水泥回转窑滚圈－托轮有限元分析

王春兰

（中国矿业大学 机电学院；徐州市贾汪中等专业学校，江苏 徐州 221116）

水泥回转窑滚圈－托轮有限元分析

王春兰

（中国矿业大学 机电学院；徐州市贾汪中等专业学校，江苏 徐州 221116）

基于ANSYS平台对某公司回转窑滚圈－托轮进行了接触分析.结果表明：现有工况下滚圈最顶端变形最大，将引起筒体发生变形；距离托轮表层14.567mm处存在最大剪应力，是材料发生破坏的危险区域；接触线及其附近区域节点出现滑移，发生滑移的接触面将要发生破坏，在实际运行中要密切关注.

回转窑；滚圈；托轮；接触分析

回转窑是煅烧水泥熟料的设备，其支承系统是回转窑安全运行的关键部件，托轮支承着回转窑回转部分的全部重量，并在径向通过滚圈对筒体起定位作用，一旦滚圈和托轮发生破坏，整个生产过程将被迫中断，会给企业带来巨大的经济损失.而滚圈的破坏形式一般是由于早期接触疲劳亚表层开裂和滚圈内部缺陷产生疲劳裂纹，最后自内向外的扩展形成整体开裂，此外滚圈的变形将直接引起筒体变形，从而使回转窑整个支承系统发生故障，迫使企业停窑.因此，研究滚圈和托轮接触性能，分析接触应力，预测变形及破坏位置对于保障回转窑支承系统的安全运行，及企业的维护、维修提供一定的理论依据.方芳[1]运用有限元方法对10000t/d水泥回转窑温度场与热应力进行有限元分析；王和慧,谢可迪等[2]运用理论分析和有限元技术，研究复杂重载、多支承、变刚度和超静定的大型回转窑筒体结构的力学行为；王琳等[3]用ANSYS软件，以Ф5.6m×87m日产8000t熟料回转窑为例,进行了筒体各段节的应力分析,在此基础上提出了大型回转窑各筒体段节的优化设计方案；彭云华等[4]运用有限元技术对大型沥青焦回转窑设备的液压档轮进行应力分析与优化；沈意平等[5]分析了滚圈动载荷分布情况，采用有限元法对支承滚圈进行模态分析，得到支承滚圈的模态特性及其动态危险部位，为设备的动态健康维护奠定了基础.

1 ANSYS接触分析流程

ANSYS是一款集力、热、磁、电、模态等分析于一体的大型通用型分析软件，目前广泛应用于机械制造、航空航天、石油化工、能源等领域，取得了巨大的经济效益.ANSYS接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，半柔体─柔体的接触[6].刚体─柔体的接触可以认为是完全刚性的，没有应变、应力和变形,适用于一种软材料与一种硬材料接触的情形.半柔体─柔体适用于接触刚度相近的两接触变形体，是应用较为广泛的一种类型.在ANSYS中支持工业领域中三种接触方式：点─点，点─面，平面─面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题.在ANSYS软件中一般的接触分析流程如图1所示.

在分析过程中需要注意网格划分及接触单元创建两个关键点.网格划分的粗细关系的计算时间和计算精度.网格越细，精度越高，但计算时间较长；反之网格越粗，计算时间较短，但精度不高，因此必须注意时间与精度的协调性.本分析中在接触区域采用较细网格，其余部分采用粗网格划分.接触分析与一般分析最大的不同之处就是在加载求解之前必须创建接触单元.

2 滚圈与托轮有限元模型的建立及关键项设置

根据实际回转窑尺寸和工况，综合考虑计算效率，取对称模型的1/2进行建模.滚圈－托轮接触属于线接触分析，综合考虑材料、应力的非线性等因素选取SOLID95单元作为三维实体分析单元.SOLID95是一个高阶版本的三维实体单元，是六面体二十节点单元，每节点具有三个自由度.该单元具有塑性，热膨胀性，蠕变性，大强度，大变形等性能.适合滚圈和托轮的点一面接触分析，所以滚圈和托轮都用SOLID95建模.滚圈和托轮的接触属于面与面的接触，因此分析中接触单元选取TARGE170和CONTA174单元分别作为目标面和接触面单元，滚筒－托轮接触单元如图2所示.求解之前要施加重力加速度G为9.8m/s2，同时打开时间步长，打开牛顿拉普森选项.

图2 滚筒－托轮接触单元

3 结果分析及讨论

求解结束后采用通用后处理器POST1和时间历程处理器POST2，可以得到整个模型的等值效应力彩色云图，等值线图、接触云图等，非常直观地看出零件的受力、变形等.

图3 滚圈变形图

图3为载荷作用下滚圈的变形场分布云图，从图中可以明显看出滚圈上部变形即最顶端间隙明显增大，而最低端及与托轮支承区域变形极小，中部沿x方向由于受到顶部和底部的挤压作用，滚圈明显向右鼓起，产生一定的变形.产生这样变形的原因主要是由于滚筒自重、余弦载荷以及左右两托轮综合作用的结果.

图4 滚圈等效应力分布图

图4滚圈等效应力分布图，从图中可以看出在接触区域滚圈内部面应力最大，其次在滚圈1/4处应力较大，其余地方逐渐减小.这主要是由于在接触区域压力载荷和托轮支承反力综合作用的结果，也意味着这些区域是将来变形的位置所在，在设备运行过程中要密切关注.

图5 沿接触线路径上X,Y,Z方向上剪切应力曲线图

图5为沿接触线路径上X,Y,Z方向上剪切应力曲线图.从图中可以直观看出，剪切主应力随着沿路径深入的地方先增大后减小，而且在接触点处应力值为负值，说明该点处受到压应力.通过查看节点应力值可以看出最大剪应力出现在距离托轮表层14.567mm处，最大值为15.75Mpa，对于这个最大剪应力，它在内部产生的应力数值将超过上面所述的接触边缘处的拉应力，对表面下层含材料缺陷的地方极可能在此处产生滑移带裂纹，这是剥层磨损的裂纹源，在交变应力作用下将扩展成大致平行于接触表面的宏观裂纹以至剥层掉块.

图6 接触区滚圈应力分布（a）及接触区应力分布放大图（b）

图7 接触区托轮应力分布

图8 接触线路径上应力分布

图6接触区滚圈应力分布图，图7接触区托轮应力分布，图8接触线路径上应力分布.结合应力分布云图及接触线应力分布图可以看出，在接触区域滚圈应力最大值为69.28Mpa，这也是接触处的最大应力，同时查看节点可以明显看出这个最大应力出现距离边缘处7.8mm处，而托轮上最大应力值为80MPa.当滚圈和托轮表面存在局部焊补或非金属夹杂物时，在表面焊补处容易产生高温微裂纹，进而在受到幅值很大的交变应力作用时，很容易出现大面积剥落，造成滚圈和托轮的破坏.

图9 滚圈－托轮接触状态图（a）和滚圈－托轮接触面间隙距离图（b）

图9为滚圈－托轮接触状态图（a）和滚圈－托轮接触面间隙距离图（b）.云图条包含三种状态颜色，从左至右依次是远离状态、近接触状态和滑移状态.从图中可以直观看出接触线及其附近区域节点已经出现了滑移，也就是说发生滑移的接触面将要发生破坏.而其它区域基本上都是未接触或将要接触.而且从发生滑移的部分可以看出托轮和滚筒接触面的一部分首先进行压扁然后发生滑移，这与理论分析、现场实际和变形分析也是相一致的.图（b）为滚圈－托轮接触面间隙距离图，从图中可以明显看出接触线附近区域间隙距离为0，说明两者已经相互完全侵入，发生剧烈的摩擦、滑移，其它区域间隙距离逐渐增大直至远离.

4 结论

（1）基于ANSYS软件，建立了水泥回转窑滚圈－托轮的有限元模型，进行了接触性能分析.

（2）滚圈和筒体之间的上部间隙即最顶端间隙明显增大，而最低端及与托轮支承区域变形极小，中部沿x方向由于受到顶部和底部的挤压作用，滚圈明显向右鼓起，产生一定的变形.

（3）距离托轮表层14.567mm处，存在最大剪应力，一旦超过材料的许用应力，对表面下层含材料缺陷的地方极可能在此处产生滑移带裂纹，这是剥层磨损的裂纹源.

（4）接触状态图表明接触线及其附近区域节点已经出现了滑移，也就是说发生滑移的接触面将要发生破坏，设备实际运行中要注意防护.

〔1〕方芳.10000t/d回转窑温度场与热应力有限元分析研究 [J].武汉理工大学学报，2008,30(8):62－64.

〔2〕王和慧,谢可迪，陈一凡，等.大型回转窑筒体结构的力学行为分析 [J].机械强度，2010,32(4):606－616.

〔3〕王琳，王炳龙，陆大刚，梁军.大型回转窑筒体装置有限元分析研究[J].水泥工程，2010(2)：48－54.

〔4〕彭云华，郭卫辉，王和慧.大型回转窑液压档轮的有限元分析及其优化 [J].石油与化工设备，2010,13(10):25－28.

〔5〕沈意平，李学军，刘德顺.大型回转窑支承滚圈的有限元动力特性分析 [J].机械科学与技术，2007，26（9）：1155－1158.

〔6〕钱俊梅,江晓红,仲小冬，等.谈基于 ANSYS 软件的接触分析问题[J].煤矿机械，2006，27（7）：62－64.

TH112.3

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1673-260X（2011）11-0132-03