煤气化炉除灰敲击装置活塞杆有限元分析

沈宗沼 郑国运 姚黎明 蔡粤华 丁思云 李 鲲

(合肥通用机械研究院)

煤气化炉除灰敲击装置活塞杆有限元分析

沈宗沼*郑国运 姚黎明 蔡粤华 丁思云 李 鲲

(合肥通用机械研究院)

采用有限元软件ANSYS对气化炉除灰敲击装置的关键部件——活塞杆进行了三维数值计算，分析了在冲击载荷作用下其内部应力分布和变化规律。计算结果表明：活塞杆应力集中部位出现在活塞杆前端定位卡圈槽和台阶圆角两截面突变处附近，尤其是台阶圆角处的应力在计算时间内一直处于较大值；对于不同圆角半径的活塞杆，台阶应力集中处的最大Von Mises等效应力随着圆角半径的增大而逐渐减小。

气化炉 除灰敲击装置 活塞杆 有限元 台阶圆角

壳牌煤气化技术的关键设备由气化炉、输气管和合成气冷却器组成，其中气化炉是核心设备[1]。气化炉在工作过程中，容易发生煤灰沉积现象，当炉内换热表面出现积灰时，会严重影响其换热效果，从而影响煤气化效率。

除灰敲击装置作为气化炉正常运行过程中必不可少的设备，布置在气化炉四周的各个角度，紧贴着换热表面，按规律不断敲击，使壁面产生振动，从而起到振打除灰的作用，保证了换热表面的换热效率[2]。敲击杆、活塞杆和锤体是除灰敲击装置的关键部件，在工作过程中，三者均承受冲击载荷，容易产生应力变形，虽然等效应力低于材料的屈服极限和强度极限，但在冲击载荷的不断重复作用下，就会产生疲劳破坏和断裂，尤其是活塞杆的主截面面积最小，且截面不连续处会出现应力集中，往往最早发生破坏。事实证明也是如此，2012年某企业除灰敲击装置在工作过程中，活塞杆底端台阶截面变化处发生断裂。针对上述问题，笔者以关键部件活塞杆为研究对象，利用有限元方法分析其在撞击过程中的应力分布和变化规律，以期增加活塞杆的使用寿命。

1 有限元分析理论

活塞杆受冲击载荷作用属于冲击动力学范畴，在使用有限元法求解时，常见的算法有Euler法、ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)法和Lagrange法。其中Lagrange法用于处理固体之间冲击动力学问题，是目前这一领域最成熟、最简便和应用最广泛的有限元方法，用于结构的力学分析，可以处理冲击载荷过程中复杂边界条件和材料本构关系[3]。Lagrange法计算的是质量恒定的单元运动，根据连续介质力学理论，整个运动过程中必须保持质量守恒、动量守恒和能量守恒，其质量守恒方程为：

ρ=Jρ0

(1)

式中J——体积变化率；

ρ——当前质量密度；

ρ0——初始质量密度。

动量守恒方程为：

(2)

式中fi——单位质量体积力；

σij·j——柯西应力张量。

能量守恒方程为：

(3)

Sij=σij+(p+q)σij

(4)

p=σm-q

(5)

p——压力；

q——体积粘性阻力；

Sij——偏应力张量；

V——单元体积；

σm——平均正应力。

对于三维体单元，采用有限元离散方法从上述平衡条件推导出结构的动力学方程，即：

(6)

式中C——结构阻尼矩阵，忽略阻尼影响时，C=0；

F——外加载荷列阵；

K——结构刚度矩阵；

M——总体质量矩阵；

x(t)——总体节点位移；

2 活塞杆有限元计算

2.1材料性能参数

活塞杆在工作过程中的受力状态比较复杂，在计算过程中假设材料各向同性，密度均匀分布。活塞杆的材料是合金结构钢15CrMo，其性能参数如下：

杨氏弹性模量Ex210GPa

泊松比μ0.27

密度ρ7 850kg/m3

屈服强度σs295MPa

抗拉强度σb440MPa

2.2几何模型的建立

根据活塞杆的几何尺寸，在三维造型软件Pro/E中，由点到线、由线到面、由面到体完成活塞杆的三维实体造型(图1)，保存为igs文件并导入到ANSYS软件中。活塞杆直径为32mm，台阶最大外径为50mm，台阶处圆角过渡。

2.3网格划分和约束条件

网格划分质量直接影响计算结果的正确性和精度。为了能正确反映活塞杆受冲击过程中其内部应力的分布情况和应力波的传播情况，对其网格质量要求比较高，尤其是在截面突变部位。笔者为了便于生成网格，采用自由网格划分，生成Solid45四面体单元。综合考虑求解精度和求解时间，对活塞杆截面突变和圆角部位进行网格细化(图2)。整个活塞杆共划分26 034个节点，112 425个单元。

图2 活塞杆整体网格

活塞杆在工作过程中，前端受敲击杆冲击力的作用，底端面和锤体紧紧贴在一起，没有缝隙，保证了能量传递的连续性，因此可以把活塞杆的约束简化为底端面的全约束。

2.4力的施加与求解

气化炉除灰敲击装置在运行过程中，气缸中的气体压力推动敲击杆撞击活塞杆，活塞杆受到冲击力作用，受力面为活塞杆前端面。假设冲击发生时，冲击部位充分接触，因此活塞杆承受均布的面载荷，在ANSYS计算过程中以压力形式施加。

由除灰敲击装置的技术资料可知，活塞杆所承受的最大冲击力约为1 835N，从而计算出活塞杆前端面的最大压力均布载荷为2.6MPa。为了简化分析过程，活塞杆冲击力采用三角形脉冲载荷，其连续作用周期为0.004s，在0.002s时载荷达到最大值。

由于活塞杆承受随时间变化的载荷，因此选用ANSYS中瞬态分析类型的完全法来求解其冲击响应。冲击载荷分多个载荷步进行施加，求解时间设置为0.01s，时间积分步长设置为0.000 2s。所有参数设置完成后，读入各载荷步进行求解，输出结果。

2.5计算结果分析

为了便于分析，利用ANSYS后处理器对计算结果进行可视化处理，直观地反映出活塞杆内部不同时刻的应力分布规律。不同时刻活塞杆的Von Mises等效应力云图如图3所示，从图3可以看出：应力集中部位出现在活塞杆前端定位卡圈槽和活塞杆台阶圆角两截面突变处附近，尤其是台阶圆角处的应力在计算时间内一直处于较大值。

a. 0.002s时刻

b. 0.004s时刻

c. 0.010s时刻

图4表示不同位置节点的x轴向应力和位移随时间的变化规律，其中A节点位于台阶圆角处，E节点位于前端定位卡圈槽处，B节点位于底端面上，C节点位于活塞杆中间部位，D节点位于活塞杆前端。

a. 应力

b. 位移

从图4可以看出：在冲击载荷作用时间内，活塞杆内部受压应力作用，冲击载荷达到最大值时，内部压应力也达到最大值，但其值低于材料的屈服极限；当冲击载荷作用结束后，应力产生波动，拉应力和压应力交替作用，在台阶圆角处波动幅值较大，因此该处在冲击载荷的反复作用下最容易产生疲劳破坏，这与活塞杆在实际工作过程中产生断裂部位相符；塞杆受冲击载荷作用时，内部单元发生应变，产生了沿x轴负方向的位移；位于活塞杆前端部位D节点位移响应最早，位移值最大，随着应力波脉冲向底端传播；C、B节点依次出现位移响应；B节点位移值为0.0，说明计算结果很好地满足了活塞杆底端面的位移边界条件。

3 台阶圆角对活塞杆应力值的影响

由以上分析可知，活塞杆台阶圆角处最容易发生疲劳破环和断裂。为了研究活塞杆台阶处不同圆角半径对其应力集中的影响，并确定最佳的圆角半径值，选择圆角半径为0～8mm的9种活塞杆在相同边界条件下进行数值模拟，得到台阶应力集中处最大Von Mises等效应力与圆角半径的关系(图5)。从图5可以看出：活塞杆台阶处有圆角过渡时最大Von Mises等效应力明显减小，且台阶处的最大Von Mises等效应力随着圆角半径的增大而逐渐减小；但当圆角半径增大到5mm以后，最大Von Mises等效应力减小得非常缓慢，由此确定最佳圆角半径为5～6mm。

图5 台阶应力集中处最大Von Mises等效应力与圆角半径的关系

4 结束语

利用有限元法对气化炉除灰敲击装置的关键部件活塞杆进行了三维数值分析，得出了其受冲击载荷作用时内部应力分布和变化规律。通过分析发现，活塞杆应力集中部位出现在活塞杆前端定位卡圈槽和台阶圆角两截面突变处附近，尤其是台阶圆角处的应力在计算时间内一直处于较大值，而且当应力产生波动时，台阶圆角处的波动幅值较大，因此该处最容易产生疲劳破坏，这与活塞杆在实际工作过程中产生断裂部位相符，说明数值计算结果能很好地反映活塞杆的真实工作情况。此外，通过研究台阶处不同圆角半径的活塞杆，发现台阶集中处处的最大Von Mises等效应力随圆角半径的增大而逐渐减小，但当圆角半径增大到5mm后，台阶处的最大Von Mises应力减小得非常缓慢，由此可以确定最佳圆角半径值，为活塞杆的合理设计提供理论依据。

[1] 张明. 现代煤化工产业的现状及展望[J]. 化工机械，2012，39(3)：257～265.

[2] 汪寿建. 壳牌煤气化关键设备浅析[J]. 化工设计通讯，2003，29(3)：1～3.

[3] 王俊峰. 碰撞冲击力的数值计算与测试方法研究[D]. 上海：上海交通大学，2007.

StressFiniteElementAnalysisofPistonRodforGasifierRappingDevice

SHEN Zong-zhao, ZHENG Guo-yun, YAO Li-ming,CAI Yue-hua, DING Si-yun, LI Kun

(HefeiGeneralMachineryResearchInstitute,Hefei230031,China)

The 3D model established with ANSYS software was used to calculate the piston rod of gasifier’s rapping device; and its internal stress distribution and rule of change under the impact load were analyzed. The calculation results show that the stress concentrates at the cross section’s mutation site of the piston rod, especially in the bottom step fillet where the stress amplitude becomes big obviously; for the piston rods with different fillet radius, the maximum Von Mises equivalent stress in the fillet decreases gradually with increase of the fillet radius.

gasifier, rapping device, piston rod, finite element method, fillet

*沈宗沼，男，1982年11月生，工程师。安徽省合肥市，230031。

TQ051.5

A

0254-6094(2015)01-0116-04

2014-09-25，

2014-10-23)