高炉渣高温滚粒机工作转盘的结构优化分析

2014-11-06张振江张振伟

冶金设备 2014年3期

张振江张振伟

(1:沈阳三洋电梯有限公司辽宁沈阳 110122;

2:东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳 110004)

1 引言

高温滚粒机(见图1)是干法粒化高炉渣的一种设备，可以有效回收渣粒显热，节约大量新水，不污染环境，而且结构简单，效率高。高温滚粒机关键部件是转轴顶端带一转盘的竖直转子，高温熔渣掉落在转盘上被甩出去成球，达到粒化目的。工作转盘承受离心惯性力和热应力，使用ANSYS对转盘进行优化分析，确定最佳的结构设计。

2 有限元模型

高温滚粒机转盘由两种材料组成，耐火内衬和钢制外壳，工作时受到离心力和热应力作用，针对钢制外壳强度不足的问题，以转盘总重量为目标函数，以截面若干关键点的坐标为设计变量，把钢制外壳的最高温度和最大应力作为状态变量，进行优化分析。工作转盘的1/8实体模型如图2，转盘截面尺寸如图3。

图1 高温滚粒机结构图

图2 转盘的1/8实体模型

图3 工作转盘截面线框图

表1给出图3中相关点的坐标，用参数表示(其中 K101，K102，K103，K6，K7，K8，K9，K201，K202，K203分别对应图3及图5中的101，102，103，6，7，8，9，201，202，203)，在使用ANSYS进行优化前，这些变量都被指定了初始值和取值范围。目标函数是转盘的总质量，设计变量如表1所示，还有两个状态变量，要满足一定的约束，即钢制外壳上最大的温度和最大的应力。

表1 包含设计变量的关键点坐标

3 优化分析结果

优化结果显示，ANSYS共给出了14组解，其中图4中所示的第14组是最佳的，也是可行解，即最优解，各参数值如表中所示，其中钢制外壳的最高温度低于400℃(666.40K)，转盘危险部位最大Von Mises应力为409.7MPa，小于许用值，并得出A、B、C、D、E、AF和RATIO各设计变量的值(其中A、B、C、D、E、AF、RATIO分别对应表1中的a、b、c、d、e=c+d、af、ratio)，取这些值时，转盘的质量最小，为106.09kg。工作转盘的应力云图如图6所示，最大应力还是发生在转盘钢制外壳侧壁上沿处。优化结果显示，侧壁耐火内衬材料减薄了，侧壁外面加强筋向上延长到接近顶部，优化后的截面尺寸如图5所示。

图4 优化变量最优解

图5 转盘优化后的截面尺寸

图6 高温滚粒机转盘优化后的应力分布

表2 优化变量在优化分析前后的取值对比

表2所示是优化前后优化变量的值，与原设计尺寸相比，参数A略有增加，表明转盘底部耐火内衬厚度增加，但不是很明显;优化后参数B有明显减少，约减少27mm，这表明转盘侧壁上耐火内衬的厚度有明显减少;参数C减少了约10mm，参数D增加了约10mm，而其和(参数E)变化不是很明显，由优化模型的建立过程知道，参数C决定着关键点K202的纵坐标，参数C和D决定着关键点K203的纵坐标，也就是决定着侧壁部分加强筋的具体尺寸;参数AF增加了约2.6度，这也是和侧壁上加强筋相关的一个参数;参数RATIO增加了，由原来的0.8增加到0.947，这个参数决定着关键点K201在线“6-7”上的位置(图3)，总之，参数C、D、E、AF和RATIO都是和加强筋的尺寸有关的参数，优化的结果如图4，一个明显的变化是加强筋沿侧壁向上延伸，保证了转盘钢制外壳的强度;参数TMAX是状态变量，变化不明显，钢制外壳最高温度在400℃(666.4K)以下;参数SMAX是一个重要状态变量，通过优化了解如何选择设计变量来满足强度要求，优化后应力最大约为409MPa，位置如图5所示。参数MTOT是目标函数，在满足转盘强度和耐热要求的同时，使转盘的重量最轻，用料最省，转盘质量从优化前的116kg降到约106kg。