成， 属于大型焊接结构，由于焊接残余应力的存在和对强度的影响，研究焊接应力 的大小和分布规律可以在焊接时采取调整焊接工艺、焊接参数等措施来控制焊 接质量，保证磨机正常工作。 正是由于工作应力和焊接残余应力的存在，使滑履磨机的受力情况更复杂， 所以需要采用更先进、更科学的方法对其进行研究，以期建立一种通用可行的 滑履磨机结构评定和焊接工艺研究方法。 本文在总结前人工作的基础上，从某滑履磨机的结构入手，采用数值分析 的方法，对磨机在运转过程中的筒体、滑环、托瓦、人孔等重要部位的应力和 变形情况进行了有限元分析，对磨机的结构安全性进行了评定；并对磨机简体 对接接头试验模型的温度场、应力场进行了有限元分析，并分别与理论计算值 和实验测试值进行了比较，验证了论文采用的分析方法的正确性。本文主要研 究内容如下： ( 1 ) 分析了4 6 1 5 5 m 滑履磨机主要部件的应力分布、滑环和托瓦的接触 应力分布，找出最大等效应力和最大位移变形部位，并进行了安全性校核，满 武汉理工人学博士学位论文 足强度要求； ( 2 ) 实现了人孔在1 2 个钟点位置下的疲劳应力分析，得到三个人孔的最大 应力幅，用美国a i s c 标准进行安全性校核，满足疲劳应力强度要求； ( 3 ) 运用热分析方法，对焊接实验模型进行温度场三维动态模拟，并与理论 值进行了比较，验证了分析手段的正确； ( 4 ) 在获取温度场结果的基础上，分析计算焊接热应力场，得出厚板对接焊 接头内部残余应力分布； ( 5 ) 对焊接试件进行残余应力实验测试，与数值计算结果比较，验证了论文 分析方法的准确性。 关键词：滑履磨机；有限元分析；结构；焊接；应力；温度场；应力场 i i 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t s i n c e18 9 3b a l lm i l lh a sb e e nw i d e l yu s e di nm i n i n g ，b u i l d i n gm a t e r i a l s ， c h e m i c a l ，m e t a l l u r g i c a l ，p o w e ra n ds m a s h e dt h er a wm a t e r i a li n d u s t r y i th a sp l a y e d as i g n i f i c a n tr o l ei nt h ef l o u rm i l l ss y s t e m e s p e c i a l l yi nt h ec e m e n tf l o u rm i l l s o p e r a t i n g ，t h e r ei s n oa l t e r n a t i v eo t h e re q u i p m e n t a saw i d e s p r e a da n dv e r y i m p o r t a n tm a n u f a c t u r i n gm a c h i n e ，b a l lm i l li n c r e a s i n g l yt oa u t o m a t i o n ，l a r g e 。s c a l e a n dc o m p l i c a t e dd e v e l o p m e n td i r e c t i o n t h em i l l sw h i c h a r e d e v e l o p e d a n d d e s i g n e dt oi n c r e a s ep r o d u c t i o nm a i n l ya r es l i d i n gm i l l s t h ep r o d u c t i o n o fs l i d i n g m i l lm a k e st h es t r u c t u r eo fb a l lm i l lm o r er e l i a b l e ，s i m p l ea n db e c o m el a r g e - s c a l e m i l li nt h eb e s tw a y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dw i d e l ya p p l i c a t i o no f s l i d i n gm i l l ，t h es t u d yo fs l i d i n gm i l la l s oa p p e a r e dal o to fr e s e a r c hd i r e c t i o n sa n d h a sm a d eg r e a tp r o g r e s si nt h er e s e a r c hr e s u l t s t h e y w e r ef u l l y a p p l i e dt o p r o d u c t i o np r a c t i c e sa n dh a v e as i g n i f i c a n te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t ，g r e a t l y i m p r o v i n g t h em i l l sl a r g e - s c a l ea n ds c i e n t i f i cp r o c e s s t h es l i d i n gm i l l sm a i nw o r kp a r ti si t sb o d y , t h em a i nw o r k i n gs t r e s si n c l u d et h e g r a v i t yo ft h es l i d i n gm i l la n dg r i n d i n gb a l l s ，t h ei m p a c tf o r c ef r o mg r i n d i n gb a l l s a n dm a t e r i a l st ot h eb o d y s o ，i t sv e r yn e c e s s a r yt oa n l y s i st h es t r u c t u r es e c u r i t y o n t h eo t h e rh a n d ，b e c a u s et h eb o d yi sc o n s i s t so fs e v e r a lp a r t sw h i c hc o n n e c te a c h o t h e rb yw e l d i n ga f t e rb e i n gr o l l e d ，t h es l i d i n gm i l li s ag o o d s i z e dw e l d e d c o n s t r u c t i o n ，t h ew e l d i n gr e s i d u a l s t r e s sw i l li n f l u e n c et h ei n t e n s i t y i no r d e rt o e n s u r et h em i l l sn o r m a lw o r k ，i tc a na d j u s tw e l d i n gp r o c e d u r ea n dp a r a m e t e r st o m a s t e rt h ew e l d i n gq u a l i t yb yr e s e a r c h i n gs t r e s si n t e n s i t ya n dd i s t r i b u t i o nr u l e t h ef o r c eo fs l i d i n gm i l li sv e r yc o m p l e xb e c a u s eo ft h ew o r k i n gs t r e s sa n d w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s ，s o i t s v e r yn e c e s s a r yt ou s em o r ea d v a n c e dr e s e a r c h t e c h n i q u e st of o u n dau n i v e r s a lm e t h o d t oj u d g et h es l i d i n gm i l l ss e c u r i t y o nt h eb a s eo ft h es u m m a r i z a t i o no fo t h e rp e o p l e sw o r k ，t h i sd i s s e r t a t i o nu s e s n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o dt oa n a l y z et h es t r e s sa n dd i s t o r t i o no ft h ei m p o r t a n t i i i 户i ， p l a c e ss u c ha ss h e l l ，s l i p i n g ，b e a r i n gs h o e sa n d m a n h o l e s t oj u d g et h es l i d i n gm i l l s s a f e t yo fs t r u c t u r e t h i sd i s s e r t a t i o na l s oa n a l y z e t h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s st l e i do n b u t ti o i n te x p e r i m e n t a lw e l d m e n t b yc o m p a r i n gt h ea n a l y s i sr e s u l t sw i t hc a l c u l a t e d v a l u eo r s p o tt e s tv a l u e ，t h ea n a l y s i sa p p r o a c h e sf r o m t h i sd i s s e r t a t i o ni sp r o v e dt o b ef e a s i b l e t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z i n g t h ef o r c eo f 矽4 6 x 1 5 5 ms l i d i n g m i l l ，i n c l u d i n g m e s s d i s t r i b u t i o no nm es h e l l ，c o n t a c ts t r e s sb e t w e e n t h es l i p i n ga n db e a r i n gs h o e s ，f i n d i n g m eb i g g e s te q u i v a l e n te f f e c t i v es t r e s sa n dh a p p e n i n gp a r t ，i t sp r o v e d t om e e tt h e s t r e n g t hr e q u i r e m e n ta f t e rs a f e t yc h e c k ； ( 2 ) a n a l y z i n gt h ef a t i g u e s t r e s so ft h r e em a n h o l e si n 12h o u r sm a n h o l e m o m e n t so fp o s l i t i o nu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，f i n d i n g t h e i rb i g g e s ts t r e s s 锄p l i 砌e ，i t sp r o v e dt om e e tt h ef a t i g u ev a l u er e q u i r e m e n ta f t e rs a f e t yc h e c k o n a i s cs t a n d a r d ； ( 3 、) a c c o r d i n gt h e r m o a n a l y s i s t o s i m u l a t e t h e t e m p e r a t u r e f i e l d o f t h r e e d i m e n s i o n 甜f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l v a l u eo ft h ee x p e r i m e n tm o d e l , t h e a n a l y s i sa p p r o a c h e si sp r o v e d t ob ec o r r e c ta f t e rc o m p a r i n gt h ea n a l y s i sr e s u l t s 砌 c a l c u l a t e dv a l u e ； ( 4 ) a f t e ro b t a i n i n gt r a n s i e n t s t a t et e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e nc a r r y o nt h e 觚t e e l e m e n ta n a l y s i s 龇l dr e s e a r c ht ot h ew e l d i n gh e a ts t r e s sf i e l d t h ed i s t r i b u t i o nr u l e o ft h er e s i d u a js t r e s si n t h eb u t tw e l djo i n ti so b t a i n e db y s u c hm e t h o d ； ( 5 ) t e s t i n gt h er e s i d u a ls t r e s si nt h ee x p e r i m e n t a lw e l d m e n t ，c o m p a r i n g 、1 t h t h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nv a l u e ，t h e nv e r i f y t h a tt h ea n a l y s i sm e t h o do ft h i s d i s t r i b u t i o ni sf e a s i b l e k e y w o r d s ：s l i d i n gm i l l ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s sf i e l d i v ；s t r u c t u r e ；w e l d i n g ；s t r e s s ； 2 2 2 3 2 4 第3 章 3 1 章地立旱 1，、| 第 第 武汉理工大学博士学位论文 第4 章滑履磨机结构有限元分析2 2 4 1 滑履磨机结构数值分析理论。2 2 4 1 1a n s y s 三维空间问题分析理论【5 2 1 2 2 4 1 2a n s y s 接触分析理论2 5 4 2 滑履磨机筒体有限元分析模型的建立2 7 4 2 1 单元的选择2 7 4 2 2 磨机三维模型的建立2 9 4 2 3 网格划分3 1 4 2 4 载荷和边界条件的处理3 3 4 3 滑履磨机筒体有限元分析的计算结果3 3 4 3 1 整体有限元计算结果3 4 4 3 2 筒体有限元计算结果3 5 4 3 3 人孔有限元计算结果3 5 4 3 4 大齿圈有限元计算结果3 6 4 3 5 支承部分有限元计算结果3 7 4 3 6 滑环有限元计算结果3 8 4 3 7 人孔疲劳应力分析3 8 第5 章滑履磨机焊接热过程温度场数值分析4 3 5 1 焊接热过程分析的思路和主要内容4 3 5 2 有限元热过程分析的基本理论4 4 5 2 1a n s y s 热分析【5 2 1 4 4 5 2 2 热传导微分方程【5 6 】【6 0 1 4 5 5 2 3 温度场的初始条件4 7 5 3 焊接热源模型的选取4 8 5 3 1 焊接热源模型的概念【6 3 】4 8 5 3 2 焊接热源模型的分类【删【6 7 】4 8 5 3 3 分段移动热源模型5 3 5 4 对接接头焊接温度场有限元分析5 5 5 4 1 建立分析模型5 6 5 4 2 加载和求解6 2 5 4 3 温度场计算结果分析6 2 5 4 4 结果校核7 3 武汉理工大学博士学位论 第6 章滑履磨机焊接试验模型应力场数值分析 6 1 热应力分析的基本理论。 6 2a n s y s 热应力分析的几种方法【5 6 】 6 1 1 6 3 热应力分析前处理 6 4 应力场计算结果分析 6 4 1 热应力 6 4 2 残余应力 6 5 焊接残余应力场的测试验证一 6 5 1 残余应力测试方法 6 5 2 盲孔法测定残余应力 6 5 3 焊接模型残余应力测试 6 5 4 实验测量结果分析 第7 章结论与展望 7 1 结论 7 2 展望 参考文献。 致谢 攻读博士学位期间发表的论文 r ， 武汉理工大学博士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题题目为大型滑履磨机结构分析及焊接工艺研究，来源于中材建设 有限公司与武汉理工大学的横向科研项目大型滑履磨机的结构优化及焊接工 艺分析。 1 2 磨机的结构应力研究现状 滑履磨机粉磨物料的主要工作部分是筒体，主要工作应力包括磨机及磨球 的重力、磨球及物料对简体的冲击力，冲击力是造成磨机运行故障的关键诱因 之一。但是，由于冲击过程的复杂性：( 1 ) 钢球运动轨迹比较复杂；( 2 ) 冲击应力 的大小在测量时无法准确记录，不能获得冲击力的定量值；( 3 ) 冲击接触并非纯 弹性的、而是伴随着塑性变形等，导致计算过程复杂等原因，所以单纯地研究 磨机冲击应力继而评判磨机结构的安全还不太成熟，关于这方面的研究工作也 并不太深入。 1 9 7 8 年，d u m ad j 和m a r t i nr g 尝试在试验中选用加速度计测量磨球的冲 击应力【8 l ，但由于冲击发生在一瞬间，加速度计不能及时反应，导致试验的失败。 我国传统理论【9 l 对球磨机内研磨体运动的分析是建立在“五个基本假设 的基础上，将研磨体看成与其相邻的研磨体不相关的独立质点，运用运动学的 知识进行推导。它认为研磨体呈抛落状态运动时的运动轨迹为圆弧抛物线。 然而李叶青、陈新成【1 0 】在假设研磨体与简体、研磨体层与层之间没有相对滑动 以及其他前提下认为，正常运转的磨机，同一层各个研磨体是在该层研磨体的 包络线中运动，它们都有固定的轨迹。作匀速圆弧运动时已经相互接触的研磨 体不可能出现：在运动方向上前面的研磨体比其后的研磨体的线速度小。传统 理论认为研磨体离开脱离点后只受重力作用而减速向上作抛物线运动是不可能 的。目前对磨机内研磨体的运动轨迹还有许多理论探讨。 武汉理工大学博士学位论文 1 9 9 6 年，许根华、沈万慈、刘英杰【1 1 1 设计了一套落球试验装置模拟球磨机 中磨球的冲击，提出了确定磨球最大冲击应力的测试方法和运用弹塑性力学的 计算方法。 1 9 9 9 年，钟恢扬f 1 2 】通过研究湿式球磨机的运行状况，对抛落冲击应力对筒 体结构强度的影响进行了初步探索，并进一步提出了防止抛落冲击力对筒体结 构损伤的措施。 磨机进行设计、制造、安装以及运转、维护的前提就是对其进行合理完善 的力学分析，然而，传统的作为机械分析基础的经典材料力学、弹性力学、板 壳理论解析法，虽然给出了关于外力、应力应变和位移间关系的微分方程，但 只有在构件形状和受力状况都很简单的状况下，才能得出微分方程的解析解， 对稍微复杂一点的实际问题还是无能为力【l3 1 。 目前在工程技术领域，采用数值分析方法求解工程实际问题已经得到广泛 应用。数值计算方法主要有：有限元法、边界元法和有限差分法等，其中有限 元法计算精度高、实用有效，在数值分析领域应用最为广泛，已经成为各类工 业产品优化设计和性能评估的可靠依据，并成为工业设计不可或缺的一种重要 方法。特别是结合有限元理论、数值计算技术和计算机辅助设计计算等技术开 发出的一批通用和专用软件，使有限元技术在所有行业都几乎得到了广泛应用， 其中a n s y s 软件由于功能强大、界面友好、操作灵活、易学易懂，所以成为 大量有限元通用分析软件中的先行者和佼佼者。 在国外水泥工业中，有限元技术在机械设备的分析研究和结构优化中早已 大量应用，而且比较成熟。近年来在国内也普遍应用有限元技术进行设备的应 力应变分析工作，其中a n s y s 软件在球磨机的应力应变计算分析中更是得到 广泛应用。 1 9 9 9 年，罗贤海、冯浩、冯景华【1 4 】利用有限元分析方法对1 4 吨球磨机进 行了应力计算，没有仅采用类似方法将其简化为简支梁，而是圆筒部分利用板 壳单元，轴部分用三维实体单元，得到各种应力的详细分布和位移分布，计算 精度满足工程要求。 2 0 0 3 年，陈黎明【1 5 】采用三维空间有限元模拟方法对球磨机简体应力进行了 2 武汉理上大学博士学位论文 模拟，并首次将有限元分析的结果与断裂力学理论结合起来，对球磨机简体进 行了裂纹扩展速度预测和剩余寿命预测。 2 0 0 6 年，于月民m i 对矽3x 11 m 球磨机筒体的实际受力状况进行简化建模， 运用a n s y s 软件计算出筒体的应力分布规律，通过比较理论值与实验值，找 出简体破坏的主要原因。 2 0 0 9 年，于向军等【1 7 】以某大型球磨机为例，建立了包含轴承和回转体等主 要部件的球磨机结构整体应力分析有限元模型，得到了鞍形座、轴承衬体、轴 瓦、中空轴、左右端盖和筒体的应力幅值和变化规律。对该球磨机回转体的应 力进行了测试，将应力测试值和计算值的动态分量进行了对比，二者吻合较好， 验证了数值模拟结果的正确性。 但是，国内更多球磨机应力研究集中于传统支撑的设备，对于滑履磨机的 结构应力分析还非常少，滑履磨机特有的滑环、托瓦、齿圈等部位的受力状况 和应力应变分析更是很少涉足，武汉理工大学的陈作炳教授和他的研究团队通 过与企业合作项目的形式进行了多年的分析和研究。 2 0 0 7 年，陈作炳【1 8 俐用有限元分析方法对矽4 6 x1 4 m 滑履磨机进行了应力 计算，得到了滑履磨机筒体的变形及应力分布，以及滑环和托瓦的接触应力情况。 2 0 0 7 年，尹月玲f 1 9 1 对滑履磨机的工作状态进行了分析，用a n s y s 软件对 筒体进行模拟，求出了筒体、磨头、磨尾、大齿圈等部位的应力和位移解以及 托瓦和滑环的接触应力。 1 3 焊接数值模拟研究现状 滑履磨机的简体在制造的过程中，由于尺寸巨大，往往采用卷制后焊接的 方式制造和加工。焊接过程是不均匀的加热和冷却过程，焊缝及其附近区域的 温度严重不均匀，因此焊缝和邻近区域塑性变形严重，冷却后将产生很大的焊 接残余应力和残余变形，焊接残余应力的存在会直接影响到筒体的承载能力。 特别是滑履磨机，板材较厚、直径较大，属于大型焊接构件，当构件承受外力后， 焊接应力与外载应力相叠加，造成局部区域应力过高，产生新的塑性变形，生成 武汉理工大学博士学位论文 裂纹，严重时甚至导致整个构件断裂，事实上，许多筒体的失效主要发生在焊缝 的位置。所以，对磨机焊接过程的研究也是磨机整体研究工作的重要内容。 从2 0 世纪3 0 年代就开始了对焊接产生的变形和应力问题的研究工作，如 1 9 4 5 年r o s e n t h a ld 和n o , o njt 首次提出r n 全释放法【3 4 】来测定三向残余应力。 从开始的定性研究再到实际测量研究，特别是对于残余应力的测量，大都采用 机械的方法或者物理方法，这些实验方法成本高、效率却不高，特别是对于大 型构件，采取现场测量来获取变形和应力数据基本上是不可能实现的。近二三 十年来，随着计算机技术的发展，国内外理论界和工程界对于焊接及其残余应 力的数值模拟进行了许多有意义的探索和研究，取得了非常丰富的成果，目前， 焊接应力应变数值分析的研究已发展成为一门新兴学科“计算焊接力学” 2 0 1 。 焊接热过程的数值分析开始于2 0 世纪6 0 年代。1 9 6 1 年，t a l l 在板条堆焊实 验分析应力的研究中，率先采用计算机编程的手段获得了一维问题的结果。1 9 7 5 年，加拿大的zp a l e y 和pdh i b b o i r tt 2 1 i 在u ) 型坡口焊实验分析温度场的研究 中，也采用计算机编程的手段获得了温度场的有关数据，使有限元法应用于热 过程计算成为可能。 我国焊接数值模拟研究起步于8 0 年代初，近年来取得了积极的进展并且发 展迅速。1 9 8 1 年，西安交通大学焊接教研室唐慕尧、黄兰林等人f 2 2 】介绍了盲孔 法测定焊接接头残留应力的基本原理、试件准备及测试结果，并用截条分离法 作了校核，盲孔法的测量误差小于5 1 0 。 1 9 8 3 年，陈楚【2 4 1 等对非线性的热传导问题进行了有限元分析，就固定热源 或移动热源薄板对接焊等几个具体实例建立了焊接温度场的计算模型，编制了 相应的计算机程序，1 9 8 5 年出版了专著“数值分析在焊接中的应用” 2 5 1 。其他 对于焊接问题的研究1 2 6 - 3 2 】也取得了较丰富的成果。 对焊接残余应力的研究分为薄板和厚板两种情况。多年来的研究主要集中 在薄板残余应力即二维的测量和分布，由于厚板在焊接时温度梯度较大，在求 解的过程中存在时间长、收敛困难等问题，所以厚板焊接三维研究因理论和测 量方法的限制发展不快。近十几年来，随着计算机技术的发展，焊接热过程三 维复杂结构的数值模拟得以快速发展。 4 武汉理工大学博士学位论文 1 9 7 9 年，y u k i ou e d a 、k e i j if u k u d a 等人1 3 5 1 通过热弹塑性有限元理论，介绍 了测定三维焊接残余应力的固有应变法，从而使复杂的焊接应力应变过程的分 析成为可能。 1 9 9 2 年，y s h i m 和e f e n g 等【3 6 i 建立了厚板多道焊残余应力沿厚度方向分布 的模型，得到热载荷后进行了应力分析。 1 9 9 4 年，上海交通大学汪建华等人【3 7 】开始用有限元方法进行焊接结构三维 热变形的模拟，对三维焊接温度场做了分析和计算。其他对于三维问题的研究 1 3 s 4 3 1 及成果大多集中于近十年。 2 0 0 1 年，鹿安理等人采用厚板试件对焊接过程的三维数值模拟进行了初步 研究。在商用软件m a r c 的基础上开发了专业化接口，将网格自适应技术应用于 焊接过程的数值模拟，并为缩短复杂结构焊接过程数值模拟的时间创造了条件。 2 0 0 2 年，罗金华等人采用有限元软件a n s y s 对中厚板焊接的温度场和应力 应变场进行了三维数值动态模拟，建模时采用两种单元结合以获得焊缝处细密、 远离焊缝处粗略的不均匀网格，热载荷施加采用余量控制法，对应力应变场的 分析采取了一系列非线性措施。 2 0 0 5 年，陈翠欣等人采用有限元软件s y s w e l d 对低合金钢堆焊进行研究， 选取组合热源模型，进行了焊接温度场的数值模拟和分析，并验证了有限元建 模的正确性。 2 0 0 9 年，贾坤荣等人运用有限元计算软件a b a q u s 对1 0m i i l 厚钢板电子束 焊接温度场和残余应力场进行了数值模拟。选用三维实体单元，采用非耦合方 法，并考虑了材料物理性能随温度的变化和周边对流、辐射散热的影响。采用 移动体积生热的高斯锥形分布的模式模拟匙孔效应，计算了焊缝部位上、中、 下表面纵向、横向和板厚方向的残余应力分布。 而专门针对滑履磨机焊接问题的研究方面，2 0 0 7 年，施连立【7 9 1 通过焊接工 艺实验对t 形焊接接头和对接接头残余应力进行了测试试验研究，得到了在退 火前后试验模型焊缝表面及近缝区的残余应力的大小；并通过残余应力现场测 试与试验模型数据进行了对比，得到了残余应力的分布规律，为生产实际和进 一步总结焊接结构的残余应力分布规律做了基础工作。 武汉理工大学博士学位论文 数值分析方法用于焊接过程研究就是根据焊接工艺参数并应用现代化手段 来模拟焊接过程，是了解焊接真实情况的高效准确的方法，对焊接结构的残余 应力分布预测和指导焊后热处理有着积极的作用。 1 4 磨机的结构分析和焊接数值模拟研究存在的问题 总结近些年来国内外对球磨机结构和焊接热过程研究的研究现状，还存在部 分领域研究需进一步延伸和深入的问题，主要有以下几个方面： ( 1 ) 滑履磨机结构复杂、尺寸较大，其滑履支撑装置更是区别于其他磨机的 主要部件，滑环直接与筒体焊接，这种结构决定了滑环温度必然比较高，出料 滑环温度高磨机跳停事故容易发生，严重影响了水泥磨的正常运行1 4 舶1 ，但是 目前对滑履磨机的研究较少，对其结构分析和焊接应力应变分析还不够成熟。 ( 2 ) 对于管道环焊研究，目前较多的是薄壁二维的构件f 4 7 。4 9 1 ，主要停留在物理 手段和二维以及理想状态下的研究，对于壁厚6 ，2 0 m m 的厚壁管道环焊缝残 余应力的分析，这方面的研究工作仍然较少。而滑履磨机筒体目前普遍直径一般 都超过了3 5 m ，长度超过l o m ，厚度更是超过了2 0 m m ，重量多达百吨左右， 属于大型焊接件，焊接残余应力和变形的大小和分布情况还需要进一步深入。 ( 3 ) 有限元软件没有能很好的解决计算时间和存储空间的问题。伴随着网格 和载荷步数量的增加，计算时间和存储空间往往显著加大，这给数值模拟研究 带来了很大的局限性，需要在实际分析求解过程中仔细斟酌各个细节并综合考 虑灵活运用。 1 5 本论文研究价值和目标 球磨机作为建材、冶金等部门的关键设备之一，对其正确的力学分析是合 理设计、制造、安装、维护的基础，直接关系到球磨机本身、粉磨系统，乃至 整个生产线的正常运转。特别是企业为了提高生产效率广泛采用滑履磨机，使 滑履磨机在生产中占据重要的地位，如果在运转中经常出现机械故障，甚至会 导致整个生产线瘫痪，造成巨大的经济损失。所以对滑履磨机受力分析的准确 6 武汉理工大学博士学位论文 性，是保证磨机结构的强度、刚度和正常运转的前提。 虽然对磨机的理论研究和实践应用比较广泛，但是针对滑履磨机整体分析 方面的文献还比较少，特别是滑履磨机的特征部件如滑环、托瓦等部件以及人 孔的疲劳强度，直接关系整台磨机的安全情况。另一方面，除了将分段筒节焊 接成简体，由辐板和圆环组成的滑环近年来也较多采用焊接构件，直接焊在简 体上。所以滑履磨机属于大型焊接件，造价高、生产周期长，而且不太可能仅 用试验的方法对其结构进行原型尺度的研究。而数值模拟研究方法可以将所研 究的工程系统进行离散处理，使无限自由度结构转换成有限个自由度的近似结 构，简化分析和计算。所以为了了解磨机的受力情况、了解焊接过程中任一截 面的应力情况、保证磨机运转安全可靠，应用现代化手段模拟磨机结构的受力 状况和焊接过程，是了解磨机工况的重要手段，在实际生产中占据重要的地位。 本论文的总体研究目标是运用a n s y s 软件实现大型滑履磨机的结构分析 和焊接数值模拟，在与实验数据比对后验证正确性，以期建立一种通用的磨机 结构评定和焊接工艺研究方法，为企业生产提供理论指导。 1 6 本论文的主要工作 根据论文的研究目标，结合目前国内外对磨机的结构分析及焊接温度场、 热应力的研究现状，本论文拟定主要工作如下： ( 1 ) 分析滑履磨机主要部件的应力分布、滑环和托瓦的接触应力分布，找 出最大等效应力和最大位移变形部位，并进行安全性校核； ( 2 ) 实现人孔在1 2 个钟点位置下的疲劳应力分析，得到三个人孔的最大应 力幅，用美国a i s c 标准进行安全性校核； ( 3 ) 运用热分析方法，对焊接实验模型进行温度场三维动态模拟，并与理 论值进行比较； ( 4 ) 在获取温度场结果的基础上，分析计算焊接热应力场，得出厚板对接 焊接头内部残余应力分布； ( 5 ) 对焊接试件进行残余应力实验测试，与数值计算结果比较，验证了论 文分析方法的准确性。 7 武汉理工大学博士学位论文 第2 章球磨机和滑履磨机 2 1 球磨机的基本介绍 粉磨在制造水泥过程中占有非常重要的地位，无论是生料( 半成品) 还是 水泥( 成品) ，都需要通过粉磨来获得。每生产1 t 水泥，需要粉磨各种物料3 t 左右，电耗约为1 0 0 ll o k w l v t 水泥，其中6 0 - - 7 0 的电能消耗在粉磨中。球磨 机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备，是目前应用最为广泛的一种粉 磨设备，对粉磨物料的适应性较强，能连续生产，粉碎比较大( 3 0 0 - 1 0 0 0 ) ， 既可干法粉磨又可湿法粉磨，还可烘干兼粉磨同时进行，广泛应用于选矿、建 材及化工等行业。 2 1 1 球磨机的构造 球磨机外观图如图2 1 所示，球磨机主体是一个被隔仓板分割成了若干个 仓的回转的筒体，不同的仓里装有用于粉磨( 冲击、研磨) 物料用的不同规格 和种类的钢球、钢段或钢棒等研磨体。简体两端装有带空心轴的端盖，空心轴 由主轴承支撑，整个磨机借传动装置运转，把块状物料磨成细粉。筒体内壁还 装有衬板，以保护筒体免受钢球的直接撞击和钢球及物料对它的滑动摩擦，同 时又能改善钢球的运动状态、提高粉磨效率。 荔 癸 ? 图2 1 球磨机外观图 8 武汉理工大学博士学位论文 球磨机距进料端( 也是磨头) 近的仓即粗磨仓，所装研磨体的平均尺寸大 一些，主要将从前一道工序破碎、预均化后的物料粉磨成为小颗粒状物料 和粉状物料( 粗粉) ，通过隔仓板的篦孔进入下一仓( 细磨仓) 继续研磨。第二、 三或四仓研磨体的平均尺寸逐渐减小，对小颗粒状物料和粗粉主要是研磨，从 磨端( 磨尾) 或磨中( 中卸) 卸出。 2 1 2 球磨机的分类 用于生料、水泥粉磨的球磨机一般有以下几种分类方式： ( 1 ) 按长径比( l d ) 短磨( l 巾= 1 2 ) 一般为单仓，用于粗磨或一级磨，也可以将2 - 3 台球磨机串联使用。 中长磨( l d = 2 3 ) 长管磨( l d = 3 5 6 ) 又成为管磨机，其内部一般分成2 - - , 4 仓，在水泥厂用得比较多。 ( 2 ) 按卸料方式 中卸磨 物料由磨机两端喂入，中部卸出，该磨机相当于两台球磨机并联使用，设 备紧凑，流程简单。 尾卸磨 物料由磨机的一端喂入，另一端卸出，按其排料方式有格子排料、溢流排 料、周边排料和风力排料等多种类型。 ( 3 ) 按粉磨方式 烘干磨( 烘干、粉磨一体，只用于生料粉磨) 干法磨( 用于干法) 湿法磨( 只用于湿法生产的生料粉磨) ( 4 ) 按研磨介质形状 球磨机 研磨介质主要是钢球或钢段，这种磨机使用最普遍。 9 武汉理工人学博士学位论文 棒磨机 研磨介质主要是直径为5 0 - - 1 0 0 m m 的钢棒，棒磨机的长径比一般为1 5 2 ，一般用于湿法磨。 棒球磨机 通常有2 - - 4 个仓，在第一仓内装入圆柱形钢棒，其余各仓装入钢球或钢段， 棒球磨机长径比在5 左右。 砾石磨 研磨介质为砾石、卵石、瓷球等，用花岗岩、瓷料做衬板，砾石磨主要用 于白色或彩色水泥以及陶瓷生产。 ( 5 ) 按传动方式 边缘传动磨机 电动机通过减速机带动固定在卸料端简体上的大齿轮而驱动磨机筒体回 转。 中心传动磨机 电动机通过减速机带动磨机卸料端空心轴而驱动磨机回转，减速机的输出 轴与磨机的中心线在一条直线上。 2 2 球磨机的发展 球磨机是建材、冶金、非金属、电力等部门的关键设备之一，球磨机按传 动方式的不同经历了四个发展时期【2 】： 第一时期( 第一代卜传统球磨机 传统球磨机产生于1 8 9 3 年，采用开放式周边齿轮传动，电机的动力通过小 齿轮传递给安装在筒体上的大齿轮从而带动筒体转动。 该磨机存在以下缺点：齿轮副啮合情况不好，磨损严重。主要由于加工 和安装精度、环境的粉尘等原因；启动阻力大、运转负荷大。主要由于简体 支撑在滑动轴承上，摩擦阻力大；工作环