煤氣化爐除灰敲擊裝置活塞桿有限元分析

沈宗沼 鄭國運(yùn) 姚黎明 蔡粵華 丁思云 李 鯤

(合肥通用機(jī)械研究院)

煤氣化爐除灰敲擊裝置活塞桿有限元分析

沈宗沼*鄭國運(yùn) 姚黎明 蔡粵華 丁思云 李 鯤

(合肥通用機(jī)械研究院)

采用有限元軟件ANSYS對氣化爐除灰敲擊裝置的關(guān)鍵部件——活塞桿進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算，分析了在沖擊載荷作用下其內(nèi)部應(yīng)力分布和變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：活塞桿應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在活塞桿前端定位卡圈槽和臺階圓角兩截面突變處附近，尤其是臺階圓角處的應(yīng)力在計(jì)算時(shí)間內(nèi)一直處于較大值；對于不同圓角半徑的活塞桿，臺階應(yīng)力集中處的最大Von Mises等效應(yīng)力隨著圓角半徑的增大而逐漸減小。

氣化爐 除灰敲擊裝置 活塞桿 有限元 臺階圓角

殼牌煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備由氣化爐、輸氣管和合成氣冷卻器組成，其中氣化爐是核心設(shè)備[1]。氣化爐在工作過程中，容易發(fā)生煤灰沉積現(xiàn)象，當(dāng)爐內(nèi)換熱表面出現(xiàn)積灰時(shí)，會嚴(yán)重影響其換熱效果，從而影響煤氣化效率。

除灰敲擊裝置作為氣化爐正常運(yùn)行過程中必不可少的設(shè)備，布置在氣化爐四周的各個(gè)角度，緊貼著換熱表面，按規(guī)律不斷敲擊，使壁面產(chǎn)生振動，從而起到振打除灰的作用，保證了換熱表面的換熱效率[2]。敲擊桿、活塞桿和錘體是除灰敲擊裝置的關(guān)鍵部件，在工作過程中，三者均承受沖擊載荷，容易產(chǎn)生應(yīng)力變形，雖然等效應(yīng)力低于材料的屈服極限和強(qiáng)度極限，但在沖擊載荷的不斷重復(fù)作用下，就會產(chǎn)生疲勞破壞和斷裂，尤其是活塞桿的主截面面積最小，且截面不連續(xù)處會出現(xiàn)應(yīng)力集中，往往最早發(fā)生破壞。事實(shí)證明也是如此，2012年某企業(yè)除灰敲擊裝置在工作過程中，活塞桿底端臺階截面變化處發(fā)生斷裂。針對上述問題，筆者以關(guān)鍵部件活塞桿為研究對象，利用有限元方法分析其在撞擊過程中的應(yīng)力分布和變化規(guī)律，以期增加活塞桿的使用壽命。

1 有限元分析理論

活塞桿受沖擊載荷作用屬于沖擊動力學(xué)范疇，在使用有限元法求解時(shí)，常見的算法有Euler法、ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)法和Lagrange法。其中Lagrange法用于處理固體之間沖擊動力學(xué)問題，是目前這一領(lǐng)域最成熟、最簡便和應(yīng)用最廣泛的有限元方法，用于結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，可以處理沖擊載荷過程中復(fù)雜邊界條件和材料本構(gòu)關(guān)系[3]。Lagrange法計(jì)算的是質(zhì)量恒定的單元運(yùn)動，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，整個(gè)運(yùn)動過程中必須保持質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒，其質(zhì)量守恒方程為：

ρ=Jρ0

(1)

式中J——體積變化率；

ρ——當(dāng)前質(zhì)量密度；

ρ0——初始質(zhì)量密度。

動量守恒方程為：

(2)

式中fi——單位質(zhì)量體積力；

σij·j——柯西應(yīng)力張量。

能量守恒方程為：

(3)

Sij=σij+(p+q)σij

(4)

p=σm-q

(5)

p——壓力；

q——體積粘性阻力；

Sij——偏應(yīng)力張量；

V——單元體積；

σm——平均正應(yīng)力。

對于三維體單元，采用有限元離散方法從上述平衡條件推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)的動力學(xué)方程，即：

(6)

式中C——結(jié)構(gòu)阻尼矩陣，忽略阻尼影響時(shí)，C=0；

F——外加載荷列陣；

K——結(jié)構(gòu)剛度矩陣；

M——總體質(zhì)量矩陣；

x(t)——總體節(jié)點(diǎn)位移；

2 活塞桿有限元計(jì)算

2.1材料性能參數(shù)

活塞桿在工作過程中的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，在計(jì)算過程中假設(shè)材料各向同性，密度均勻分布。活塞桿的材料是合金結(jié)構(gòu)鋼15CrMo，其性能參數(shù)如下：

楊氏彈性模量Ex210GPa

泊松比μ0.27

密度ρ7 850kg/m3

屈服強(qiáng)度σs295MPa

抗拉強(qiáng)度σb440MPa

2.2幾何模型的建立

根據(jù)活塞桿的幾何尺寸，在三維造型軟件Pro/E中，由點(diǎn)到線、由線到面、由面到體完成活塞桿的三維實(shí)體造型(圖1)，保存為igs文件并導(dǎo)入到ANSYS軟件中。活塞桿直徑為32mm，臺階最大外徑為50mm，臺階處圓角過渡。

2.3網(wǎng)格劃分和約束條件

網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響計(jì)算結(jié)果的正確性和精度。為了能正確反映活塞桿受沖擊過程中其內(nèi)部應(yīng)力的分布情況和應(yīng)力波的傳播情況，對其網(wǎng)格質(zhì)量要求比較高，尤其是在截面突變部位。筆者為了便于生成網(wǎng)格，采用自由網(wǎng)格劃分，生成Solid45四面體單元。綜合考慮求解精度和求解時(shí)間，對活塞桿截面突變和圓角部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化(圖2)。整個(gè)活塞桿共劃分26 034個(gè)節(jié)點(diǎn)，112 425個(gè)單元。

圖2 活塞桿整體網(wǎng)格

活塞桿在工作過程中，前端受敲擊桿沖擊力的作用，底端面和錘體緊緊貼在一起，沒有縫隙，保證了能量傳遞的連續(xù)性，因此可以把活塞桿的約束簡化為底端面的全約束。

2.4力的施加與求解

氣化爐除灰敲擊裝置在運(yùn)行過程中，氣缸中的氣體壓力推動敲擊桿撞擊活塞桿，活塞桿受到?jīng)_擊力作用，受力面為活塞桿前端面。假設(shè)沖擊發(fā)生時(shí)，沖擊部位充分接觸，因此活塞桿承受均布的面載荷，在ANSYS計(jì)算過程中以壓力形式施加。

由除灰敲擊裝置的技術(shù)資料可知，活塞桿所承受的最大沖擊力約為1 835N，從而計(jì)算出活塞桿前端面的最大壓力均布載荷為2.6MPa。為了簡化分析過程，活塞桿沖擊力采用三角形脈沖載荷，其連續(xù)作用周期為0.004s，在0.002s時(shí)載荷達(dá)到最大值。

由于活塞桿承受隨時(shí)間變化的載荷，因此選用ANSYS中瞬態(tài)分析類型的完全法來求解其沖擊響應(yīng)。沖擊載荷分多個(gè)載荷步進(jìn)行施加，求解時(shí)間設(shè)置為0.01s，時(shí)間積分步長設(shè)置為0.000 2s。所有參數(shù)設(shè)置完成后，讀入各載荷步進(jìn)行求解，輸出結(jié)果。

2.5計(jì)算結(jié)果分析

為了便于分析，利用ANSYS后處理器對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理，直觀地反映出活塞桿內(nèi)部不同時(shí)刻的應(yīng)力分布規(guī)律。不同時(shí)刻活塞桿的Von Mises等效應(yīng)力云圖如圖3所示，從圖3可以看出：應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在活塞桿前端定位卡圈槽和活塞桿臺階圓角兩截面突變處附近，尤其是臺階圓角處的應(yīng)力在計(jì)算時(shí)間內(nèi)一直處于較大值。

a. 0.002s時(shí)刻

b. 0.004s時(shí)刻

c. 0.010s時(shí)刻

圖4表示不同位置節(jié)點(diǎn)的x軸向應(yīng)力和位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，其中A節(jié)點(diǎn)位于臺階圓角處，E節(jié)點(diǎn)位于前端定位卡圈槽處，B節(jié)點(diǎn)位于底端面上，C節(jié)點(diǎn)位于活塞桿中間部位，D節(jié)點(diǎn)位于活塞桿前端。

a. 應(yīng)力

b. 位移

從圖4可以看出：在沖擊載荷作用時(shí)間內(nèi)，活塞桿內(nèi)部受壓應(yīng)力作用，沖擊載荷達(dá)到最大值時(shí)，內(nèi)部壓應(yīng)力也達(dá)到最大值，但其值低于材料的屈服極限；當(dāng)沖擊載荷作用結(jié)束后，應(yīng)力產(chǎn)生波動，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力交替作用，在臺階圓角處波動幅值較大，因此該處在沖擊載荷的反復(fù)作用下最容易產(chǎn)生疲勞破壞，這與活塞桿在實(shí)際工作過程中產(chǎn)生斷裂部位相符；塞桿受沖擊載荷作用時(shí)，內(nèi)部單元發(fā)生應(yīng)變，產(chǎn)生了沿x軸負(fù)方向的位移；位于活塞桿前端部位D節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)最早，位移值最大，隨著應(yīng)力波脈沖向底端傳播；C、B節(jié)點(diǎn)依次出現(xiàn)位移響應(yīng)；B節(jié)點(diǎn)位移值為0.0，說明計(jì)算結(jié)果很好地滿足了活塞桿底端面的位移邊界條件。

3 臺階圓角對活塞桿應(yīng)力值的影響

由以上分析可知，活塞桿臺階圓角處最容易發(fā)生疲勞破環(huán)和斷裂。為了研究活塞桿臺階處不同圓角半徑對其應(yīng)力集中的影響，并確定最佳的圓角半徑值，選擇圓角半徑為0～8mm的9種活塞桿在相同邊界條件下進(jìn)行數(shù)值模擬，得到臺階應(yīng)力集中處最大Von Mises等效應(yīng)力與圓角半徑的關(guān)系(圖5)。從圖5可以看出：活塞桿臺階處有圓角過渡時(shí)最大Von Mises等效應(yīng)力明顯減小，且臺階處的最大Von Mises等效應(yīng)力隨著圓角半徑的增大而逐漸減小；但當(dāng)圓角半徑增大到5mm以后，最大Von Mises等效應(yīng)力減小得非常緩慢，由此確定最佳圓角半徑為5～6mm。

圖5 臺階應(yīng)力集中處最大Von Mises等效應(yīng)力與圓角半徑的關(guān)系

4 結(jié)束語

利用有限元法對氣化爐除灰敲擊裝置的關(guān)鍵部件活塞桿進(jìn)行了三維數(shù)值分析，得出了其受沖擊載荷作用時(shí)內(nèi)部應(yīng)力分布和變化規(guī)律。通過分析發(fā)現(xiàn)，活塞桿應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在活塞桿前端定位卡圈槽和臺階圓角兩截面突變處附近，尤其是臺階圓角處的應(yīng)力在計(jì)算時(shí)間內(nèi)一直處于較大值，而且當(dāng)應(yīng)力產(chǎn)生波動時(shí)，臺階圓角處的波動幅值較大，因此該處最容易產(chǎn)生疲勞破壞，這與活塞桿在實(shí)際工作過程中產(chǎn)生斷裂部位相符，說明數(shù)值計(jì)算結(jié)果能很好地反映活塞桿的真實(shí)工作情況。此外，通過研究臺階處不同圓角半徑的活塞桿，發(fā)現(xiàn)臺階集中處處的最大Von Mises等效應(yīng)力隨圓角半徑的增大而逐漸減小，但當(dāng)圓角半徑增大到5mm后，臺階處的最大Von Mises應(yīng)力減小得非常緩慢，由此可以確定最佳圓角半徑值，為活塞桿的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

[1] 張明. 現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及展望[J]. 化工機(jī)械，2012，39(3)：257～265.

[2] 汪壽建. 殼牌煤氣化關(guān)鍵設(shè)備淺析[J]. 化工設(shè)計(jì)通訊，2003，29(3)：1～3.

[3] 王俊峰. 碰撞沖擊力的數(shù)值計(jì)算與測試方法研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，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，工程師。安徽省合肥市，230031。

TQ051.5

A

0254-6094(2015)01-0116-04

2014-09-25，

2014-10-23)