回转窑剖分式滚圈结构设计与接触应力分析_图文

1、设备设计 /诊 断维修 /再 制造 现代制造工程 2008年第 11期回转窑剖分式滚圈结构设计与接触应力分析夏建芳 , 张振兴(中南大学机电工程学院 , 长沙 410083摘要 :针对目前回转窑整体式滚圈在铸造、 运输、 安装及拆卸等过程 中存在的难 度 , 提 出设计剖分 式滚圈的 设想 , 以解决 整体式滚圈存在的问题 。在剖分 式滚圈的基本结构尺寸与整体式滚圈尺寸相同的情况下 , 校核其滚圈的刚度、 强度。通 过分析滚圈受力以及破 坏失效原因可知 , 接触应力是引起滚圈破坏的主要因 素。运用 AN SYS 软件分析了滚 圈分体相对 于托轮位于不同位置时 的受力情况 , 并以此来校核其设计

2、是否合理。关键词 :回转窑 ; 滚圈 ; 剖分式 ; 接触强度中图分类号 :TH 133 文献标识码 :A 文章编号 :1671 3133(2008 11 0095 05Structural design and contact stress analysis ofrotary kil n for split ri ng rolli ngX ia Jian fang , Zhang Zhen x i n g(Institute ofM echan ica l and E lectr onic Eng i n eeri n g , Cen tra l South Un iversity , Ch

3、angsha 410083, C HN Abstrac t :In order to so l ve the prob l em s o f rotary k il n in the overall ro lli ng r i ng such as casti ng , transporta ti on , insta llati on and de m o lish m ent . T ry to desi gn ro lli ng ring i n sp lit for m. Check the stiff ness and streng t h o f ro lli ng r i ng

4、i n split for m as basic struc t ure size under the sa m e c ircu m stances . Contact stress i s the m a i n factors causi ng ro lli ng ri ng da m ag ed by ana lysi ng t he contact stress and reasons for i neffi cacy . A pp l y AN SYS so ft wa re to ana l yse t he stress bet w een the sp lit and ro

5、lli ng r i ng ch ild care a t d iffer ent loca ti ons , and analyse t he reasonable o f the desi gn .K ey word s :R ota ry k il n ; R o lli ng r i ng; Sp lit for m; Con tact stress0 引言回转窑是一种对散状或浆状物料进 行加热处理 的热工设备 , 广泛地应用在冶炼、 化工和建材等重要 行业中。滚圈是回转窑中最重要的零件之一 , 回转窑 中的筒体、 窑衬及物料等所有回转部分的重量都通过 滚圈传到支承装置上 , 滚圈对筒

6、体的刚性起着巨大的 增强作用。筒体的刚性大小直接关系到内衬的寿命 , 内衬寿命的长短不仅影响到产品的成本 , 同时还会对 窑的运转率有很大影响。目 前国内均使用整体式滚 圈 , 但整体式滚圈存在着如下诸多问题。1 毛坯铸造困难。滚圈是一空心圆柱形铸钢件 , 由于其直径大 , 重量重 , 因此 , 滚圈的制造需要大型铸 造厂家方可生产。如山东铝厂水泥厂年产量 50t 水泥 扩建工程中回转窑的规格为 5m 125m, 滚圈直径达 到 5m 以上 , 重量超过 45, t 但是该厂的铸造能力仅有 两台 5t 电炉和一台 15t 电炉 , 三台电炉超负荷生产也 只能冶炼出 70多吨的钢水 , 去掉浇、

7、 冒口和预留的加 工量 , 生产出来的滚圈的净重还不到 45, t 很难铸造出 上述大型整体式滚圈。2 运输困 难。由于滚圈直径大 , 重量重 , 运输过 程经常是超宽、 超重 , 违反国家运输规范 , 且存在安全 隐患。3 安装、 拆卸困难。滚圈在重载、 中温环境下 24h 不间断地连续工作 , 在较大的循环应力作用下 , 滚圈 必将出现疲劳破坏如表皮脱落、 开裂等 , 因此要定期 更换滚圈。而整体式滚圈在更换时 , 由于自身的不可 分性 , 需要切开筒体 , 这不仅延误生产 , 而且需要耗费 大量的资金和人力 , 大大增加了成本。因此 , 设计剖分式滚圈 , 就成为 当前回转窑设备 中值得

8、研究的课题。剖分式滚圈在国外已有所应用 , 而国内目前还未曾尝试。1 剖分式滚圈结构设计及要求制造大型滚圈使用剖分式结构 , 在选择滚圈截面 形式时 , 尽管箱型截面的滚圈刚性大 , 有利于增强筒95现代制造工程 2008年第 11期设备设计 /诊 断维修 /再 制造体刚度 , 与矩形截面相比可节省材料 , 但是其截面形 状复杂 , 对于大型滚圈制造难度相当大 , 且在冷缩过 程中易产生裂纹等缺陷 , 目前国内外大型回转窑采用 矩形截面滚圈。截面形式如图 1所示。其剖分式滚圈 的整体结构如图 2所示。 图 1 剖分式滚圈截面图 2 剖分式滚圈结构图 图 2中 R 1为 滚 圈 外 径 , R

9、2为 滚圈内径 , L 为滚 圈 的 宽 度 , L 1为 凸台的高度 , H 为 凸台的宽度 , 滚圈 两分 体连 接的 角 度为 20! 。 筒 体 活 套 在 滚圈里 , 滚圈支承 在托轮上 , 且剖分 式滚 圈将 两分 体 直接 在安 装部 位 对接 , 依靠中间凸 台和 凹槽 定位 使 两分 体很 好地 配合在一起 , 同时使用凸台 凹槽和六个螺栓来支承固定 筒体以及连接滚圈。这种安 装方法避免了整体式滚 圈在安装中的 诸多 不利因 素 , 同 时当滚 圈发生 破坏 时 , 只需要更换发生失效的那一半滚圈即可 , 大大节 约了成本。滚圈设计的基本要求是 :滚圈要有足够 的刚度 , 即

10、保证径向变形其椭圆度小于筒体内径的千分之二 ; 滚圈还应具有足够的强度 , 主要是其接触强度。目前国内外对滚圈接触应力的理论 校核公式普 遍采用经典的赫兹理论 , 即滚圈的最大接触应力 p 为 :p =0 418ER r +R t R r R t =0 418r(i +1 式中 :q 为 单位 接 触宽 度 上 的载 荷 , q =(Q +G r /(2cos L , Q 为支承载荷 , 取由筒体弯矩计算求得的各 支座反力的最大值 , G r 为滚圈自重 , 为托轮、 滚圈中 心连线与垂直方向的夹角 , 一般取 30! , L 为滚圈的宽 度 ; E 为弹性模量 ; R r 、 R t 分别为

11、滚圈、 托轮的外半径 ; i 为滚圈半径与托轮半径的比值。滚圈的径向变形椭圆度 W 为 :W =0 0814QR 3cE I r式中 :I r 为滚圈截面的惯性矩 , I r =(LH30/12, H 0为滚 圈的厚 度 即 为滚 圈 外 径 与 内径 的 差 值 ; R c 为滚 圈 中径。2 剖分式滚圈接触应力有限元分析2 1 建模与离散处理为了使分析结果更符合滚圈的实际工况 , 充分考 虑其受力情况 , 在分析滚圈受力时 , 采用建立滚圈整 体和托轮模型的方法进行分析计算 , 并在不影响计算 精度的前提下作如下假设。1 由于托轮不是主要的研究对象 , 故可将托轮模 型简化处理成一厚壁圆筒

12、。2 托轮的中心线与滚圈的中心线位于同一平面。 3 选用高强度螺栓连接剖分式滚圈两分体 , 且连 接处的凸台起主要承载作用 , 又由于主要研究滚圈受 力情况 , 所以滚圈分体连接处的螺栓孔视为刚性孔。 2 2 创建接触对ANSYS 支持三种接触方式 :点点接触 , 点面接触 , 面面接触。由于滚圈在整个工作过程中 , 滚圈与托轮 的接触边界是一个动态变化的过程 , 且滚圈的凹槽与 凸台之间也是依靠面来连接的 , 因此在接触边界上设 置面面接触单元。面面接触单元采用单元面上的高 斯点确定间隙和接触力 , 能够使接触力和摩擦力分布 在单元面上 , 因而能够使用二次单元提高计算精度和 可靠性 , 提

13、高有摩擦力时的计算效率。所有的 ANSYS 接触单元都采用罚刚度 (FKN 来 保证接触界面的协调性。在数学上为了保持平衡 , 需 要有穿透值 , 然而物理接触实体是没有穿透的 , 因此 在 ANSYS 中就要选取合适的接触分析参数 FKN, FKN 取值太小会使得接触边界过分渗透 , 造成计算结果失 真 ; 取值过 大 , 会 使迭代方 程出现病 态而降 低精度。 ANSYS11 0给出的 FKN 在 0 0110的范围内 , 在实 际分析中需要不断进行迭代选取合适的 FKN 。 2 3 约束与加载托轮对滚圈起 到支承 作用 , 托 轮紧 套在 托轮轴 上 , 因此在大载荷作用下 , 托轮轴

14、孔与轴是弧面接触。 由于主要是分析滚圈的强度和刚度 , 托轮的强度就显 得不重要。为简化分 析 , 可将托轮轴视 为刚性轴 , 且 托轮孔为刚性孔 , 则在有限元模型的约束处理上需对 托轮的内表面施加全约束。另外 , 为了模拟实际结构 中滚圈挡板的作用 避免滚圈发生轴向位移 , 需约 束滚圈一侧面的轴向自由度。滚圈所受的载荷是目前通用的 复合曲线函数载 荷 T 见式 (1 ,在 ANSYS 中利用 APDL 语言对剖分式滚 圈 施 加 函 数 载 荷。 其 压 力 载 荷 分 布 如 图 3所示。设备设计 /诊 断维修 /再 制造现代制造工程 2008年第 11期 图 3 滚圈压力分布曲线图T

15、 =F 1c (K-cos ! (1 式中 :F 1为 滚圈单位长 度 (轴 向 上 垂 直 方向的载荷 ; R c 为 滚 圈内、 外 半径 的平 均 值 即滚 圈 中径 ; ! 为 筒体 体壁 角 度 ; K 为 无 量 纲 系 数 , K =12si n +cos , 为初始接触角。3 算例及计算结果分析本文以武钢某厂的 5m 33m 的 3号两档链篦 机 回 转窑整体式滚圈为参照 , 设计剖分式滚圈的结构 参数 , 见表 1, 各参数的意义如图 2所示。表 1中的参 数 L 1、 H 和滚圈分体连接角 20! 是经过最优化方法得 到的 , 限于篇幅 , 此处直接给出优化后的数值。表 1

16、 剖分式滚圈的结构参数m R 1R 2L L 1H3 052 630 850 180 16将托轮模型简化处理为一内径 0 325m 、 外径 1m 的厚壁圆筒。由于回转窑是高温工作下的热工设备, 故滚圈的材料 (ZG35Cr M o 参数选取 200 的物性参数 ,图 4 滚圈 托轮有限元模型弹性模量 E =190GPa , 泊松 比 #=0 3, 密度 =7800kg /m 3, 摩擦因数 %=0 2。 在 划分网格时采用 So l id186单元 , 是 20节点的三 维 实体单元 , 每个节点有三 个 自由度 , 具有大扰度、 抗拉 和 抵抗大变形的能力。创建 滚圈分体处以及 滚圈 托

17、轮 接 触处的六个面面接触对 ,经 过多次迭代计算以后确定 其接触刚度 F KN 为 0 027, 用 材料力学知识算得支承载荷 F =3789 2k N 。滚圈托轮的有 限元模型如图 4所示 。 分析滚圈的整个回转过程和滚 圈的载荷函数公式可知 , 当滚圈分体的连接部位处于不同位置时 , 连 接处的受力情况差别较大 , 因此 , 为了更加全面地分 析滚圈受 力情况 , 使分 析结果 更符合 滚圈的 实际工 况 , 有必要分析计算滚圈分体连接处位于不同位置时 的滚圈受力情况。设滚圈相连接处与垂直方向的夹 角为 &, 如当滚圈位于如图 3所示位置时 , &为 0! , 分别计算

18、&为 0! 、 30! 、 45! 、 60! 、 90! 时滚圈的受力情况。经过分析计算得到滚圈的应力、 应变情况。利用 ANSYS 的后处理功能提取每次分析后的滚圈分体连 接处以及滚圈 托轮连接处的最大等效应力 Svon 及其 相应的主应力 S 1、 S 2、 S 3和最大的变形量 DMX (mm 。 表 2列出了各种情况下的计算结果数据。表 2 滚圈位于不同位置时的各种应力及其变形量角度 /(! 滚圈两分体相连接处各应力 /MPaS 1S 2S 3Svon滚圈与托轮相连接处各应力 /M PaS 1S 2S 3Svon变形量 /mmDMX089 09-56 65-342 72385

19、 05-12 05-46 93-78 101102 236 18430297 31156 46156 84406 16 48 22-16 52-72 979105 046 86245136 72149 75-136 03236 48-12 15-16 79-77 6799 726 01360238 2951 63742 28208 03-14 543-47 258-71 862100 255 9619052 173-50 919-148 02173 4243 149-14 11-79 53104 925 317由表 2可知 , 在滚圈分体的连接处与垂直方向的 夹角为 30! 时 , 滚圈的受力

20、最大为 406 16M Pa , 分析可 知此位置正好是滚圈在回 转过程中滚圈分体的连接 处与滚圈 托 轮相 接触 处重 合时。由滚 圈 的加 载式 (1 可知此处不是滚圈的最大承载部位 , 但是产生的 应力比滚圈连接处处于滚 圈最大承载部位时的应力 大 , 其主要原因是此处滚圈承受着筒体和托轮的法向 压力、 滚圈分体之间的切向摩擦力以及滚圈与托轮之 间的切向摩擦力 , 是多个力综合作用的结果 , 且此处的压力值接近最大压力 , 从而导致此处接触应力最大。由表 2可以看出当 &超过 30! 以后 , 随着角度的 增加接触应力逐渐变小 , 这是由于随着夹角的增大滚 圈分体处所承受的力越来

21、越小 , 且几个接触部位也没 有发生重合 , 故产生的应力也相应地减小。但由于整个滚圈在各情况下所承受的载荷是保持不变的 , 故各 种情况下 , 滚圈与托轮相接触处的应力变化不大。取回转过程中接触应力最大时的滚圈位置 , 即滚 圈的分体连接处与垂直方向的夹角为 30! 时的滚圈状97现代制造工程 2008年第 11期设备设计 /诊 断维修 /再 制造 态 , 利用 ANSYS 后处理功能提取滚圈最大接触应力处 的整个圆周方向的节点应力 , 绘制滚圈等效应力曲线 如图 5所示。 图 5 滚圈等效应力曲线 图 5中出现了三个应力峰值 , 表明滚圈在整个圆 周方向上出现了应力集中的现象 , 且应力主

22、要集中在 100! 、 240! 和 300! 位置处 , 分析模型可知这三处位置 正好是滚圈的三个接触区域 (滚圈分体接触处和滚圈 与两个托轮接触处 , 并且在离开接触区域后 , 应力急 剧下降 , 这 表明应 力峰值 只在一 个很小 的范围 内存 在 , 而对其他部位不产生影响 (其他部位只有几十兆 帕的应力 , 从而说明滚圈在实际工作过程中接触应 力是引起滚圈破坏失效的最主要因素。最大应力发 生在滚圈周向 300! 的位置 , 分析模型 可知 , 此位置恰 是滚圈分体连接处与滚圈 托 轮相重合位置。因此为 了找出最大应力的具体位置 , 绘制滚圈凹槽和凸台的 应力云图 , 如图 6和图 7

23、所示。由图 6、 图 7可知 , 滚圈的最大应力发生在滚圈凹 槽与螺栓相连接处 , 因此 , 此处是整个滚圈中最易发 生接触疲劳破坏的地方 , 这就需要在制造滚圈分体的 凸台和凹槽时 , 提高此处的抗接触疲劳性能 , 采用适当 的热处理工艺对其表面进行硬化处理 , 以增强材料抵抗 变形的能力 ; 对凸台和凹槽表面以及螺栓孔处进行平整 处理 , 以增大接触面积 ,减少局部接触应力集中。 图 6滚圈凹槽应力云图图 7 滚圈凸台应力云图螺栓的等效应力云图如图 8所示 , 由图 8可知 , 滚 圈螺栓的最大等效应力为 177MPa , 在整个滚圈受力分 析中 , 螺栓所承受的力也是不容忽视的。在回转窑

24、工 作过程中 , 若螺栓先失效 , 则更换螺栓比较容易 , 避免 了因更换滚圈而带来的一系列困难和经济损失 , 若滚 圈先于凹槽发生失效 , 螺栓为主要的承载零件 , 避免了滚圈发生断裂等危险性失效形式。图 8 螺栓的应力云图4 结论本文分析了整体式滚圈的诸多弊端 , 并根据目前 国内外大型 滚圈的使用情况设计出剖分式滚圈合理 的截面形状。由分析结果可知 , 整个滚圈所受的最大 应力为 406 16MPa , 与经典赫兹理论公式计算的结果 375M Pa 之间的相对误差为 8 26%, 结果可信 , 且滚圈 的最大接触应力小于滚圈材料的许用应力 , 所以滚圈 的强 度满 足滚 圈 的设 计 要

25、求。滚 圈径 向 变形 量为 6 862mm , 与理论计算结果 6 67mm 之间的相对误差 为 2 87%, 结 果 可信 , 且 径 向变 形 量与 滚 圈的 内径 5260mm 相比得滚圈的径向椭圆度为 1 31#<2#, 满 足滚圈设计的刚度要求。(下转第 135页 现场经验现代制造工程 2008年第 11期杆件要求回火温度不得低于 550 , 并随炉冷却 , 控制 材料强度的上限 b <800M Pa 。 2 2 铸钢件裂纹铸钢件退火不完全 , 晶粒粗大 , 内应力大 , 塑性变 形小 , 当需局部修补时 , 若退火热处理不当 , 在熔合线 或热影响处 , 出现裂纹。所

26、以 , 允许修补 的铸钢件必 须在完全退火的前提下进行操作。 2 3 低合金钢板卷材裂纹低合金钢板卷成 圆筒状后 , 焊接轴向焊缝 , 会在 热影响处出现裂纹 , 经晶相分析为板材消除应力不彻 底或未经热处理。由于平板经过卷曲 , 部分材料已经 超过材料本身的延伸率 , 焊接过程 , 又进行了一次热 胀冷缩 , 未经热处理材料的塑性已被过消耗 , 所以 , 提供的焊接卷板材料必须经过热处理后再施焊。 图 4 中频弯管横向裂纹 2 4 中频弯管裂纹 图 4所示为奥氏体不锈 钢 油管 , 规格 为 108mm 10mm 、 63mm 4mm 、 34mm 4mm , 供货状态为 固 溶 处 理 ,

27、 经 中 频 弯 曲 成90! 后 , 在 弯管 外臂 圆弧 变 形最大处出现横向裂纹。究其原因 , 经过固溶处理的奥氏体不锈钢为碳所 饱和 , 呈不稳定状态。在再次加热 400500 温度区 域内停留一定时间后 , 超过溶解度的碳向晶界扩散 , 并和铬结合形成 C r 23C 6沉淀于晶界 , 其中的铬主要来 自晶粒表层 , 而内部的铬来不及补充 , 使晶界的晶粒 表层含铬量下降而形成贫铬区 , 在受外界弯曲应力时 会沿晶界断裂 , 几乎完全丧失强度 , 裂纹产生在拉伸 应力的方向。奥氏体不锈钢在中频弯曲时 , 必须控制在脆化区400500 内停留约 0 5h , 视材料不同保温温度和保 温

28、时间不同。3 电镀裂纹杆件镀铬时 20%的电流用在镀铬上 , 20%的电流 用在还原六价铬上 , 60%的电流用于析氢。析出的氢 一部分进入大气 , 也有一部分进入母材中 , 对材质抗 拉强度大的大型杆件 , 如果未及时地把进入到母材中 的氢驱除 掉 , 就 会在以 后的安 装使用 中产生 氢脆裂 纹 , 这些裂纹将破坏镀层的结合力造成镀层剥落。在镀铬的硬度能达到要求时 , 采用小电流为宜 , 因 为电流大析出氢就多 , 进入杆件基体的氢也多 , 会产生 更多的气泡。电流大 , 镀层表面应力也大 , 不密实 , 易产 生裂纹与剥落。电流密度小 , 沉积速度慢则结晶细。对于 b 800M Pa 大型 杆件 , 硬铬镀 后 4h 内去 氢 , 在 200 条件下保温 3 54h 。宜采用小电流电 镀 , 电流密度为 1015A /dm2, 温度为 4045 。参 考 文 献 :1 阮鑫 , 等 . 镍 钢复 合板设