王春蘭

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院；徐州市賈汪中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州 221116）

水泥回轉(zhuǎn)窯滾圈－托輪有限元分析

王春蘭

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院；徐州市賈汪中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 徐州 221116）

基于ANSYS平臺(tái)對(duì)某公司回轉(zhuǎn)窯滾圈－托輪進(jìn)行了接觸分析.結(jié)果表明：現(xiàn)有工況下滾圈最頂端變形最大，將引起筒體發(fā)生變形；距離托輪表層14.567mm處存在最大剪應(yīng)力，是材料發(fā)生破壞的危險(xiǎn)區(qū)域；接觸線及其附近區(qū)域節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)滑移，發(fā)生滑移的接觸面將要發(fā)生破壞，在實(shí)際運(yùn)行中要密切關(guān)注.

回轉(zhuǎn)窯；滾圈；托輪；接觸分析

回轉(zhuǎn)窯是煅燒水泥熟料的設(shè)備，其支承系統(tǒng)是回轉(zhuǎn)窯安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件，托輪支承著回轉(zhuǎn)窯回轉(zhuǎn)部分的全部重量，并在徑向通過(guò)滾圈對(duì)筒體起定位作用，一旦滾圈和托輪發(fā)生破壞，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程將被迫中斷，會(huì)給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失.而滾圈的破壞形式一般是由于早期接觸疲勞亞表層開(kāi)裂和滾圈內(nèi)部缺陷產(chǎn)生疲勞裂紋，最后自內(nèi)向外的擴(kuò)展形成整體開(kāi)裂，此外滾圈的變形將直接引起筒體變形，從而使回轉(zhuǎn)窯整個(gè)支承系統(tǒng)發(fā)生故障，迫使企業(yè)停窯.因此，研究滾圈和托輪接觸性能，分析接觸應(yīng)力，預(yù)測(cè)變形及破壞位置對(duì)于保障回轉(zhuǎn)窯支承系統(tǒng)的安全運(yùn)行，及企業(yè)的維護(hù)、維修提供一定的理論依據(jù).方芳[1]運(yùn)用有限元方法對(duì)10000t/d水泥回轉(zhuǎn)窯溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力進(jìn)行有限元分析；王和慧,謝可迪等[2]運(yùn)用理論分析和有限元技術(shù)，研究復(fù)雜重載、多支承、變剛度和超靜定的大型回轉(zhuǎn)窯筒體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為；王琳等[3]用ANSYS軟件，以Ф5.6m×87m日產(chǎn)8000t熟料回轉(zhuǎn)窯為例,進(jìn)行了筒體各段節(jié)的應(yīng)力分析,在此基礎(chǔ)上提出了大型回轉(zhuǎn)窯各筒體段節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；彭云華等[4]運(yùn)用有限元技術(shù)對(duì)大型瀝青焦回轉(zhuǎn)窯設(shè)備的液壓檔輪進(jìn)行應(yīng)力分析與優(yōu)化；沈意平等[5]分析了滾圈動(dòng)載荷分布情況，采用有限元法對(duì)支承滾圈進(jìn)行模態(tài)分析，得到支承滾圈的模態(tài)特性及其動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)部位，為設(shè)備的動(dòng)態(tài)健康維護(hù)奠定了基礎(chǔ).

1 ANSYS接觸分析流程

ANSYS是一款集力、熱、磁、電、模態(tài)等分析于一體的大型通用型分析軟件，目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、石油化工、能源等領(lǐng)域，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益.ANSYS接觸問(wèn)題分為兩種基本類型：剛體─柔體的接觸，半柔體─柔體的接觸[6].剛體─柔體的接觸可以認(rèn)為是完全剛性的，沒(méi)有應(yīng)變、應(yīng)力和變形,適用于一種軟材料與一種硬材料接觸的情形.半柔體─柔體適用于接觸剛度相近的兩接觸變形體，是應(yīng)用較為廣泛的一種類型.在ANSYS中支持工業(yè)領(lǐng)域中三種接觸方式：點(diǎn)─點(diǎn)，點(diǎn)─面，平面─面，每種接觸方式使用的接觸單元適用于某類問(wèn)題.在ANSYS軟件中一般的接觸分析流程如圖1所示.

在分析過(guò)程中需要注意網(wǎng)格劃分及接觸單元?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn).網(wǎng)格劃分的粗細(xì)關(guān)系的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度.網(wǎng)格越細(xì)，精度越高，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)；反之網(wǎng)格越粗，計(jì)算時(shí)間較短，但精度不高，因此必須注意時(shí)間與精度的協(xié)調(diào)性.本分析中在接觸區(qū)域采用較細(xì)網(wǎng)格，其余部分采用粗網(wǎng)格劃分.接觸分析與一般分析最大的不同之處就是在加載求解之前必須創(chuàng)建接觸單元.

2 滾圈與托輪有限元模型的建立及關(guān)鍵項(xiàng)設(shè)置

根據(jù)實(shí)際回轉(zhuǎn)窯尺寸和工況，綜合考慮計(jì)算效率，取對(duì)稱模型的1/2進(jìn)行建模.滾圈－托輪接觸屬于線接觸分析，綜合考慮材料、應(yīng)力的非線性等因素選取SOLID95單元作為三維實(shí)體分析單元.SOLID95是一個(gè)高階版本的三維實(shí)體單元，是六面體二十節(jié)點(diǎn)單元，每節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度.該單元具有塑性，熱膨脹性，蠕變性，大強(qiáng)度，大變形等性能.適合滾圈和托輪的點(diǎn)一面接觸分析，所以滾圈和托輪都用SOLID95建模.滾圈和托輪的接觸屬于面與面的接觸，因此分析中接觸單元選取TARGE170和CONTA174單元分別作為目標(biāo)面和接觸面單元，滾筒－托輪接觸單元如圖2所示.求解之前要施加重力加速度G為9.8m/s2，同時(shí)打開(kāi)時(shí)間步長(zhǎng)，打開(kāi)牛頓拉普森選項(xiàng).

圖2 滾筒－托輪接觸單元

3 結(jié)果分析及討論

求解結(jié)束后采用通用后處理器POST1和時(shí)間歷程處理器POST2，可以得到整個(gè)模型的等值效應(yīng)力彩色云圖，等值線圖、接觸云圖等，非常直觀地看出零件的受力、變形等.

圖3 滾圈變形圖

圖3為載荷作用下滾圈的變形場(chǎng)分布云圖，從圖中可以明顯看出滾圈上部變形即最頂端間隙明顯增大，而最低端及與托輪支承區(qū)域變形極小，中部沿x方向由于受到頂部和底部的擠壓作用，滾圈明顯向右鼓起，產(chǎn)生一定的變形.產(chǎn)生這樣變形的原因主要是由于滾筒自重、余弦載荷以及左右兩托輪綜合作用的結(jié)果.

圖4 滾圈等效應(yīng)力分布圖

圖4滾圈等效應(yīng)力分布圖，從圖中可以看出在接觸區(qū)域滾圈內(nèi)部面應(yīng)力最大，其次在滾圈1/4處應(yīng)力較大，其余地方逐漸減小.這主要是由于在接觸區(qū)域壓力載荷和托輪支承反力綜合作用的結(jié)果，也意味著這些區(qū)域是將來(lái)變形的位置所在，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中要密切關(guān)注.

圖5 沿接觸線路徑上X,Y,Z方向上剪切應(yīng)力曲線圖

圖5為沿接觸線路徑上X,Y,Z方向上剪切應(yīng)力曲線圖.從圖中可以直觀看出，剪切主應(yīng)力隨著沿路徑深入的地方先增大后減小，而且在接觸點(diǎn)處應(yīng)力值為負(fù)值，說(shuō)明該點(diǎn)處受到壓應(yīng)力.通過(guò)查看節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值可以看出最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在距離托輪表層14.567mm處，最大值為15.75Mpa，對(duì)于這個(gè)最大剪應(yīng)力，它在內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力數(shù)值將超過(guò)上面所述的接觸邊緣處的拉應(yīng)力，對(duì)表面下層含材料缺陷的地方極可能在此處產(chǎn)生滑移帶裂紋，這是剝層磨損的裂紋源，在交變應(yīng)力作用下將擴(kuò)展成大致平行于接觸表面的宏觀裂紋以至剝層掉塊.

圖6 接觸區(qū)滾圈應(yīng)力分布（a）及接觸區(qū)應(yīng)力分布放大圖（b）

圖7 接觸區(qū)托輪應(yīng)力分布

圖8 接觸線路徑上應(yīng)力分布

圖6接觸區(qū)滾圈應(yīng)力分布圖，圖7接觸區(qū)托輪應(yīng)力分布，圖8接觸線路徑上應(yīng)力分布.結(jié)合應(yīng)力分布云圖及接觸線應(yīng)力分布圖可以看出，在接觸區(qū)域滾圈應(yīng)力最大值為69.28Mpa，這也是接觸處的最大應(yīng)力，同時(shí)查看節(jié)點(diǎn)可以明顯看出這個(gè)最大應(yīng)力出現(xiàn)距離邊緣處7.8mm處，而托輪上最大應(yīng)力值為80MPa.當(dāng)滾圈和托輪表面存在局部焊補(bǔ)或非金屬夾雜物時(shí)，在表面焊補(bǔ)處容易產(chǎn)生高溫微裂紋，進(jìn)而在受到幅值很大的交變應(yīng)力作用時(shí)，很容易出現(xiàn)大面積剝落，造成滾圈和托輪的破壞.

圖9 滾圈－托輪接觸狀態(tài)圖（a）和滾圈－托輪接觸面間隙距離圖（b）

圖9為滾圈－托輪接觸狀態(tài)圖（a）和滾圈－托輪接觸面間隙距離圖（b）.云圖條包含三種狀態(tài)顏色，從左至右依次是遠(yuǎn)離狀態(tài)、近接觸狀態(tài)和滑移狀態(tài).從圖中可以直觀看出接觸線及其附近區(qū)域節(jié)點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)了滑移，也就是說(shuō)發(fā)生滑移的接觸面將要發(fā)生破壞.而其它區(qū)域基本上都是未接觸或?qū)⒁佑|.而且從發(fā)生滑移的部分可以看出托輪和滾筒接觸面的一部分首先進(jìn)行壓扁然后發(fā)生滑移，這與理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和變形分析也是相一致的.圖（b）為滾圈－托輪接觸面間隙距離圖，從圖中可以明顯看出接觸線附近區(qū)域間隙距離為0，說(shuō)明兩者已經(jīng)相互完全侵入，發(fā)生劇烈的摩擦、滑移，其它區(qū)域間隙距離逐漸增大直至遠(yuǎn)離.

4 結(jié)論

（1）基于ANSYS軟件，建立了水泥回轉(zhuǎn)窯滾圈－托輪的有限元模型，進(jìn)行了接觸性能分析.

（2）滾圈和筒體之間的上部間隙即最頂端間隙明顯增大，而最低端及與托輪支承區(qū)域變形極小，中部沿x方向由于受到頂部和底部的擠壓作用，滾圈明顯向右鼓起，產(chǎn)生一定的變形.

（3）距離托輪表層14.567mm處，存在最大剪應(yīng)力，一旦超過(guò)材料的許用應(yīng)力，對(duì)表面下層含材料缺陷的地方極可能在此處產(chǎn)生滑移帶裂紋，這是剝層磨損的裂紋源.

（4）接觸狀態(tài)圖表明接觸線及其附近區(qū)域節(jié)點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)了滑移，也就是說(shuō)發(fā)生滑移的接觸面將要發(fā)生破壞，設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中要注意防護(hù).

〔1〕方芳.10000t/d回轉(zhuǎn)窯溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力有限元分析研究 [J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008,30(8):62－64.

〔2〕王和慧,謝可迪，陳一凡，等.大型回轉(zhuǎn)窯筒體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為分析 [J].機(jī)械強(qiáng)度，2010,32(4):606－616.

〔3〕王琳，王炳龍，陸大剛，梁軍.大型回轉(zhuǎn)窯筒體裝置有限元分析研究[J].水泥工程，2010(2)：48－54.

〔4〕彭云華，郭衛(wèi)輝，王和慧.大型回轉(zhuǎn)窯液壓檔輪的有限元分析及其優(yōu)化 [J].石油與化工設(shè)備，2010,13(10):25－28.

〔5〕沈意平，李學(xué)軍，劉德順.大型回轉(zhuǎn)窯支承滾圈的有限元?jiǎng)恿μ匦苑治?[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2007，26（9）：1155－1158.

〔6〕錢俊梅,江曉紅,仲小冬，等.談基于 ANSYS 軟件的接觸分析問(wèn)題[J].煤礦機(jī)械，2006，27（7）：62－64.

TH112.3

A

1673-260X（2011）11-0132-03