水泥回轉窯滾圈－托輪有限元分析

王春蘭

（中國礦業大學 機電學院；徐州市賈汪中等專業學校，江蘇 徐州 221116）

水泥回轉窯滾圈－托輪有限元分析

王春蘭

（中國礦業大學 機電學院；徐州市賈汪中等專業學校，江蘇 徐州 221116）

基于ANSYS平臺對某公司回轉窯滾圈－托輪進行了接觸分析.結果表明：現有工況下滾圈最頂端變形最大，將引起筒體發生變形；距離托輪表層14.567mm處存在最大剪應力，是材料發生破壞的危險區域；接觸線及其附近區域節點出現滑移，發生滑移的接觸面將要發生破壞，在實際運行中要密切關注.

回轉窯；滾圈；托輪；接觸分析

回轉窯是煅燒水泥熟料的設備，其支承系統是回轉窯安全運行的關鍵部件，托輪支承著回轉窯回轉部分的全部重量，并在徑向通過滾圈對筒體起定位作用，一旦滾圈和托輪發生破壞，整個生產過程將被迫中斷，會給企業帶來巨大的經濟損失.而滾圈的破壞形式一般是由于早期接觸疲勞亞表層開裂和滾圈內部缺陷產生疲勞裂紋，最后自內向外的擴展形成整體開裂，此外滾圈的變形將直接引起筒體變形，從而使回轉窯整個支承系統發生故障，迫使企業停窯.因此，研究滾圈和托輪接觸性能，分析接觸應力，預測變形及破壞位置對于保障回轉窯支承系統的安全運行，及企業的維護、維修提供一定的理論依據.方芳[1]運用有限元方法對10000t/d水泥回轉窯溫度場與熱應力進行有限元分析；王和慧,謝可迪等[2]運用理論分析和有限元技術，研究復雜重載、多支承、變剛度和超靜定的大型回轉窯筒體結構的力學行為；王琳等[3]用ANSYS軟件，以Ф5.6m×87m日產8000t熟料回轉窯為例,進行了筒體各段節的應力分析,在此基礎上提出了大型回轉窯各筒體段節的優化設計方案；彭云華等[4]運用有限元技術對大型瀝青焦回轉窯設備的液壓檔輪進行應力分析與優化；沈意平等[5]分析了滾圈動載荷分布情況，采用有限元法對支承滾圈進行模態分析，得到支承滾圈的模態特性及其動態危險部位，為設備的動態健康維護奠定了基礎.

1 ANSYS接觸分析流程

ANSYS是一款集力、熱、磁、電、模態等分析于一體的大型通用型分析軟件，目前廣泛應用于機械制造、航空航天、石油化工、能源等領域，取得了巨大的經濟效益.ANSYS接觸問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─柔體的接觸可以認為是完全剛性的，沒有應變、應力和變形,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，是應用較為廣泛的一種類型.在ANSYS中支持工業領域中三種接觸方式：點─點，點─面，平面─面，每種接觸方式使用的接觸單元適用于某類問題.在ANSYS軟件中一般的接觸分析流程如圖1所示.

在分析過程中需要注意網格劃分及接觸單元創建兩個關鍵點.網格劃分的粗細關系的計算時間和計算精度.網格越細，精度越高，但計算時間較長；反之網格越粗，計算時間較短，但精度不高，因此必須注意時間與精度的協調性.本分析中在接觸區域采用較細網格，其余部分采用粗網格劃分.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建接觸單元.

2 滾圈與托輪有限元模型的建立及關鍵項設置

根據實際回轉窯尺寸和工況，綜合考慮計算效率，取對稱模型的1/2進行建模.滾圈－托輪接觸屬于線接觸分析，綜合考慮材料、應力的非線性等因素選取SOLID95單元作為三維實體分析單元.SOLID95是一個高階版本的三維實體單元，是六面體二十節點單元，每節點具有三個自由度.該單元具有塑性，熱膨脹性，蠕變性，大強度，大變形等性能.適合滾圈和托輪的點一面接觸分析，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，同時打開時間步長，打開牛頓拉普森選項.

圖2 滾筒－托輪接觸單元

3 結果分析及討論

求解結束后采用通用后處理器POST1和時間歷程處理器POST2，可以得到整個模型的等值效應力彩色云圖，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，產生一定的變形.產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果.

圖4 滾圈等效應力分布圖

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

圖5 沿接觸線路徑上X,Y,Z方向上剪切應力曲線圖

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

圖6 接觸區滾圈應力分布（a）及接觸區應力分布放大圖（b）

圖7 接觸區托輪應力分布

圖8 接觸線路徑上應力分布

圖6接觸區滾圈應力分布圖，圖7接觸區托輪應力分布，圖8接觸線路徑上應力分布.結合應力分布云圖及接觸線應力分布圖可以看出，在接觸區域滾圈應力最大值為69.28Mpa，這也是接觸處的最大應力，同時查看節點可以明顯看出這個最大應力出現距離邊緣處7.8mm處，而托輪上最大應力值為80MPa.當滾圈和托輪表面存在局部焊補或非金屬夾雜物時，在表面焊補處容易產生高溫微裂紋，進而在受到幅值很大的交變應力作用時，很容易出現大面積剝落，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顏色，從左至右依次是遠離狀態、近接觸狀態和滑移狀態.從圖中可以直觀看出接觸線及其附近區域節點已經出現了滑移，也就是說發生滑移的接觸面將要發生破壞.而其它區域基本上都是未接觸或將要接觸.而且從發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行壓扁然后發生滑移，這與理論分析、現場實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域間隙距離為0，說明兩者已經相互完全侵入，發生劇烈的摩擦、滑移，其它區域間隙距離逐漸增大直至遠離.

4 結論

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

（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，產生一定的變形.

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

（4）接觸狀態圖表明接觸線及其附近區域節點已經出現了滑移，也就是說發生滑移的接觸面將要發生破壞，設備實際運行中要注意防護.

〔1〕方芳.10000t/d回轉窯溫度場與熱應力有限元分析研究 [J].武漢理工大學學報，2008,30(8):62－64.

〔2〕王和慧,謝可迪，陳一凡，等.大型回轉窯筒體結構的力學行為分析 [J].機械強度，2010,32(4):606－616.

〔3〕王琳，王炳龍，陸大剛，梁軍.大型回轉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，郭衛輝，王和慧.大型回轉窯液壓檔輪的有限元分析及其優化 [J].石油與化工設備，2010,13(10):25－28.

〔5〕沈意平，李學軍，劉德順.大型回轉窯支承滾圈的有限元動力特性分析 [J].機械科學與技術，2007，26（9）：1155－1158.

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

TH112.3

A

1673-260X（2011）11-0132-03