數據驅動的大型回轉窯支撐系統數值模擬研究

喬景慧 蔡傳全

摘 要：回轉窯是氧化鋁生產的核心設備，由筒體、托輪、輪帶、擋輪和傳動設備等組成，是復雜的超靜定運行系統。筒體是整個系統的主要支撐部件，物料的物理、化學反應均在筒體內完成，回轉窯筒體的運行狀態直接影響物料的燒成程度。基于超靜定連續梁模型和赫茲理論，本文將筒體視為簡支梁，對各擋位支撐力進行求解，并定義筒體當量密度來處理整個筒體的重力，將傳統力學方法求得的支撐力與ANSYS求解的支撐力進行比較，為ANSYS分析提供理論支持，綜合考慮多個附件的荷載對筒體剛度造成的復雜影響，依據筒體的應力圖、變形圖來確定其危險截面，根據應變云圖結果，確定變形量最大的擋位，保證筒體穩定運行，為回轉窯結構設計優化提供參考。

關鍵詞：回轉窯;筒體;應力分析;有限元法

Abstract： Rotary kiln is the core equipment for alumina production， which is composed of cylinder， supporting roller， wheel belt， retaining wheel and transmission equipment， and is a complex ultra-static running system. The barrel is the main supporting component of the entire system， the physical and chemical reactions of the materials are completed in the barrel， the operating state of the rotary kiln shell directly affects the degree of material firing. Based on the statically indeterminate continuous beam model and the Hertz theory， this paper regarded the cylinder as a simply supported beam， solved; the support force of each gear， and defined the cylinder equivalent density to handle the gravity of the entire cylinder. The support force obtained by traditional mechanics method was compared with the support force solved by ANSYS to provide theoretical support for ANSYS analysis; considering the complex impact of the load of multiple accessories on the rigidity of the cylinder， the dangerous section was determined according to the stress diagram and deformation diagram of the cylinder; according to the results of the strain cloud diagram， the gear with the largest amount of deformation was determined to ensure the stable operation of the cylinder， which provided a reference for the structural design optimization of the rotary kiln.

Keywords： rotary kiln;cylinder;stress analysis;finite element method

回轉窯是生產水泥、石灰、冶金和化工的核心設備，也是對散狀或漿狀的物料進行熱處理的熱工設備。筒體、回轉部件、物料和窯襯等的質量極大，少則有幾百噸，多則有幾千噸。作為復雜重載、變剛度、多支撐的大型超靜定回轉筒體設備，回轉窯的正常運行不僅對企業的生產效益十分重要，更是生產安全的重要保障[1]。回轉窯的強度問題表現為筒體在荷載作用下產生彎曲變形，易造成擋輪和托輪底座破裂、地腳螺栓拉斷以及混凝土破裂等現象，給企業生產和人員安全造成巨大損失[1]。筒體在實際運行中的荷載、變形和應力十分復雜。本文運用傳統力學，通過計算托輪的支撐點應力，應用ANSYS分析應力分布狀態，對其結果進行分析，為回轉窯筒體優化設計和合理選用材料提供參考。

1 回轉窯基本參數

某氧化鋁廠500 t/d回轉窯的規格為[Φ]5.6×105 m，四擋支撐，采用輪帶活套結構，筒體與水平面的斜度為3.5%。窯尾罩與窯頭罩的重量很小，相對于回轉窯其他部分，它們對筒體沒有荷載作用。建模分為筒體層和襯磚層，筒體為鋼殼，材料為Q345C，彈性模量為201 GPa，泊松比為0.294。襯磚層為耐火磚，從窯頭至窯尾在長度上分段建模并假設石灰物料是均勻的。材料參數如表1所示。

2 回轉窯筒體荷載分布及其等效化處理

傳統力學中的連續梁模型將窯襯重量直接作為荷載加到筒殼上，利用圓環形連續梁的模型對支撐受力點進行簡化分析[2]。外筒體、物料、耐火材料、傳動大齒輪和筒外輪帶共同構成筒體。筒體的質量為[M1]=1 020.572 t，物料質量[M2]=536.237 t，耐火材料的質量[M3]=1 560.675 t。由于這三部分質量整體分布于[L]=107 m的長度上，可將其視為等效均布荷載[q][2]。

傳動大齒輪質量[M4]=75.72 t，分布于四個擋位的輪帶質量[M5]=42.56 t，回轉窯筒體外表面作用的五部分荷載，其作用寬度與回轉窯的筒體長度相比很小，將這五部分荷載視為等效集中荷載進行計算[2]。計算結果如下：等效均布荷載[q]=221.28 kN/m;大齒輪集中荷載[F1]=380.88 kN/m;輪帶集中荷載[F2]=411.6 kN/m。

3 筒體力學模型及支撐點應力

根據文獻[3]中的求解支撐力通用模型，本文建立筒體力學模型，求解超靜定問題，如圖1所示。

本文建立的筒體力學模型為超靜定系統，求解超靜定問題（相當系統）時，要根據“多余約束”所提供的位移條件來建立補充方程后，得到接觸多余約束后的靜定基（基本系統）[2]。然后，根據變形協調方程得到關于多余約束力的補充方程，為保持模型的剛度，其撓度和軸向方向的位移均為0，根據變形協調體條件（即式（2）），可列出力法正則方程，如式（3）所示。

超靜定問題可以轉化為靜定問題，即僅有[A]、[B]兩個支撐點，且[C]、[D]兩點分別受到力[X1]、[X2]的作用。為求出靜定狀態下的[X1]、[X2]，人們需要求出[Mx]、[M1x]、[M2x]，列出如下彎矩方程。

4 筒體有限元分析

回轉窯筒體作為連續梁模型考慮時，不能計算筒體的環向應力和應變，但是實際的筒體測試和實物破壞都說明它們是不容忽視的。利用ANSYS軟件對回轉窯進行有限元應力分析時，人們會考慮筒體的環向應力和應變，從而為回轉窯筒體支撐調整提供理論參考。

本文研究的筒體使用的是Solid95單元建模。Solid95單元具有很高的曲線邊界模型適應性，Solid95具有應力剛度、蠕變、塑性、大變形和大應變能力，效果很好[4]。單元形狀如圖2所示。

4.1 筒體建模及網格劃分

本文運用Solidworks軟件建立筒體的三維模型，輸出為X_T文件，再將模型導入ANSYS中[5]。由于大齒輪固定在筒體上，與筒體軸向長度相比小得多，所以它對筒體的剛度影響可以忽略不計[6-7]。筒體有限元網絡網格劃分如圖3所示，筒體部分網格劃分細節如圖4所示。

回轉窯要施加如下約束：在[YOZ]平面上（[X]=0），筒體有托輪和大齒輪的限制，在[X]方向的位移為0;各擋位支點處軸向方向位移為0，擋輪接觸4擋的輪帶，輪帶與托輪的接觸區軸向位移為0;在[XOY]平面（[Z]=0），約束[Z]方向的位移為0。

4.2 荷載的施加與計算結果

施加的荷載有：自重荷載;大齒輪及輪帶在筒體上的集中荷載;物料對筒體壓力的荷載。荷載施加完成后，進行有限元分析，計算結果如下：[R1]=5 897.26 kN，[R2]=6 926.67 kN，[R3]=6 587.43 kN，[R4]=3 991.59 kN。

5 結果分析

經過仿真，得到筒體模型的整體變形圖。由圖5可以看出，筒體的最大變形量是1.429 mm，發生在1擋與2擋之間，距離1擋輪帶中心處16 000 mm，1、2擋的跨距為32 000 mm。1、2擋之間有齒圈的集中力作用，所以該處的變形量最大[8]。由圖6可以看出，筒體的支撐存在集中應力，最大為32 MPa，發生在2擋。

6 結論

對利用連續梁模型得到的結果與ANSYS軟件分析得到的結果進行比較，如表2所示。從筒體應變云圖可以看到，變形量最大的位置在1擋與2擋之間。主要原因有兩個，一是1擋、2擋的跨度最大，二是大齒圈位于1擋、2擋之間，大齒圈產生了集中應力。人們可以改變1擋與2擋間的跨度來改善這種情況，進而提高回轉窯筒體的整體性能。觀察應力圖中4個擋位的荷載分布，1擋、2擋、3擋的跨度大，力集中作用在前三個擋位，在以后的工程運算中，要著重考慮這些部位的零件。本文運用ANSYS仿真計算得出結果，并將其與用連續梁模型求解的結果進行了比較。ANSYS分析考慮了荷載的分布寬度、軸向應力和剪切應力，可以更好地處理荷載對回轉窯筒體的支撐結構影響，能夠得到精確的筒體變形圖和應力圖，明確危險截面。

參考文獻：

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