楊愛龍

（中材裝備集團有限公司，天津 300400）

大型回轉窯筒體結構的力學行為思考

楊愛龍

（中材裝備集團有限公司，天津 300400）

本文通過建立含耐火磚模型和函數加載有限元模型對大型回轉窯筒體變形和應力的計算結果進行了詳細分析。

大型回轉窯 筒體結構 力學行為

1. 回轉窯的支撐與摩擦載荷分析

由于筒體的長度要比其直徑大得多，因此可以采用超靜定變剛度連續(xù)梁模型來對筒體各檔支承的支撐載荷進行計算。筒體的總長是50.95 m,內半徑1.375 m，且各處的厚度不同。在不考慮下滑靜摩擦的影響我們可以將筒體視為水平連續(xù)梁處理后的等效重力加速度為g′=9.8cos 2.977°=9.787 N kg。而筒體的材料是Q345C，其密度ρ=7.85×103kg m3，筒體的總質量是127 426.0 kg。筒體內部耐火磚層的質量是199 030.7 kg，物料質量是11 000.0 kg，他們在回轉窯內以螺旋式向前移動，其速度比較均勻，物料質量在軸線方向被視為均布載荷。因此可以將物料、耐火磚和筒體的自重合在一起視為作用于水平梁的等效均布載荷,其集度q= (337 456.7×9.787) /50.95=64.822 kN/ m。

窯尾揚料板和密封物的質量是1 705.15 k，集中力載荷F1=16.688 kN。由于筒體上和切向鋼板連接的范圍相對較小，所以也可以將大齒輪的質量看做集中力載荷，為F2=51.614 kN。然后就可以用Ansys軟件計算超靜定變剛度連續(xù)梁的支反力。

如上圖所示，建立模型，并分段定義梁單元的幾何參數，得出下圖中的超靜定變剛度連續(xù)梁有限元模型。

其應力和撓度都不能對筒體的局部變形和應力狀態(tài)進行準確的反映，建立這個模型的作用主要是計算得到各檔支承的豎直方向支反力，分別為R1=1 201.460 3 kN、R2=1 159.928 5 kN、R3=1 009.594 kN。

2. 筒體變形和應力的計算結果分析

2.1 靜止工況下筒體的變形和應力狀態(tài)

本文采用采用含耐火磚模型和函數加載模型對實際穩(wěn)定運轉工況下的回轉窯進行了計算，并通過對筒體橫截面圓度的分析，試圖找出筒體強度和剛度上的薄弱點。

2.1.1 變形狀態(tài)分析

在利用含耐火磚有限元模型去計算在靜止工況下的回轉窯，可以得其輪帶的變形情況。變形情況等比例放大之后，可以看出變形量很小，最大的時候才達到1.109 mm。最大的變形發(fā)生在Ⅰ、Ⅱ擋支承之間的靠近中央位置的筒體正下方的外壁上，而第Ⅰ、Ⅱ檔支承之間筒體跨距是19m，第Ⅱ、Ⅲ檔之間跨距是17m，造成這一現象的原因可以用材料力學連續(xù)梁理論解釋，即超靜定多跨連續(xù)梁的最大撓度總是發(fā)生在最長跨距段的近似中央位置。

2.1.2 應力狀態(tài)分析

經過比較和驗證，可得出在各檔輪帶的托輪支撐接觸區(qū)存在應力集中，且最高達到101.3 MPa，最高點出現在第一檔輪帶的支撐接觸區(qū)，但并沒有觸及輪帶材料的屈服極限。

2.2 穩(wěn)定運轉工況下筒體的變形和應力狀態(tài)

分析筒體在穩(wěn)定運轉工況下的變形與應力狀態(tài)，只需要在靜止模型中采用含耐火磚有限元模型，并增加轉矩和摩擦載荷。

2.2.1 變形狀態(tài)分析

下圖所示的是通過計算得出的是在穩(wěn)定運轉工況下筒體和輪帶的總體變形情況。從圖中可以看出筒體受大齒輪轉矩作用發(fā)生變形，最大變形為1.109 mm，發(fā)生位置和靜止狀態(tài)相比，沿轉矩環(huán)向偏轉大約9°。

2.2.2 應力狀態(tài)分析

本文的關注重點在于在穩(wěn)定運轉工況下的筒體部分的應力強度，下圖(a)所示的是在單獨抽取和觀察的筒體的應力場的當量應力分布情況，其中最大的當量應力發(fā)生在筒體中間檔輪帶支承位置的內表面，最大值是20.625 MPa。而且筒體大部分區(qū)域的當量應力分布呈現出縱向對稱性，而且具有較高的安全系數，但是應力在軸向分布上很不均勻，在三檔支承節(jié)段上的應力是懸空筒節(jié)段上應力的3到4倍。若果筒體發(fā)生支承磨損與偏斜或者筒體的物料載荷增加，那么檔位支承段筒體的應力狀態(tài)就會被嚴重破壞，因此十分有必要對檔位支承段筒體的厚度進行補強和優(yōu)化。

而大齒圈處的局部筒體的應力集中，但是其最高應力值也比較小，因此具有較高的安全性。由此可見，在實際運轉工況下的筒體的應力要比停工靜止狀態(tài)下的應力大，但是變化相對較小，表明大齒輪的托輪支承和回轉轉矩之間的摩擦阻力對筒體應力分布的影響是微小的，因此，將回轉窯窯體結構處理為靜止狀態(tài)進行工程分析也是準確的。

2.3 穩(wěn)定運轉工況下筒體函數加載有限元模型的比較分析

采用函數加載有限元模型對穩(wěn)定運轉工況下的筒體當量應力進行計算，如下圖所示，其中筒體的最大當量應力發(fā)生在筒體與中間輪帶支承位置的接觸區(qū)，最大值是24.162 MPa，這一計算結果與前文所提到的用含耐火磚有限元模型進行計算的結果相比，得出的最高應力結果較大，但是兩者的應力分布規(guī)律相一致。含耐火磚模型單元數為59 737,總自由度數為614 150，而函數加載模型的單元數為42 641,總自由度數為458 392，因此，在總自由度上函數加載模型相較較少了大約1/4，從而使計算效率有所提高。

2.4 穩(wěn)定運轉工況下筒體的橫截面圓度分析

筒體的橫截面圓度對于回轉窯的安全運轉來說具有十分重要的意義，如果筒體的橫截面圓度很差的話，將很容易導致振動或者耐火磚的掉碎磚現象，使筒體壁產生局部高溫，導致疲勞破損、材料劣化，將對筒體的強度安全造成威脅。

橫截面在X方向的最大正位移UXmax和最小位移UXmin恰好在左右兩個端點，Y方向的最大正位移UYmax和最小位移UYmin恰好在上下兩個端點。選取圖中的對應點課讀出位移的數值，分別是UXmax=0.351 22、UXmin=-0.347 36、UYmax= -0.007 663、UYmin=-0.662 80，通過計算可以得出橫截面的圓度是0.676 86mm。在以同種方法推算出截面A、C、D的圓度分別為cA=0.653 88 mm,cC=0.509 93 mm,cD=0.033 707 mm。比較可得橫截面B的圓度最大，也就是說在第二檔輪帶附近筒體的圓度是最差的，從而得出在中間輪帶支承附近的筒體內部掉碎磚現象最為嚴重，因此在日常對筒體進行檢修時，需要重點關注支承區(qū)域筒體內部是否發(fā)生掉碎磚現象，并且對注重對筒體厚度的優(yōu)化，對截面剛度的補強。

小結：本文通過建立含耐火磚模型和函數加載有限元模型對大型回轉窯筒體變形和應力的計算結果進行了詳細分析?？梢缘贸鲆韵陆Y論，第一，回轉窯在靜止和運轉兩種工況下的表型情況和應力都可以滿意相應的剛度和強度條件。第二，實際運轉時筒體最高應力發(fā)生在筒體與中間檔輪帶接觸區(qū)的內表面。第三，中間檔輪帶附近的筒體圓度最差，最容易出現問題。第四，各檔位段的支承載荷分配不均，以至于筒體的應力分布不均勻。

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