双回程烘干滚筒结构强度有限元分析

摘  要：双回程烘干滚筒在运行一定时间后，容易在进料端滚圈支撑板处出现开裂现象。通过分析物料在滚筒内的分布情况，并对滚筒运行工况进行合理简化，利用有限元分析软件ANSYS对滚筒进行静强度分析，并与实际情况进行对比，确定滚筒应力集中区域，研究滚圈支撑板开裂的原因。

关键词：干燥滚筒;滚圈;支撑板;静强度分析

中图分类号：TK173                文献标志码：A

0 前言

双回程烘干滚筒是干粉搅拌设备中的主要部件，用于对原料进行烘干冷却，以保证干粉砂浆产品的质量。烘干滚筒是否正常运转，并充分进行加热烘干作业，将直接影响整套干粉搅拌设备的正常生产，也是衡量整机性能的主要因素。干燥滚筒的结构如图1所示。

支撑板介于烘干滚筒筒体与滚圈之间，起支撑固定作用，并能有效缓冲筒体与滚圈之间的相互冲击，现有支撑板结构如图2所示。

目前滚圈支撑板的设计以借鉴或经验设计为主，并无理论依据支撑，产品的可靠性得不到保证。该文利用ANSYS分析滚筒整体应力分布情况，确定滚筒应力集中区域，为滚筒支撑板结构设计及改进提供理论依据。

1 滾筒实体模型

滚筒内各种叶片结构复杂，为减少计算量，将内、外筒体上的叶片全部简化掉，将进料端简化成一段直径与内筒一样的圆筒，利用SOLIDWORKS软件建立滚筒简化模型如图3所示。滚筒筒体材料为20 g，屈服强度σS=277 MPa;滚圈材料为35钢，屈服强度σS=380 MPa;滚筒支撑板的材料为Q235A，屈服强度σS=231 MPa，99.9%存活率下的疲劳极限σ-1=177 MPa。

2 滚筒边界条件

边界条件主要包括施加在模型上的约束及外载荷等。滚筒由4个托轮与滚圈接触支撑，因此滚筒的约束施加在滚圈与托轮接触的4条接触线上。作用在滚筒上的载荷主要有滚筒运行时的离心力，原料对滚筒的作用力以及滚筒自身所受的重力。

滚筒简化结构的质量转换成筒体的质量，计算得内筒的密度ρ1=13 500 kg/m3，进料端筒体密度ρ2=22 300 kg/m3，外筒密度ρ3=10 800 kg/m3，滚圈及其他结构密度ρ4=7 850 kg/m3，滚筒持料量约为4 300 kg。

3 滚筒有限元模型

有限元分析中，单元网格划分的好坏与计算结果的精确度及计算消耗的时间有很大关系，因此，划分单元网格是进行有限元分析求解中很重要的一步。该文采用Solid45六面体单元对滚筒进行网格划分，分网后共有个127 190节点和116 370个单元。

4 求解及结果分析

由于滚筒转速低，离心力可忽略不计，因此该文采用Static静态求解器求解。为模拟滚筒旋转一圈时的受力情况，采取间隔2.7°施加一次载荷及约束并写出载荷步文件，总共生成132个载荷步。求解时选择From LS Files方法，依次读入载荷步进行求解。

由于滚筒结构复杂，正常运行时滚筒处于复杂应力状态下，所以取当量应力（Von Mises Stress）作为计算应力进行研究。进入ANSYS通用后处理模块，对滚筒应力场进行分析。由图5应力云图可知，滚筒旋转过程中，应力集中于支撑板与滚筒焊接一端折弯处附近，A点的当量应力值最大，其值为σv=43 MPa，是滚筒可能发生失效的危险位置。与滚筒支撑板实际裂纹位置（如图6所示）基本吻合。

由图7应力矢量图可知，支撑板在滚筒旋转过程中，危险点A处的第二主应力σ2比较小，可认为支撑板始终处于拉伸、压缩交替变换的应力中。由材料疲劳失效的定义：材料在循环载荷作用下，局部高应力部位损伤逐渐积累，经一定循环次数后形成裂纹或裂纹在循环载荷作用下不断扩展，导致发生完全断裂的失效形式，可知支撑板有发生疲劳失效的危险，当支撑板的等效对称循环应力幅大于修正后的材料疲劳极限时必将发生疲劳失效。

5 结论

滚筒在正常运行情况下，应力集中于支撑板与滚筒焊接一端折弯处，与实际滚圈破坏位置一致。但是滚筒运行时的应力水平较低，支撑板应力集中区的等效对称循环应力幅小于修正后的材料疲劳极限，滚筒正常工况下不会发生疲劳失效。由于滚筒的失效均发生在滚筒长期不正常运行，出现径向跳动，整个滚筒振动比较大的情况下，因此可推断引起滚筒失效的主要原因是滚筒振动产生较大的冲击载荷，从而造成滚筒振动疲劳失效。

参考文献

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