大型回转窑筒体应力分析及校核

周金水，王 辰，陈 进

(1.上海宝钢化工有限公司，上海 200942)(2.华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 200237)

大型回转窑筒体应力分析及校核

周金水1，王 辰2，陈 进2

(1.上海宝钢化工有限公司，上海 200942)(2.华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 200237)

对某改造后的大型沥青焦回转窑设备进行了详细的受力分析，得到了大窑的剪力图和弯矩图，并在此基础上对大窑进行了强度和刚度校核。分析结果表明，改造后大窑满足强度和刚度要求，不需要对其结构进行调整。

回转窑；支反力；弯矩图；挠度

大型回转窑是典型的多支承、变刚度、复杂重载的超静定系统，一般筒体长、跨距大，要求大窑筒体必须具有足够的刚度和强度[1-2]。某企业由于生产需要，对某大型沥青焦回转窑设备进行了局部改造，但在实际运行中频繁出现窑衬破裂和“红窑”事故，因此为评估该改造后回转窑的强度和刚度是否满足要求，同时排查发生事故的原因，本文采用理论分析的方法对该大窑进行了详细的受力分析，绘制了相应的剪力图和弯矩图，在此基础上针对大窑筒体危险截面进行了强度和刚度校核。

1 回转窑超静定连续梁模型

大窑窑体总长50.95m，外半径在1.375m～1.415m之间(窑体壁厚分别为20mm、32mm和40mm)。窑体安装时采用倾斜安装，即窑体轴线与水平线之间的倾斜角度为2.977°(斜度为5.2%)。

窑体材料为Q345C，密度为7.85×103kg/m3，窑体(包括窑内件)质量为127 426kg，改造后窑衬质量为242 000kg，从保守角度物料设定为15 000kg，总质量为384 426kg。

为求得托轮对回转窑的支撑载荷和大窑不同位置处的弯矩等载荷，将大窑视为超静定连续梁，如图1所示。图1中：L1=7.80m，L2=19.00m，L3=17.00m，L4=7.15m，a=2.70m。作用于大窑筒体上的载荷主要分为两大类：一类是沿筒体轴线分布的分布载荷，另一类是载荷作用长度较短，可视为作用于某一截面的集中载荷。具体而言，将窑体、窑衬和物料质量假定为沿窑筒体均匀分布，即将窑筒体、窑衬和物料自重作为均布载荷。实际大窑安装时有5.2%的斜度，但从保守角度，不考虑安装斜度对窑筒体、窑衬和物料自重的削弱影响，则沿整个连续梁的等效均布载荷集度为：

图1 计算用超静定连续梁模型

在大窑的设计图纸中，齿圈是通过切向钢板与大窑筒体相连，由于齿圈自重的作用区域相对比较小，因此将其作为集中载荷处理，齿圈质量为5 273.72kg，集中载荷F为：

F=5 273.72×9.80=51.68(kN)

2 回转窑支撑载荷计算

对简化得到的超静定连续梁模型(如图1所示)，采用材料力学[3]中的变形协调方程求解支撑反力。将图1所示中间托轮支撑约束以约束反力R2代替，如图2所示。

图2 计算用力学模型

a.计算弯矩M1，M2在第二支座处产生的挠度。

(1)

L′=L2+L3

(2)

(3)

(4)

式中：E为材料弹性模量；I为截面惯性矩；Q1为由悬伸段均布载荷简化得到的集中力。

将式(2)、(3)、(4)带入式(1)中整理得：

(5)

b.依据材料力学计算图2中由分布载荷q单独作用时在第二支座处产生的挠度。

(6)

整理得：

(7)

c.分别计算集中力F和R2在第二支座处产生的挠度。

由集中力F在第二支座处产生的挠度为：

(8)

整理得：

(9)

由集中力R2在第二支座处产生的挠度为：

(10)

整理得：

(11)

支座R2处的实际挠度为零，由变形协调方程υ=0得：

υ=υ1+υ2+υ3+υ4=0

(12)

将各载荷在第二支座处产生的挠度表达式代入式(9)整理得：

R2=18.04q

由力和弯矩平衡方程分别可得到：

(13)

将计算得到的R2值18.04q代入式(13)并整理得：

R1=18.06q=1 335.27(kN)

R2=18.04q=1 333.70(kN)

R3=15.55q=1 149.50(kN)

3 回转窑剪力图和弯矩图

回转窑支反力求出后，可以方便地给出其剪力(Q)图和弯矩(M)图，分别如图3和图4所示。

图3 回转窑剪力图

图4 回转窑弯矩图

由图3和图4可知，支座1、支座2和支座3的剪力和弯矩均比较大，在支座1处大窑筒体承受的弯矩最大。在距窑尾17.36m处的大窑筒体承受的弯矩虽然比支座处的弯矩小，但是此处的筒体壁厚是20mm，比较薄，因此该处也属于危险截面。

4 回转窑强度和刚度评定

选取支座1处和距窑尾17.36m处的截面为危险截面，对回转窑进行考虑窑体、窑衬自重，同时按最大生产能力考虑物料自重工况下的强度评定和刚度评定。

4.1筒体应力计算及校核

根据标准HGT 20566-2011[4]，筒体轴向弯曲应力按式(14)计算。

(14)

式中：M为弯矩，kN·m；W为截面抗弯模量，m3；Di为筒体内径，m；δ为筒体壁厚，m；Kw为焊接接头系数，取0.95；KT为温度系数，从保守角度，取0.66(由于标准中并未给出Q345C材料的温度系数，因此保守地取Q235A在350℃时对应的温度系数作为计算用值)。

支座1处的筒体轴向弯曲应力为：

根据HGT 20566-2011的规定，Q235A的许用弯曲应力为19.6～24.5MPa，显然支座1处的筒体满足强度要求。由于支座2和支座3处的弯矩比支座1处的小，窑体壁厚相同，因此支座2和支座3处也满足强度要求。

距窑尾17.36m处的大窑筒体的轴向弯曲应力为：

小于Q235A的许用弯曲应力，满足强度要求。

4.2筒体变形计算及刚度校核

为方便计算，将跨中最大挠度近似等于跨间最大挠度。为获得跨中最大挠度，将载荷(包括支座处弯矩)分解为各种简单载荷分别计算跨中挠度，最后将所得值相加即为跨中最大挠度。

a.跨间最大挠度计算。

图5 计算跨中挠度的力学模型

由分布载荷q引起的跨中挠度：

(15)

由集中力F引起的跨中挠度：

(16)

由弯矩M1,M2引起的跨中挠度：

(17)

式中：q为分布力，kN/m；F为集中载荷，kN；M1和M2为弯矩，kN·m。由q,F和弯矩M1,M2引起的跨中挠度为：

υ=υq+υF+υM

(18)

将由式(15)、(16)、(17)计算得到的相应具体数据带入式(18)中，整理得υ=0.96(mm)。

b.跨间最大挠度刚度校核。

根据HGT 20566-2011的规定，跨间段挠度许用值为[ym]=0.3L=0.3×19=5.7(mm)。显然支座1和支座2之间的跨间最大挠度ymax小于许用值，即ymax<[ym]。

采用和上述a和b相同的方法，可以求得支座2和支座3之间的跨间最大挠度ymax=0.28(mm)，许用挠度[ym]=0.3L=0.3×17=5.1(mm)，显然ymax<[ym]。

c.悬伸段端部挠度ye计算。

根据HGT 20566-2011的规定，悬伸段端部挠度ye(如图6所示)的计算式为：

ye=Leθo-yo

(19)

式中：Le为悬伸段长度，mm；yo为悬伸段在载荷作用下的挠度，mm；θo为端支座转角，rad。

图6 端支座转角

(20)

其中：

(21)

(22)

(23)

(24)

其中：

(25)

(26)

d.悬伸段挠度刚度校核。

HGT 20566-2011标准规定，悬伸段挠度许用值分别为：

5 结束语

本文采用理论分析方法对改造后的大型回转窑设备进行了详细的应力分析和强度、刚度校核。结果表明：(1)在靠近回转窑窑尾的托轮对窑体的支撑反力R1是最大的，其次是支撑约束反力R2，靠近窑头的托轮对窑体的支撑反力R3是最小的。(2)回转窑托轮处支座1、支座2和支座3的剪力和弯矩均比较大，在支座1处大窑筒体承受的弯矩为最大。(3)对改造后回转窑进行的强度和刚度校核结果表明，改造后回转窑筒体满足强度要求，轴向挠度满足HGT 20566-2011要求。(4)局部改造后的该大型沥青焦回转窑设备在实际运行中频繁出现的窑衬破裂和“红窑”事故不是由窑体的强度和刚度不足引起的，需进一步研究引起窑衬破裂等事故发生的原因。

(通讯作者：王辰)

[1] 《回转窑》编写组．回转窑(设计、使用与维修) [M]．北京：冶金工业出版社，1978.

[2] 王和慧,程静,周金水.大型回转窑支承系统的力学行为分析[J]．机械强度，2012，34(1)：77-85.

[3] 刘鸿文.材料力学[M]．上海：高等教育出版社，1992.

[4] HGT 20566-2011 化工回转窑设计规定[S].

TheStressAnalysisandCheckingonLargeRotaryKilnShell

ZHOU Jinshui1, WANG Chen2, CHEN Jin2

(1.Shanghai Baosteel Chemical Co., LTD., Shanghai, 200942, China)(2.East China University of Science and Technology, Shanghai, 200237, China)

It analyzes the load of a large improved pitch coke rotary kiln equipment, obtains the shear diagram and bending moment diagram, and checks the strength and stiffness of this rotary kiln shell. The results show that the strength and stiffness of this improved kiln equipment meets the requirement and does not need to adjust its structure.

Rotary Kiln; Reaction Force; Bending Moment Diagram; Deflection

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.015

2014-05-13

宝钢集团科技攻关项目资助(G20041364)

周金水(1967—)，男，浙江衢州人，上海宝钢化工有限公司高级工程师，硕士，长期从事化工机械设备国产化、科研及技改工作。

TF355.1

A

2095-509X(2014)07-0065-04