喬景慧 蔡傳全

摘 要：回轉(zhuǎn)窯是氧化鋁生產(chǎn)的核心設(shè)備，由筒體、托輪、輪帶、擋輪和傳動(dòng)設(shè)備等組成，是復(fù)雜的超靜定運(yùn)行系統(tǒng)。筒體是整個(gè)系統(tǒng)的主要支撐部件，物料的物理、化學(xué)反應(yīng)均在筒體內(nèi)完成，回轉(zhuǎn)窯筒體的運(yùn)行狀態(tài)直接影響物料的燒成程度。基于超靜定連續(xù)梁模型和赫茲理論，本文將筒體視為簡(jiǎn)支梁，對(duì)各擋位支撐力進(jìn)行求解，并定義筒體當(dāng)量密度來(lái)處理整個(gè)筒體的重力，將傳統(tǒng)力學(xué)方法求得的支撐力與ANSYS求解的支撐力進(jìn)行比較，為ANSYS分析提供理論支持，綜合考慮多個(gè)附件的荷載對(duì)筒體剛度造成的復(fù)雜影響，依據(jù)筒體的應(yīng)力圖、變形圖來(lái)確定其危險(xiǎn)截面，根據(jù)應(yīng)變?cè)茍D結(jié)果，確定變形量最大的擋位，保證筒體穩(wěn)定運(yùn)行，為回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)窯;筒體;應(yīng)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(zhuǎn)窯是生產(chǎn)水泥、石灰、冶金和化工的核心設(shè)備，也是對(duì)散狀或漿狀的物料進(jìn)行熱處理的熱工設(shè)備。筒體、回轉(zhuǎn)部件、物料和窯襯等的質(zhì)量極大，少則有幾百噸，多則有幾千噸。作為復(fù)雜重載、變剛度、多支撐的大型超靜定回轉(zhuǎn)筒體設(shè)備，回轉(zhuǎn)窯的正常運(yùn)行不僅對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)效益十分重要，更是生產(chǎn)安全的重要保障[1]?；剞D(zhuǎn)窯的強(qiáng)度問(wèn)題表現(xiàn)為筒體在荷載作用下產(chǎn)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(xiàn)象，給企業(yè)生產(chǎn)和人員安全造成巨大損失[1]。筒體在實(shí)際運(yùn)行中的荷載、變形和應(yīng)力十分復(fù)雜。本文運(yùn)用傳統(tǒng)力學(xué)，通過(guò)計(jì)算托輪的支撐點(diǎn)應(yīng)力，應(yīng)用ANSYS分析應(yīng)力分布狀態(tài)，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，為回轉(zhuǎn)窯筒體優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理選用材料提供參考。

1 回轉(zhuǎn)窯基本參數(shù)

某氧化鋁廠500 t/d回轉(zhuǎn)窯的規(guī)格為[Φ]5.6×105 m，四擋支撐，采用輪帶活套結(jié)構(gòu)，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(duì)于回轉(zhuǎn)窯其他部分，它們對(duì)筒體沒(méi)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(zhǎng)度上分段建模并假設(shè)石灰物料是均勻的。材料參數(shù)如表1所示。

2 回轉(zhuǎn)窯筒體荷載分布及其等效化處理

傳統(tǒng)力學(xué)中的連續(xù)梁模型將窯襯重量直接作為荷載加到筒殼上，利用圓環(huán)形連續(xù)梁的模型對(duì)支撐受力點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析[2]。外筒體、物料、耐火材料、傳動(dòng)大齒輪和筒外輪帶共同構(gòu)成筒體。筒體的質(zhì)量為[M1]=1 020.572 t，物料質(zhì)量[M2]=536.237 t，耐火材料的質(zhì)量[M3]=1 560.675 t。由于這三部分質(zhì)量整體分布于[L]=107 m的長(zhǎng)度上，可將其視為等效均布荷載[q][2]。

傳動(dòng)大齒輪質(zhì)量[M4]=75.72 t，分布于四個(gè)擋位的輪帶質(zhì)量[M5]=42.56 t，回轉(zhuǎn)窯筒體外表面作用的五部分荷載，其作用寬度與回轉(zhuǎn)窯的筒體長(zhǎng)度相比很小，將這五部分荷載視為等效集中荷載進(jìn)行計(jì)算[2]。計(jì)算結(jié)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(xué)模型及支撐點(diǎn)應(yīng)力

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的求解支撐力通用模型，本文建立筒體力學(xué)模型，求解超靜定問(wèn)題，如圖1所示。

本文建立的筒體力學(xué)模型為超靜定系統(tǒng)，求解超靜定問(wèn)題（相當(dāng)系統(tǒng)）時(shí)，要根據(jù)“多余約束”所提供的位移條件來(lái)建立補(bǔ)充方程后，得到接觸多余約束后的靜定基（基本系統(tǒng)）[2]。然后，根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程得到關(guān)于多余約束力的補(bǔ)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(jù)變形協(xié)調(diào)體條件（即式（2）），可列出力法正則方程，如式（3）所示。

超靜定問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為靜定問(wèn)題，即僅有[A]、[B]兩個(gè)支撐點(diǎn)，且[C]、[D]兩點(diǎn)分別受到力[X1]、[X2]的作用。為求出靜定狀態(tài)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(zhuǎn)窯筒體作為連續(xù)梁模型考慮時(shí)，不能計(jì)算筒體的環(huán)向應(yīng)力和應(yīng)變，但是實(shí)際的筒體測(cè)試和實(shí)物破壞都說(shuō)明它們是不容忽視的。利用ANSYS軟件對(duì)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行有限元應(yīng)力分析時(shí)，人們會(huì)考慮筒體的環(huán)向應(yīng)力和應(yīng)變，從而為回轉(zhuǎn)窯筒體支撐調(diào)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(yīng)性，Solid95具有應(yīng)力剛度、蠕變、塑性、大變形和大應(yīng)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(wǎng)格劃分

本文運(yùn)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(dǎo)入ANSYS中[5]。由于大齒輪固定在筒體上，與筒體軸向長(zhǎng)度相比小得多，所以它對(duì)筒體的剛度影響可以忽略不計(jì)[6-7]。筒體有限元網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格劃分如圖3所示，筒體部分網(wǎng)格劃分細(xì)節(jié)如圖4所示。

回轉(zhuǎn)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(diǎn)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(qū)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(jì)算結(jié)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(duì)筒體壓力的荷載。荷載施加完成后，進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)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(jié)果分析

經(jīng)過(guò)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(fā)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(yīng)力，最大為32 MPa，發(fā)生在2擋。

6 結(jié)論

對(duì)利用連續(xù)梁模型得到的結(jié)果與ANSYS軟件分析得到的結(jié)果進(jìn)行比較，如表2所示。從筒體應(yīng)變?cè)茍D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(gè)，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(chǎn)生了集中應(yīng)力。人們可以改變1擋與2擋間的跨度來(lái)改善這種情況，進(jìn)而提高回轉(zhuǎn)窯筒體的整體性能。觀察應(yīng)力圖中4個(gè)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(gè)擋位，在以后的工程運(yùn)算中，要著重考慮這些部位的零件。本文運(yùn)用ANSYS仿真計(jì)算得出結(jié)果，并將其與用連續(xù)梁模型求解的結(jié)果進(jìn)行了比較。ANSYS分析考慮了荷載的分布寬度、軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力，可以更好地處理荷載對(duì)回轉(zhuǎn)窯筒體的支撐結(jié)構(gòu)影響，能夠得到精確的筒體變形圖和應(yīng)力圖，明確危險(xiǎn)截面。

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