浅析大型回转窑液压挡轮的有限元及其优化

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1、学兔兔www.xuetutu.com第10期一25．大型回转窑液压挡轮的有限元分析及其优化彭云华，郭卫辉，王和慧(1．宝钢化工有限公司，上海2oO942)(2．装备指挥技术学院，北京102249)(3．华东理工大学机械与动力工程学院，上海200237)[摘要]本文运用有限元技术对大型沥青焦回转窑设备的液压挡轮进行应力分析与优化。分析了挡轮的载荷与约束状态，利用A~ISYS软件建立挡轮的有限元模型，计算出当量应力分布结果，得出挡轮在减重孔附近及轮轴与轮辐相交处是危险区域。对挡轮在不同设计参数及受力情况下的计算结果进行了比较，结论为减重孔直径扩大

2、至原设计尺寸的1．5倍时为最优。[关键词]回转窑；挡轮；有限元分析；ANSYS；强度失效分析回转窑是煅烧工艺的主要设备之一，广泛应用于冶金、化工等工业。回转窑属于超大型简体设备，通常采用倾斜支撑结构安装，其斜度一般为3．5％～6％，工作时通常以0．5～1．5r／min的速度缓慢旋转。为了阻止回转窑简体由于倾斜而产生的下滑，同时避免支撑筒体的托轮和轮带工作表面由于宽度不等而发生磨损不均匀现象，通常在简体正下方设置一个液压挡轮，对简体施加轴向推力，除了承担筒体的下滑力，还能使筒体产生幅度很小且速度缓慢的轴向往复运动。图1(a，b)所示为某钢铁企业

3、大型沥青焦回转窑及其使用的液压挡轮装置实物图。图1(a)回转窑整体实物图由于挡轮要推动回转窑筒体作轴向运动，受载状况十分恶劣，故成为整个回转窑系统中的易损件，这是目前国内外常规回转窑支承系统存在的突出问题，严重影响了回转窑的工作效率】。通过查阅近年来涉及液压挡轮的文献，可以看到，大多数是讨论液压系统及其回路的设计和调整的，如文献[1,2J等。而在挡轮的机械故障方面，常见的有：轮辐孔与轮轴之间配合过盈量偏小，造成滚键、轮辐窜出等故障现象；挡轮安装不当、表面接触不良，产生向上或向下的摩擦力，造成挡轮上窜或下沉；基础底板螺栓偏小，造成螺栓脱落[3】

4、；轮带与垫板间隙过大，加速了轮带与挡轮的表面磨损[4等。本文利用ANSYS软件，对挡轮图1(b)回转窑的液压挡轮装置建立有限元模型进行应力强度分析，并对挡轮在推动沿回转窑简体轴向运动。简体运转时轮带通结构设计提出了改进方案。过摩擦带动挡轮转动，挡轮轮辐通过轮带对简体l载荷与约束状态分析传递推力；二者接触面有Q=12．9425。的倾斜，挡轮的几何结构及受力情况如图2所示，在轮在润滑足够时，带动挡轮转动的摩擦力相对于推辐处分布有四个减重孔，以减小整体重量并使操作者简介：彭云华(1973一)，男，江苏人，本科学历，工程作方便。轮轴下端位于液压缸内，

5、受液压缸活塞师，从事化工机械设备研究。学兔兔www.xuetutu.com26一■技术交流20石油与化工设备一10年第13卷力非常小，可忽略不计，故推力垂直于接触面。节点曲边六面体等参数单元。在对几何模型划分挡轮轮辐侧面受到的反推力F可分解为水平分量F网格时，要注意对减重孔边及轮辐与轮轴相交处和竖直分量Fv。其中水平分量F与液压缸活塞的等应力梯度较大区域，在初次划分网格的基础上水平推力相平衡。活塞内径为’265mm，液压缸再进行局部网格细化，以提高这些地方的计算精中油压显示为6MPa，故推力水平分量F约为3．309度。如图3b所示。×10N，

6、于是总推力FF／cosQ=3．396×10N。尽管挡轮工作时在不停地旋转，侧面上各点轮番受到载荷，但转速很慢(窑体转速0．5～1．5r／min，而与挡轮接触的轮带直径约为挡轮直径的4倍，故挡轮转速为2~6r／min)。按转速6r／min，半径0．4m计算，向心加速度为3．9×10。2m／s，比重力加速度小了2个数量级，离心力可忽略不计。故可简化为静力学问题，仅考虑某一个瞬时挡轮的受力情况。从挡轮几何结构看，轮辐外缘厚，中部薄，将造成应力分布不均。轮辐上减重孔附近会有较严重的应力集中。此外，轮辐与轮轴相交处存在几何不连续，也很可能产生一定的应力

7、集中。以图3(a)用Pro／Engineer软件建立几何模型上两处应成为有限元建模时需要格外关注的“关键区域”，保证这里的几何形状、约束、受载荷情况与真实情况尽量接近，至于其它应力变化较缓区域，则可采取适当的简化。挡轮所受载荷主要是轮辐侧面与轮带接触处受到的来自轮带的压力。根据弹性力学的赫兹接图2挡轮几何结构及受力简图触理论，接触面应为矩形，其宽度的一半按下式2挡轮应力强度有限元模拟计算：2．1ANSYS建模挡轮材料为Q235A锻件，环境温度约100~C。弹性模量2．09×105MPa，泊松比0．291。考虑到挡轮几何形状较为复杂，故使用几何

8、建模功能强大的Pro／Engineer软件建立几何模型，如图3a所示，式中，F为轮带对挡轮的正压力，前文已算再导入ANSYS中。这里将轮轴简化成等直径的圆出。b为接