燒結機單輥導料槽耐磨梁結構分析與改進研究

丁慧田，張振存，樊統云，賈 風

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司煉鐵部，河北唐山 063200）

燒結機單輥導料槽耐磨梁結構分析與改進研究

丁慧田，張振存，樊統云，賈 風

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司煉鐵部，河北唐山 063200）

燒結機單輥導料槽上安裝的重要部件耐磨梁的現狀，提出耐磨梁的3種改造方案。通過建立數學模型分析3種耐磨梁工作狀態下的受力變形和最大應力，運用ANSYS有限元分析進一步驗證了計算結果。經過比較，選出抗彎效果最好的耐磨梁，并用ANSYS分析其在通水冷卻下的溫度場分布。

燒結機；導料槽；耐磨梁；ANSYS

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.54

0 前言

燒結機導料槽所處環境苛刻，其所處環境溫度為500℃，而且其時刻處于高溫燒結餅的沖擊之下。燒結餅落差為3 m，最大塊重量為3 t，在燒結餅自由落體的沖擊力下，位于導料槽上的耐磨梁很快會出現變形現象。一旦耐磨梁變形到一定程度，將會對其附近運行的單輥破碎機造成卡阻，嚴重時會帶來設備損壞，造成長時間停機。

京唐公司耐磨梁由鋼板拼成為一根整體，具有一定的抗沖擊能力，同時其鋼板材質為耐磨鋼板，可以抵御耐磨。在高溫下，耐磨梁仍常常受熱變形，被迫停機進行更換。由此造成的產量損失每年近10萬t。

1 研究內容及意義

1.1 耐磨梁安裝環境

耐磨梁屬易損件，與導料槽相比更換周期短，而且每次檢修停機時間有限，所以其固定方式除應考慮固定牢固外，還應有比較快捷的拆裝方式。此外，耐磨梁位于導料槽的前方，外形受到導料槽的局限，尺寸不可太寬。經過對現場安裝位置進行測量，耐磨梁的尺寸為350mm×250mm（圖1）。

1.2 目前幾種改進方案對比

目前提出的導料槽耐磨梁的改進方案有3種（圖2）。

（1）由方鋼鍛坯加工而成，它的上表面和前后表面均堆焊有耐磨合金層，合金厚度為10mm。方鋼主要起抵抗彎曲變形的作用，而合金層則主要起耐磨和隔熱的作用。整條耐磨梁由4條螺栓與內部底板固定安裝，為防止螺栓帽被磨損，螺栓帽采用沉頭設計。

（2）設計采用了鋼板拼接而成的梁。兩塊鋼板中間加數根拉筋拼接，中間形成了槽形，這樣可以較好解決散熱問題；格子內部積存有部分散料，可以起到料磨料的作用，增加耐磨性能。

（3）耐磨梁由耐熱鋼鍛造而成，綜合了前2種耐磨梁特點，并設計通水冷卻，以降低耐磨梁溫度。

圖1 導料槽示意

1.3 研究的主要內容及步驟

圖2 3種耐磨梁截面對比

通過分析將耐磨梁簡化為一簡支梁，一段固定，另一端為自由端[1]。耐磨梁報廢主要表現在沖擊變形和熱變形，所以重點研究選用抗彎性能好的梁和降低耐磨梁的溫度。在抗彎性能上對3種耐磨梁改進方案進行對比，計算出3種耐磨梁受力及變形大小，從中選用合適耐磨梁。此外還研究了耐磨梁在高溫環境下的溫度變化，探討了增加和不增加冷卻水對耐磨梁殘余變形的影響。

2 耐磨梁的優化選用

在彈性范圍內，耐磨梁受沖擊時的變形可以看作彈性變形。假設導料槽為剛性體，在沖擊過程中未發生位移，也未有能量的變化，物料下落的能量全部轉化為耐磨梁的變形。則物料在剛接觸到導料槽時重心處于G點，物料的動能為T。隨著耐磨梁的彈性變形，物料與耐磨梁將共同附著運動，直到在耐磨梁的彈性阻力作用下速度變為0。此時，物料重心下降高度為Δd，耐磨梁在推力分力FT作用下發生的變形為UT，在壓力分力FY的作用下發生的變形為 U（Y圖 3）。根據能量法推斷，在該變形過程中能量保持不變，物料的動能+重力勢能=耐磨梁的彈性勢能[2]，即T+W=UT+UY。

圖3 耐磨梁所處位置示意

2.1 動能T的推導計算

因物料的動能是因物料從高3 m處自由落下，所以，物料與導料槽接觸時可用式（1）計算。

2.2 勢能W的推導計算

在彈性變形過程中，物料的重心由G變到Gˊ，重心的垂直下降高度為Δd（圖4）。由于物料與耐磨梁附著為一體，所以物料的下降高度即耐磨梁垂直方向的位移，Δd=UY。

由耐磨梁的撓曲線方程見（2）式。

作出圖5。截取距離耐磨梁一側x位置一小段耐磨梁的dx做為研究象。由于耐磨梁的轉角很小，所以長度為dx段物料重量為qGdx，該小段物料下降高位為v，所以勢能的減少為qGdx·v。所以整根梁沿長度方向的勢能減少見（3）式。其中，q動Y為沖擊作用下速度為0時物料對耐磨梁的下壓分力。

2.3 彈性勢能的計算

圖4 動載荷下耐磨梁位移示意

圖5 動載荷下耐磨梁位移示意

設體系的速度為零時物料對耐磨梁的沖擊動載荷水平和垂直方向上集度載荷分別為q動Y和q動T。在材料線彈性范圍內，集度載荷的大小與耐磨梁的彈性勢能成正比，而且均是從0增加到最大。所以，在一小段耐磨梁dx上動載荷完成的功為 1/2q動Yd·xv和 q動Tdx·v，在整根梁上進行積分后等于耐磨梁的變形能，即式（4）和式（5）。

式中 ，q動T為沖擊作用下速度為0時物料對耐磨梁的水平推力分力。

將推導數據帶入動能公式（1）中，得（6）式。

式中 m——每臺車承載最大塊物料質量，為3000 kg

H——燒結機與導料槽高差，取3 m

D——接料點與耐磨梁水平距離，即0.5 m

θ———導料槽斜面傾角，取 35°；

l———導料槽寬度，取 6 m

2.4 受力計算

沖擊作用下3種耐磨梁受力計算結果對比見表1。

表1 3種耐磨梁沖擊下最大應力對比

從表1可以看出，方案（2）沖擊下水平方向的應力最大，方案（1）和方案（3）相差不多。

3 用有限元法輔助設計耐磨梁

3.1 沖擊載荷下各耐磨梁變形

用有限元軟件對各耐磨梁進行建模，加載求解[3]，得出各耐磨梁在沖擊力下的應力和變形（圖6）。

經過ANSYS分析后得到的數據見表2。

表2 3種耐磨梁最大應力比較

3.2 ANSYS熱分析

對方案3進行溫度場分析，顯示穩態熱分析溫度場結果，可以看出耐磨梁中間部位約250 ℃（圖 7）。

3.3 耐磨梁殘余變形及應力分析

在實際生產過程中，耐磨梁受臺車卸料過程中物料的沖擊，耐磨梁受到的是每隔1 min沖擊1次。下面重點研究在1次沖擊過后，耐磨梁所產生的殘余變形與殘余應力，進而估算耐磨梁在使用一段時間過后的累積變形。

查閱相關資料，耐磨梁材料在不同溫度下屈服強度和抗拉強度有所不同，所以選取在500℃（不通水）、300 ℃（通水）的環境沖擊下建立模型。模型參數見表3。3.4 500℃下方案3的殘余變形及應變

在耐磨梁3不通水情況下，由于熱輻射，耐磨梁整體溫度迅速上升到與周邊燒結礦相同溫度，達到500℃。在此溫度下，耐磨梁每次沖擊產生的殘余變形為2.14×10-6m，產生的殘余應力為24.2MPa（圖 8）。

表3 不同溫度下材料性能對比

3.5 300℃下耐磨梁3的殘余變形及應變

當耐磨梁在同水情況下，由于冷卻水的熱交換作用，耐磨梁溫度將大幅下降，根據300℃溫度場分析，耐磨梁溫度降下降到300℃左右。此時，梁的殘余變形幾乎下降到0，而殘余應力也幾乎為0（圖9）。

4 結論

圖6 3種方案的水平位移和應力圖

圖7 耐磨梁溫度場分布

圖8 500℃下耐磨梁殘余變形及殘余應力

通過ANSYS分析，耐磨梁在沖擊下的受力較大，變形增大。其中，方案2的最大應力為684.6MPa，已經超出了材料的屈服強度，產生塑性變形，所以耐磨梁2不適用；耐磨梁1和耐磨梁3最大應力相差不大，均未達到材料的屈服強度。

圖9 300℃下耐磨梁殘余變形及殘余應力

在高溫下，材料的強度將發生明顯降低，如在不通水情況下，梁的溫度將上升到與燒結礦相同溫度，達到500℃。在該溫度下，耐磨梁材料的屈服強度會下降到420MPa，此時方案1也不適用。

方案3如不采取冷卻措施，梁在每次沖擊情況下也會產生殘余塑性變形，變形量為0.002 14mm，梁壽命會大大縮短。在增加水冷情況下，梁的整體溫度按300℃計算，每次沖擊過后梁的殘余變形為0，梁發生的是彈性變形，不會產生累積變形。

綜上所述，方案3利用冷卻水進行冷卻，而且其抗彎效果好，結構更輕便，便于更換。所以，應選擇耐磨梁3的結構比較合適。

經過現場實際運用，耐磨梁3能夠承受物料下落時的沖擊和熱負荷，經過一年的在線使用，耐磨梁再沒發生彎曲變形現象，設備穩定率大大提高。

［1］劉鴻文.材料力學（上冊/下冊）［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［2］丁毓峰.ANSYS 12.0有限元分析完全手冊［M］.北京：電子工業出版社，2011.

TF321.4

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〔編輯 吳建卿〕