雙回程烘干滾筒結構強度有限元分析

摘? 要：雙回程烘干滾筒在運行一定時間后，容易在進料端滾圈支撐板處出現開裂現象。通過分析物料在滾筒內的分布情況，并對滾筒運行工況進行合理簡化，利用有限元分析軟件ANSYS對滾筒進行靜強度分析，并與實際情況進行對比，確定滾筒應力集中區域，研究滾圈支撐板開裂的原因。

關鍵詞：干燥滾筒;滾圈;支撐板;靜強度分析

中圖分類號：TK173? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

雙回程烘干滾筒是干粉攪拌設備中的主要部件，用于對原料進行烘干冷卻，以保證干粉砂漿產品的質量。烘干滾筒是否正常運轉，并充分進行加熱烘干作業，將直接影響整套干粉攪拌設備的正常生產，也是衡量整機性能的主要因素。干燥滾筒的結構如圖1所示。

支撐板介于烘干滾筒筒體與滾圈之間，起支撐固定作用，并能有效緩沖筒體與滾圈之間的相互沖擊，現有支撐板結構如圖2所示。

目前滾圈支撐板的設計以借鑒或經驗設計為主，并無理論依據支撐，產品的可靠性得不到保證。該文利用ANSYS分析滾筒整體應力分布情況，確定滾筒應力集中區域，為滾筒支撐板結構設計及改進提供理論依據。

1 滾筒實體模型

滾筒內各種葉片結構復雜，為減少計算量，將內、外筒體上的葉片全部簡化掉，將進料端簡化成一段直徑與內筒一樣的圓筒，利用SOLIDWORKS軟件建立滾筒簡化模型如圖3所示。滾筒筒體材料為20 g，屈服強度σS=277 MPa;滾圈材料為35鋼，屈服強度σS=380 MPa;滾筒支撐板的材料為Q235A，屈服強度σS=231 MPa，99.9%存活率下的疲勞極限σ-1=177 MPa。

2 滾筒邊界條件

邊界條件主要包括施加在模型上的約束及外載荷等。滾筒由4個托輪與滾圈接觸支撐，因此滾筒的約束施加在滾圈與托輪接觸的4條接觸線上。作用在滾筒上的載荷主要有滾筒運行時的離心力，原料對滾筒的作用力以及滾筒自身所受的重力。

滾筒簡化結構的質量轉換成筒體的質量，計算得內筒的密度ρ1=13 500 kg/m3，進料端筒體密度ρ2=22 300 kg/m3，外筒密度ρ3=10 800 kg/m3，滾圈及其他結構密度ρ4=7 850 kg/m3，滾筒持料量約為4 300 kg。

3 滾筒有限元模型

有限元分析中，單元網格劃分的好壞與計算結果的精確度及計算消耗的時間有很大關系，因此，劃分單元網格是進行有限元分析求解中很重要的一步。該文采用Solid45六面體單元對滾筒進行網格劃分，分網后共有個127 190節點和116 370個單元。

4 求解及結果分析

由于滾筒轉速低，離心力可忽略不計，因此該文采用Static靜態求解器求解。為模擬滾筒旋轉一圈時的受力情況，采取間隔2.7°施加一次載荷及約束并寫出載荷步文件，總共生成132個載荷步。求解時選擇From LS Files方法，依次讀入載荷步進行求解。

由于滾筒結構復雜，正常運行時滾筒處于復雜應力狀態下，所以取當量應力（Von Mises Stress）作為計算應力進行研究。進入ANSYS通用后處理模塊，對滾筒應力場進行分析。由圖5應力云圖可知，滾筒旋轉過程中，應力集中于支撐板與滾筒焊接一端折彎處附近，A點的當量應力值最大，其值為σv=43 MPa，是滾筒可能發生失效的危險位置。與滾筒支撐板實際裂紋位置（如圖6所示）基本吻合。

由圖7應力矢量圖可知，支撐板在滾筒旋轉過程中，危險點A處的第二主應力σ2比較小，可認為支撐板始終處于拉伸、壓縮交替變換的應力中。由材料疲勞失效的定義：材料在循環載荷作用下，局部高應力部位損傷逐漸積累，經一定循環次數后形成裂紋或裂紋在循環載荷作用下不斷擴展，導致發生完全斷裂的失效形式，可知支撐板有發生疲勞失效的危險，當支撐板的等效對稱循環應力幅大于修正后的材料疲勞極限時必將發生疲勞失效。

5 結論

滾筒在正常運行情況下，應力集中于支撐板與滾筒焊接一端折彎處，與實際滾圈破壞位置一致。但是滾筒運行時的應力水平較低，支撐板應力集中區的等效對稱循環應力幅小于修正后的材料疲勞極限，滾筒正常工況下不會發生疲勞失效。由于滾筒的失效均發生在滾筒長期不正常運行，出現徑向跳動，整個滾筒振動比較大的情況下，因此可推斷引起滾筒失效的主要原因是滾筒振動產生較大的沖擊載荷，從而造成滾筒振動疲勞失效。

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