秸秆锅炉水冷振动炉排动态特性分析.pdf

第 1期 2 0 0 8年 1 月 锅炉制造 B 0I L ER MANUF AC T URI NG No 1 J a n 2 0 0 8 文章编号 C N 2 3 1 2 4 9 2 0 0 8 0 1 0 0 2 1 0 4 秸秆锅炉水冷振 动炉 排动态特性分 析 许志贵 王新华 白红俊 杭州锅炉集团股份有限公司 浙江 杭州 3 1 0 0 0 4 摘要 根据刚度等效原理 将水冷振动炉排简化成壳模型 运用 A N S Y S对结构进行模态分析和谐响应分析 验证系统激励频率 1 0 4 H z 基本能引起整体结构均匀共振 同时根据分析结果对结构进行优化 关键词 秸秆锅炉 水冷振动炉排 动态特性 A N S Y S 中图分类号 T K 2 2 9 文献标识 码 A Dy n a m i c Re s p o n s e An a l y s i s o n W a t e r Co o l e d Vi b r a t i n g S t o k e r o f S t r a w Bo i l e r X u Z h i g u i W a n g X i n h u a B a i H o n g i u n H a n g Z h o u B o i l e r G r o u p C o L t d H a n g z h o u 3 1 0 0 0 4 C h i n a Ab s t r a c t Ba s e o n e q u i v a l e n t s t i f f n e s s t he o r y t h e wa t e r c o o l e d v i b r a t i n g s t o k e r h a s b e e n s i mp l i fi e d t o s h e l l mo d e 1 Th e r e s u l t o f mo da l a n d h a r mo n i c a n a l y s i s t o v i b r a t i n g s t o k e r us i n g ANS YS s h o ws t h a t t he r e s o n a n c e o f t h e t o t a l s t r uc t u r e wi l l o c c u r wh e n t he d r i v i n g f r e q ue nc y i s 1 0 4Hz Ac c o r d i n g t o t h e r e s u l t o f a n a l y s i s t h e s t ruc t u r e h a s b e e n o p t i mi z e d Ke y wo r d s s t r a w b o i l e r wa t e r c o o l e d v i b r a t i n g s t o k e r d y n a mi c r e s p o n s e ANS YS 0 引 言 为节省不可再 生资源 缓解 电力供应紧张和 减少环境污染 生物质能利用技术越来越受到各 国特别是欧盟国家的重视 N G一 7 5 3 8 2一T型 锅炉是杭州锅炉有 限公 司在燃烧木片 甘蔗渣 稻 壳 椰子壳等生物质燃料锅炉及垃圾锅炉成功设 计 运行基础上 自主开发的新 型锅炉 是 目前国产 最大的 7 5 t h直接燃烧秸秆的锅炉 水冷振动炉排 是秸 秆锅炉 中的主要燃 烧设 备 是以振动方式周期性地加入燃料和排 出灰渣 的炉排 燃料在炉排上 由于振动 而被抛起 边燃 烧边跳跃前进 炉渣 由炉排末端排 出 其基本设 计要求是各位置燃料运动均匀 炉排处于共振状 态 能耗最小 为了更好地保证性能 在设计时需 要对水冷振动炉排进行动态特性分析 了解炉排 面各位置的振幅与炉排共振情况 并根据分析结 果对结构进行优化 1 水冷振动炉排结构 振动炉排是一个弹性振动系统 由偏心块激 振器 横梁 炉排面 拉杆 弹簧板 后密封装置 激 振器电机 地脚螺钉 减震橡皮垫 下框架 前密封 装置 测梁 固定支点等部件组成 主要部件如图 1 所示 炉排面通 过弹簧片 固定 在炉排座上 炉 排座和驱动机构安装在钢架上 驱动机构驱动连 收稿 日期 2 0 0 7 0 9 2 6 作者简介 许志贵 1 9 7 4一 男 硕士 主要从事锅炉结构 噪声 振动分析及产品研发 维普资讯 2 2 锅炉制造 总第 2 0 7期 杆带动炉排面随之振动 风室通过安装在炉排面 背面可以滑动的薄板密封片来分隔送风 区域 使 送风更均匀 图 1 炉排结构图 2 简化数学分析模型 有限元分析之前对实体模型进行简化 炉排 座 刚性 固接在钢架上 相对于弹簧 片和炉排 面组 成 的系统而言 钢架和炉排座 的刚度要大很多 它 们对炉排面的振动影响很小 所 以在分析时可以 不考虑这一部分 驱动机构通过连杆带动炉排面 振动 由于连杆刚性很大 可以考虑将曲轴的偏心 激励直接加载到炉排面上 风室和炉排面通过可 滑动的密封片连接 由于薄板密封片刚度很小 同 时能相对滑动 所 以可 以不考虑密封片对炉排 面 的影响 2 1 等效炉排面分析模型 整个炉排面模型中由管子和中间的连接板组 成一个炉排面 整体模型显示板单元或壳单元属 性 由于在 A N S Y S中板单元 或壳单元 只能输入 厚度而不能输入截面形状 所 以要将管模 型等效 成壳模型 如图 2所示 Z B l l I L l l 图 2 等效截面 图 材质决定了弹性模量 截 面尺寸决定 了惯性 矩 弹性模量和惯性矩决定了结构的刚度 对模 态分析和响应分析而言 结构 的刚度 K和质量 M 起主要影响 对于管子的等效应该从惯性矩 弹 性模量和密度 3方面来考虑 2 J 由于主要考虑平 面在垂直平面方 向的振动 所 以我们以垂直平面方 向的刚度 l 为基准 调 整等效宽度 B和弹性模量 E 使平行平面方向的 刚度 K y 尽量一致 如表 1 所示 表 1 等效数据 2 2 验证等效模型 建立一个悬臂梁 截面形状分别为取 5 个等 效前管板模型 图3 所示 再建一个壳模型 截面 形状取 5个等效后截面组成的平面 图 4所示 对上述 2个模 型进行模态分析 对 比等效前后的 固有频率和振型 图 3 梁单元模型截面 图 4壳单元模型截面 维普资讯 第 1 期 许志贵 等 秸秆锅炉水冷振动炉排动态特性分析 2 3 模态分析后得到的固有频率和振型如表 2所 示 在等效过程中 我们以垂直平面的惯性矩为 基准求得等效截面 等效弹性模量和等效密度 计 算过程中使得平行平 面的惯性矩有一 定 的偏差 等效前 8 4 5 0 9 6 E 1 0 等效后 8 4 4 3 8 2 E 1 0 除了垂直平面和平 行平 面的惯性矩外 其他方向 的惯性矩偏差更大 这样使等效前与等效后在扭 转变形和平行平面 内的弯曲变形对应的固有频率 有较大的偏差 而在垂直平面内弯曲对应的固有 频率基本一致 模态分析后的结果和先前的理论 分析一致 表示结构简化成壳模型是可行的 表 2固有频率和振 型 3 水冷振动 模态分析 根据简化的数学模型建立有限元分析模型 全约束 提取前1 0 阶模态 如表3 和图6 3所示 图 5 有限元分析模型 表 3 前 l 0阶固有频率 图 6 第二 阶振型 图 7 第 四阶振型 维普资讯 2 4 锅炉制造 总第 2 0 7期 通过模态分析的振型可以看出 在第二阶 8 5 9 6 5 H z 整个炉排面振动 比较均匀 振动方 向基本沿炉排面平行方向 而其他几阶大都处于 局部振动 所以需要控制激励频率在 8 Hz 左右 使炉排在第二阶固有频率处于共振状态 达到振 动均匀和能耗最低 4 水冷振动炉排谐响应动分析 在模态分析的基础上 对炉排施加激励来计 算结构的响应 激励由驱动机构产生和传递 炉 排驱动机构主要由电机 曲轴和连杆组成 曲轴在 电机的驱动下推动连杆做简谐运动 连杆对炉排 施加简谐位移 曲轴转 速 6 2 5转 分 曲轴偏 心 距 3 5 m m 由于激励频率为 6 2 5 6 0 1 0 4 Hz 所 以谐 响应分析频率段取 2 1 6 H z 增量 2 Hz 取前 8阶振型 图 8 激励频率 8 Hz 时响应 图 9 激励频率 1 0 H z时响应 从整个频率段的响应来看 在 8 H z和 1 0 H z 时整个炉排面各点 的振幅相差不大 相对较均匀 说明在 8 H z 左右振动炉排基本能形成共振 并能 得到预期垂直炉排面的振型 5 结果分析及优化 根据上面的模态分析和谐响应分析可以得出 以下结论 1 系统激励频 率为 1 0 4 H z 在第二 阶固有 频率 8 5 9 6 5 Hz 处基本能形成共振 2 由于整个炉排面尺寸较大 同时下端弯曲 部分的影响 使得整个结构各部分刚度不一致 导 致激励点区域和靠近弯曲部分 区域在振动过程中 振幅相差较大 从而也导致炉排面上燃 料运动 的 不均匀 3 驱动机构中一根 曲轴上有 3个激励点 由 于制造和安装的不均匀导致 3个激励 的不 同步 从而也导致炉排面的振动不均匀 振动的不均匀 主要是由结构刚度较小 刚度 分布不均匀和激励不均匀导致 所以从这 3方面 来考虑结构做如下的修改 1 将整个炉排面沿纵向剖分为 2部分 结构 尺寸变小从而刚度变大 刚度 的不均匀性也得到 改善 2 结构尺寸变小后 激励点从 以前 的 3个改 为每片 1 个 消除了多点激励不同相的不利影响 结构修改后对其他方面产生如下的影响 1 炉排面尺寸变小后 结构的固有频率和振 型将发生变化 如果还按 以前 的曲轴转速施加激 励频率 可能与共振频率发生偏差 2 炉