一種啞鈴型水泥回轉(zhuǎn)窯筒體強(qiáng)度校核

王繼光 劉建平

（洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 河南 洛陽 471039）

現(xiàn)有的新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯的筒體一般為通長的圓柱體結(jié)構(gòu)，早期也有為了增加燒成帶發(fā)熱能力、增加產(chǎn)量的窯頭直徑擴(kuò)大型筒體，也有為了降低窯尾風(fēng)速、提高分解帶換熱能力的窯尾直徑擴(kuò)大型筒體[1]，還有窯頭端和窯尾端直徑都擴(kuò)大型。兩端直徑擴(kuò)大型的筒體，外觀形似啞鈴，通常也成為啞鈴型筒體。本文針對一種啞鈴型特種水泥回轉(zhuǎn)窯筒體的鋼板、耐材、物料等載荷條件，對其筒體鋼板彎曲應(yīng)力進(jìn)行了校核計(jì)算。

1 基本條件

某水泥廠有一臺規(guī)格為Φ3.3/2.5/3.3X57m 的水泥回轉(zhuǎn)窯，基本參數(shù)如下：

喂料量：11t/h

筒體安裝斜度：3.5%（正弦）

筒體轉(zhuǎn)速：1.5r/min

支承檔數(shù)：3

齒圈重量：20t

窯皮分布長度為從出料段15m，窯皮平均厚度200mm

窯尾懸伸段長度9.5m，二三檔跨距24m，一二檔跨距19m，窯頭懸伸段4.5m。

筒體鋼板厚度分布如圖1 所示，進(jìn)料端筒節(jié)厚度26mm，三擋輪帶筒節(jié)厚度60mm，齒圈筒節(jié)厚度30mm，二三檔中間跨筒節(jié)及過渡筒節(jié)厚度26mm，二檔輪帶筒節(jié)厚度40mm，燒成帶筒節(jié)及過渡筒節(jié)厚度30mm，一檔輪帶下筒節(jié)厚度60mm，出料端筒節(jié)厚度30mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]中鋼板厚度與筒體直徑之比為設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)：低溫區(qū)一般筒節(jié)取值0.006，燒成帶0.007，輪帶下0.015，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算出來的筒體鋼板厚度分別為：一般筒節(jié)20mm，燒成帶23mm，一三檔輪帶下50mm，二檔輪帶下38mm，因此該窯筒體鋼板厚度均符合厚度要求。

圖1 筒體鋼板厚度分布圖

筒體內(nèi)部耐火材料載荷分布見圖2: 1.進(jìn)料端黏土磚段長度25.225m，重量平均3.7t/m；2.錐段澆筑料段長6m，重量平均4t/m；3.高鋁磚段長4.55m，重量平均3.9t/m；4.燒成帶錐段澆筑料段長6m，重量平均4t/m；5.燒成帶高鋁磚段長度15.225m，重量平均5.3t/m；各段耐材厚度均為180mm。

圖2 耐火材料分布圖

2 筒體強(qiáng)度計(jì)算

2.1 由于回轉(zhuǎn)窯筒體是一種梁結(jié)構(gòu)的低速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，斜度較小，因此在筒體強(qiáng)度計(jì)算時(shí)做以下簡化：

(1).將筒體視作圓環(huán)截面水平連續(xù)梁，不考慮截面變形后對截面模數(shù)的影響，不考慮窯斜度的影響；

(2).物料在窯內(nèi)由于筒體旋轉(zhuǎn)物料重心與筒體軸線不在同一豎直面內(nèi)，但筒體計(jì)算時(shí)只計(jì)算筒體作為一根連續(xù)梁的整體受力，不考慮物料重心對窯軸線的偏移；

(3).由于筒體轉(zhuǎn)速較低，筒體載荷按靜載荷計(jì)算，筒體在旋轉(zhuǎn)時(shí)所受扭矩為筒體內(nèi)力，在計(jì)算強(qiáng)度時(shí)不考慮。

2.2 筒體載荷計(jì)算

筒體載荷主要分為兩類，一類可以簡化為沿筒體軸向上的均布載荷：筒體鋼板重量，耐材重量，物料重量，窯頭結(jié)圈重量；另一類是集中在筒體某一位置的集中載荷：三擋支承的支反力，齒圈重力。

2.2.1 筒體鋼板單位長度載荷計(jì)算qs

單位長度筒體鋼板：

式中，qs：單位長度鋼板重量，t/m；

D：筒體內(nèi)徑，m；

δ：鋼板厚度，m；

2.2.2 物料單位長度載荷qm：

按物料流通量11t/h 計(jì)算：物料容重按1.2t/m3 計(jì)，進(jìn)料段內(nèi)徑3.3m 直段處：物料移動速度經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：v,物料在窯內(nèi)軸向移動速度，m/min；

D，內(nèi)徑，m；

n，筒體轉(zhuǎn)速，r/min；

β，筒體傾斜角度，按3.5%斜度計(jì)算值2.00576°；

α，物料自然堆積角，水泥熟料取值35°；

計(jì)算物料移動速度為0.84m/min。

計(jì)算單位長度物料載荷：

式中：Gm，物料流通量，t/h;

計(jì)算得每米物料重量為0.22t，即物料載荷0.22t/m。

同理計(jì)算2.5m 內(nèi)徑中間筒節(jié)：

物料移動速度為0.61m/min，物料載荷0.3t/m。

窯皮段載荷計(jì)算：

窯皮容重按2.0t/m3 計(jì)算得窯皮量為：51.6t，平均3.4t/m。

燒成帶與出料段3.3m 筒節(jié)考慮窯皮后的物料載荷0.25t/m。

將上述筒體鋼板、耐材、物料、窯皮載荷簡化為筒體各段均布總和，加上齒圈集中載荷，得出筒體各段節(jié)的簡化載荷，如圖3 所示：窯尾懸伸段均布載荷q1=6.36t/m，二三檔跨間均布載荷q2=6.31t/m，一二檔跨間均布載荷q3=9.45t/m，窯頭懸伸段均布載荷q4=12.0t/m，齒圈載荷F1=20t，從窯頭到窯尾的三擋支反力分別為R1，R2，R3。

圖3 筒體載荷簡化圖

利用三彎矩方程計(jì)算筒體所受的支反力R1=132t，R2=183t，R3=150t。

筒體彎曲應(yīng)力按薄壁環(huán)形截面梁計(jì)算，根據(jù)各處的筒體厚度計(jì)算筒體截面系數(shù)：

筒體彎曲應(yīng)力公式：

計(jì)算各處筒體彎曲應(yīng)力，見下表。

窯筒體彎曲應(yīng)力計(jì)算表

可以看出：筒體最大彎曲應(yīng)力為27.95MPa，出現(xiàn)在二擋支承輪帶下，其次二檔圓柱段與進(jìn)料側(cè)錐段結(jié)合處筒體最大彎曲應(yīng)力22.41MPa，跨間最大彎曲應(yīng)力12.11 MPa，出現(xiàn)在一二檔跨間。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，筒體的許用彎曲應(yīng)力值為20MPa，允許個(gè)別點(diǎn)為20-25MPa。總體來說一般不應(yīng)該超過25MPa，因此二檔帶下的27.95MPa 過大，若將該處筒體鋼板厚度改為同一三檔一樣的60mm 厚度，則彎曲應(yīng)力下降至18.5MPa，基本上可以接受。

如果將二檔進(jìn)料側(cè)錐段鋼板厚度由26mm 增加為30mm，則彎曲應(yīng)力降為19.4MPa，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

1.筒體強(qiáng)度在二檔輪帶下筒節(jié)、二檔圓柱段與進(jìn)料側(cè)錐段結(jié)合處彎曲應(yīng)力過大，將二檔輪帶筒節(jié)鋼板厚度增至與一三檔一致，將二檔進(jìn)料側(cè)錐段筒節(jié)鋼板厚度增加至與出料側(cè)錐段厚度一致，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

2.按筒體經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的鋼板厚度在啞鈴型回轉(zhuǎn)窯中部細(xì)段時(shí)不適用，中間支承處為筒體受彎矩最大處，較小的直徑導(dǎo)致的較小的截面模數(shù)會加大筒體彎曲應(yīng)力，因此在設(shè)計(jì)該類型回轉(zhuǎn)窯時(shí)應(yīng)校核該處的筒體鋼板彎曲應(yīng)力，適當(dāng)增加鋼板厚度以避免該處筒體在交變應(yīng)力的作用下失效。