張振江 張振偉

(1:沈陽三洋電梯有限公司 遼寧沈陽 110122;

2:東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院 遼寧沈陽 110004)

1 引言

高溫滾粒機(見圖1)是干法?；郀t渣的一種設(shè)備，可以有效回收渣粒顯熱，節(jié)約大量新水，不污染環(huán)境，而且結(jié)構(gòu)簡單，效率高。高溫滾粒機關(guān)鍵部件是轉(zhuǎn)軸頂端帶一轉(zhuǎn)盤的豎直轉(zhuǎn)子，高溫熔渣掉落在轉(zhuǎn)盤上被甩出去成球，達到粒化目的。工作轉(zhuǎn)盤承受離心慣性力和熱應(yīng)力，使用ANSYS對轉(zhuǎn)盤進行優(yōu)化分析，確定最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 有限元模型

高溫滾粒機轉(zhuǎn)盤由兩種材料組成，耐火內(nèi)襯和鋼制外殼，工作時受到離心力和熱應(yīng)力作用，針對鋼制外殼強度不足的問題，以轉(zhuǎn)盤總重量為目標函數(shù)，以截面若干關(guān)鍵點的坐標為設(shè)計變量，把鋼制外殼的最高溫度和最大應(yīng)力作為狀態(tài)變量，進行優(yōu)化分析。工作轉(zhuǎn)盤的1/8實體模型如圖2，轉(zhuǎn)盤截面尺寸如圖3。

圖1 高溫滾粒機結(jié)構(gòu)圖

圖2 轉(zhuǎn)盤的1/8實體模型

圖3 工作轉(zhuǎn)盤截面線框圖

表1給出圖3中相關(guān)點的坐標，用參數(shù)表示(其中 K101，K102，K103，K6，K7，K8，K9，K201，K202，K203分別對應(yīng)圖3及圖5中的101，102，103，6，7，8，9，201，202，203)，在使用ANSYS進行優(yōu)化前，這些變量都被指定了初始值和取值范圍。目標函數(shù)是轉(zhuǎn)盤的總質(zhì)量，設(shè)計變量如表1所示，還有兩個狀態(tài)變量，要滿足一定的約束，即鋼制外殼上最大的溫度和最大的應(yīng)力。

表1 包含設(shè)計變量的關(guān)鍵點坐標

3 優(yōu)化分析結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果顯示，ANSYS共給出了14組解，其中圖4中所示的第14組是最佳的，也是可行解，即最優(yōu)解，各參數(shù)值如表中所示，其中鋼制外殼的最高溫度低于400℃(666.40K)，轉(zhuǎn)盤危險部位最大Von Mises應(yīng)力為409.7MPa，小于許用值，并得出A、B、C、D、E、AF和RATIO各設(shè)計變量的值(其中A、B、C、D、E、AF、RATIO分別對應(yīng)表1中的a、b、c、d、e=c+d、af、ratio)，取這些值時，轉(zhuǎn)盤的質(zhì)量最小，為106.09kg。工作轉(zhuǎn)盤的應(yīng)力云圖如圖6所示，最大應(yīng)力還是發(fā)生在轉(zhuǎn)盤鋼制外殼側(cè)壁上沿處。優(yōu)化結(jié)果顯示，側(cè)壁耐火內(nèi)襯材料減薄了，側(cè)壁外面加強筋向上延長到接近頂部，優(yōu)化后的截面尺寸如圖5所示。

圖4 優(yōu)化變量最優(yōu)解

圖5 轉(zhuǎn)盤優(yōu)化后的截面尺寸

圖6 高溫滾粒機轉(zhuǎn)盤優(yōu)化后的應(yīng)力分布

表2 優(yōu)化變量在優(yōu)化分析前后的取值對比

表2所示是優(yōu)化前后優(yōu)化變量的值，與原設(shè)計尺寸相比，參數(shù)A略有增加，表明轉(zhuǎn)盤底部耐火內(nèi)襯厚度增加，但不是很明顯;優(yōu)化后參數(shù)B有明顯減少，約減少27mm，這表明轉(zhuǎn)盤側(cè)壁上耐火內(nèi)襯的厚度有明顯減少;參數(shù)C減少了約10mm，參數(shù)D增加了約10mm，而其和(參數(shù)E)變化不是很明顯，由優(yōu)化模型的建立過程知道，參數(shù)C決定著關(guān)鍵點K202的縱坐標，參數(shù)C和D決定著關(guān)鍵點K203的縱坐標，也就是決定著側(cè)壁部分加強筋的具體尺寸;參數(shù)AF增加了約2.6度，這也是和側(cè)壁上加強筋相關(guān)的一個參數(shù);參數(shù)RATIO增加了，由原來的0.8增加到0.947，這個參數(shù)決定著關(guān)鍵點K201在線“6-7”上的位置(圖3)，總之，參數(shù)C、D、E、AF和RATIO都是和加強筋的尺寸有關(guān)的參數(shù)，優(yōu)化的結(jié)果如圖4，一個明顯的變化是加強筋沿側(cè)壁向上延伸，保證了轉(zhuǎn)盤鋼制外殼的強度;參數(shù)TMAX是狀態(tài)變量，變化不明顯，鋼制外殼最高溫度在400℃(666.4K)以下;參數(shù)SMAX是一個重要狀態(tài)變量，通過優(yōu)化了解如何選擇設(shè)計變量來滿足強度要求，優(yōu)化后應(yīng)力最大約為409MPa，位置如圖5所示。參數(shù)MTOT是目標函數(shù)，在滿足轉(zhuǎn)盤強度和耐熱要求的同時，使轉(zhuǎn)盤的重量最輕，用料最省，轉(zhuǎn)盤質(zhì)量從優(yōu)化前的116kg降到約106kg。

4 結(jié)論

通過優(yōu)化分析，轉(zhuǎn)盤在滿足強度要求的前提下，總重量減輕了，耐火內(nèi)襯減薄了，加強筋附近的結(jié)構(gòu)變化最為顯著，向上延長到了轉(zhuǎn)盤側(cè)壁上沿。

［1］劉軍祥，于慶波等.高爐渣干法?；囼炑芯浚跩］.鋼鐵，2010，Vol.45(2).

［2］K.K.斯特列洛夫，馬志春.耐火材料結(jié)構(gòu)與性能.北京:冶金工業(yè)出版社，1992.

［3］任國斌，尹汝珊.Al2O3-SiO2系實用耐火材料.北京:冶金工業(yè)出版社，1988.

［4］曹玉璋.傳熱學(xué)［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2000.1.

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