大型回轉窯筒體強度分析

田國富，唐媛媛，周學飛，張西棟，高 峰

(1.沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽110870；2.北方重工集團有限公司礦山機械分公司，遼寧 沈陽110141)

大型回轉窯筒體強度分析

田國富1，唐媛媛1，周學飛2，張西棟1，高 峰1

(1.沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽110870；2.北方重工集團有限公司礦山機械分公司，遼寧 沈陽110141)

回轉窯是一種大型的冶金設備。為了保證回轉窯筒體的強度，依據梁理論和有限元的方法，對不同溫度和不同壁厚下的回轉窯筒體強度進行了分析，得到了不同工況下的筒體的應力、應變和撓度。結果表明，在不同條件下，筒體強度均在安全域度之內。對回轉窯筒體強度的分析驗證了梁理論和有限元方法在類似力學模型求解中的有效性，為整機和筒體設計優化奠定了理論基礎。

回轉窯；梁理論；應力分析

0 前言

回轉窯在冶金、化工、水泥和環保行業被廣泛應用，如圖1所示，回轉窯主要是由筒體、輪帶、齒圈、托輪等組成[1]，其中筒體是回轉窯的核心部件。回轉窯的筒體是由厚度不同的鋼板焊接而成，筒體直徑一般4～5 m，長度50～100 m，因為長度較長，所以一般有著4～9檔的支撐[2]。回轉窯工作時，筒體內部溫度較高，為了避免筒體表面溫度過高，在筒體內部砌有耐火磚。筒體、耐火磚和物料的總重量可達千噸，托輪和筒體承受著較大的壓力。回轉窯具有大口徑、大跨距、復雜載重和內部高溫的特點，要求筒體有足夠的剛度。回轉窯筒體是由厚度為20～90 mm的鋼板卷制而成。如果筒體的壁厚整體減少1 mm，大概可以節約5～7 t的鋼材。減少壁厚是降低成本，節約鋼材最有效的方法。因此本文主要校核了原壁厚、壁厚減2 mm和壁厚減4 mm情況下筒體的強度，又因為筒體表面有一定的溫度，此溫度不能忽略，同樣對不同溫度下的筒體強度進行了校核。以現有的筒體厚度為28 mm(最薄處)的回轉窯為例，在此基礎上進行不同壁厚和不同溫度下的筒體強度的校核實驗。

圖1 回轉窯實物圖Fig.1 Rotary kiln

1 采用梁理論對筒體的受力進行分析

采用梁理論[3]對回轉窯進行分析時，假設筒體是水平的連續梁，不考慮筒體的傾斜，不計物料重心對窯體軸線的影響，對所有的重力按均布載荷加載到簡支梁上(包括筒體、耐火磚和物料)，將齒輪等效為集中載荷作用在筒體上。

1.1 梁理論下的筒體應力分析

1.1.1 簡化模型求各檔彎矩

已知回轉窯筒體重650 t，耐火磚重888 t，物料重222 t，齒圈重20 t。筒體材料為Q235，輪帶材料ZG35CrMo。簡化筒體模型為圖2所示簡支梁。圖中l1=4 m，l2=22.9 m，l3=25.8 m，l4=26.8 m，l5=11.9 m，δ1=45 mm，δ2=30 mm，δ3=30 mm，δ4=28 mm，δ5=28 mm ，L1=5 m，L2=25 m，L3=28 m，L4=29 m，L5=13 m，a=4 m。

圖2 回轉窯連續梁模型Fig.2 Continuous beam model of rotary kiln

支撐處的距離分別為2.2 m、2 m、2 m、2 m，厚度為75 mm。由于支撐處占的比例較小，所以圖2中未做標注。

窯頭集中力：P=qL1=0.88 MN·m

(1)

(2)

窯尾集中力：P=qL5=2.288 MN

(3)

(4)

采用三彎矩法計算各檔彎矩[4]。

2檔方程式：

(5)

3檔方程式：

(6)

解得M2=-12.2746 MN·m，M3=-11.4007 MN·m

利用三彎矩法解出彎矩后，利用各檔彎矩圖(圖3到圖5)和所得的彎矩計算支座反力。

圖3 1-2跨支撐簡圖Fig.3 1-2 support of cross

(7)

(8)

圖4 2-3跨支撐簡圖Fig.4 2-3 support of cross

(9)

(10)

圖5 3-4跨支撐簡圖Fig.5 3-4 support of cross

(11)

(12)

各檔支座反力：R1=3.184 MN；R2=4.6198 MN；R3=5.0365 MN；R4=4.9597 MN。

根據所求的支座反力，可以求出各跨間的最大彎矩點：x1=13.09 m；x2=14.34 m;x3=13.82 m。

分別求出各跨中間的最大彎矩，即

(17)

(18)

(19)

1.1.2 筒體應力的計算

筒體的應力計算公式為

(20)

滾圈中心線處KS=1；其他部位KS=0.9。KT與筒體溫度有關，筒體溫度為250 ℃，KT=0.83[5]

W與厚度δ有關，即

(21)

筒體的厚度只有在筒體應力計算的公式中有體現，只要重新計算W，在帶入筒體應力公式，就可計算出不同壁厚的應力大小。代入不同的W，得到的表1。

表1 不同厚度下的筒體應力大小/MPa

1.2 筒體撓度分析

采用梁理論校核筒體強度時，不僅要考慮筒體的應力，而且要分析筒體的變形。梁理論分析筒體的變形，主要是分析筒體的撓度。筒體表面有一定的溫度，則取E=1.88×1011Pa(筒體表面溫度300 ℃)。撓度與慣性矩有關，不同壁厚下的慣性矩不同(a為內外徑的比)。

(22)

不同壁厚下的撓度計算公式一樣，只有慣性矩大小會改變，以壁厚28 mm的筒體不同段的撓度為例。

在L1段：

I1=1.77 m4

(23)

撓度：

(24)

L2和L3段筒體壁厚相同，但L3段長度較長，且有齒輪的作用，L3段撓度大于L2段的撓度，所以只對L3段做計算。

I3=1.17 m4

(25)

(26)

(27)

y2=y31+y32=6.4369×10-3m

(28)

L4段和L5段的分別為

I4=1.09 m4

(29)

(30)

I5=1.09 m4

(31)

(32)

計算不同壁厚下的撓度，列出表2。

表2 不同壁厚下的回轉窯筒體撓度

2 采用有限元方法進行分析

2.1 模型的建立

采用梁理論是通過將筒體簡化成簡支梁的力學模型再計算，忽略了筒體的直徑，由于筒體的長度遠大于直徑，采用梁理論計算是合理的。但采用梁理論計算是也存在一定不足，采用梁理論計算時，載荷視作均布載荷，而實際筒體載荷的部分在筒體的下半部[6]。采用有限元方法更能反應出載荷的實際加載情況，因此本文也采用有限元方法對筒體做進一步分析，以彌補梁理論在計算時的不足之處。

按照項目方提供的圖紙，建立不同厚度的有限元模型，輪帶與筒體間通過墊板連接，筒體內部建筋板，保證筒體的剛度和強度，支撐處采用V型塊模擬托輪，如圖6所示。因為只考慮壁厚對應力的影響，所以部分零件做簡化處理。

圖6 回轉窯輪帶模型Fig.6 The rotary kiln tie model

2.2 加載求解

圖7是將零件導入Ansys Workbench ，定義材料屬性，彈性模量取E=1.88×1011Pa。進行網格劃分，網格單元尺寸是200 mm。

圖7 回轉窯有限元模型圖Fig.7 Finite element model of rotary kiln

由于不考慮筒體的傾斜和轉動，加載時只需限制V型塊的Y方向位移，筒體重力和耐火磚的總重量作用到筒體表面，物料重量作用在筒體下表面，如圖8所示。

圖8 回轉窯筒體受力分析圖Fig.8 Stress analysis of rotary kiln cylinder

加載求解，得到了不同壁厚下的應力和應變云圖，如圖9和圖10是筒體壁厚28 mm的應力應變圖。改變筒體的壁厚，再重新加載，得到不同壁厚的應力和應變的最大值。

圖9 筒體壁厚28 mm應力云圖Fig.9 Stress cloud of 28 mm thickness cylinder

圖10 筒體壁厚28 mm應變云圖Fig.10 Strain cloud of 28 mm thickness cylinder

3 不同溫度下數據對比分析

回轉窯的內部進行著氧化還原反應，內部溫度可達1 450 ℃，即使窯體內部砌有耐火磚，但表面也可達250 ℃左右。在高溫下不僅筒體的彈性模量等參數發生變化，材料的許用應力應變的值也發生變化，所以有必要進行不同溫度下的分析。改變梁理論和有限元分析時有關溫度的參數，再進行分析，得到不同溫度下應力、應變和撓度的值，見表3～5，分別是筒體溫度100 ℃、250 ℃和300 ℃下各結果的值。材料的許用應力隨溫度的升高而降低，如表6是不同溫度下彈性模量和許用應力的值。將結果與不同溫度下材料的許用應力的值進行比較，發現結果均滿足要求。

表3 100 ℃筒體分析結果

表4 250 ℃筒體分析結果

表5 300 ℃筒體分析結果

表6 不同溫度下的彈性模量和許用應力表

4 結論

本文采用梁理論和有限元兩種方法，分別對不同壁厚的回轉窯筒體的強度進行了分析，將得到的應力應變值與許用值進行比較，均滿足要求。在具體工況下筒體表面存在250 ℃到350 ℃溫度變化，因此本文對100 ℃、250 ℃和300 ℃下的不同壁厚的應力應變進行了分析，分析結果滿足強度要求。筒體強度按照兩種方法的分析結果表明均滿足要求，為后續筒體整體優化提供了理論基礎。

[1] 陳明非. 大型回轉窯支撐部位應力與應變有限元分析[J].機械設計與制造, 2014(6):62-64.

[2] 李學軍,劉義倫,肖友剛. 大型多支承變截面回轉窯支承系統力學行為分析[J]. 重型機械, 2002,5(7):19-20.

[3] 王和慧,謝可迪,陳一凡,等.大型回轉窯支撐系統的力學行為分析[J].機械強度,2010,34(4)：606-616.

[4] 張波.大型回轉窯筒體力學分析與計算[D].北京：北方工業大學.2012：13-19.

[5] 《回轉窯》編寫組.回轉窯設計、使用與維護[M].冶金工業出版社.1978:240-248.

[6] 董艷芳.回轉窯筒體變形有限元分析.武漢:武漢理工大學.2014：30-35.

Strength analysis of large-scale rotary kiln

TIAN Guo-fu1，TANG Yuan-yuan1，ZHOU Xue-fei2, ZHANG Xi-dong1,GAO Feng1

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China；2. The North Heavy Industry Group Limited mining machinery branch，Shenyang 110141, China)

Rotary kiln is a large metallurgical equipment. In order to ensure the strength of the rotary kiln cylinder, the paper is based on the beam theory and the finite element method to analyze the cylinder strength under different temperature and different wall thickness, the stress, strain and deflection of the cylinder are obtained under different conditions. The results show that the cylinder strength is within the safety range of the different working conditions. Strength analysis of rotary kiln to verify the beam theory and finite element method similar effectiveness in solving the mechanical model, and it can lay a theoretical foundation for the design optimization of the whole machine and the cylinder.

rotary kiln；beam theory；stress analysis

2016-01-05；

2016-02-19

沈陽市科技創新專項資金-工業科技攻關專項(F15040200)。

田國富(1968-)，男，吉林長春人，博士后，副教授，研究領域為機械系統的CAD/CAE技術、工程車輛設計與試驗等

唐媛媛(1990-)，女，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向為機械設計及理論。

TH123.4

A

1001-196X(2016)04-0061-05