帶式燒結機臺車篦條疲勞分析

齊鐵力

(唐山學院a.河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室；b.機電工程系，河北 唐山 063000)

臺車是帶式燒結機上承載燒結礦的主要部件，主要由臺車體、車輪、卡輪、密封裝置、欄板、篦條等組成。臺車承受的載荷主要是機械力和熱載荷，其運行環境和工作條件都比較惡劣，所以容易產生熱疲勞而損壞[1]。

目前國內外對燒結機臺車的研究主要集中在燒結過程控制、燒結機臺車及其主梁和欄板的應力分析與溫度分析上，對臺車篦條的研究較少[2-8]。而篦條是承受交變熱載荷的關鍵零件，因此，本文以130 m2帶式燒結機的篦條為研究對象，運用有限元方法對篦條的應力場與溫度場進行分析，在此基礎上進一步分析篦條的疲勞特性，得出篦條的屈服特性和易疲勞的薄弱部位。

1 三維實體模型

篦條排布在臺車底面，分為三排布置，每排90-120件，通常中間篦條的溫度較高[9]。篦條的結構比較復雜，因此選取Solidworks作為建模工具，利用草圖、拉伸、修剪、鏡像等命令，完成臺車和中間篦條的三維模型，如圖1和圖2所示。本文只分析中間篦條的情況，故從臺車模型中提取中間篦條，并將其導入ANSYS軟件中進行分析。兩端篦條的分析可參照中間篦條的分析過程。

1.左端篦條；2.中間篦條；3.右端篦條圖1 臺車的三維模型

圖2 中間篦條的三維模型

2 有限元數值模型

劃分網格：在理論層面，機械結構的有限元網格劃分可以是任意的，而在實踐過程中不得不考慮其可行性和經濟性，因此在劃分網格時，需遵循的原則是[10]：在滿足計算精度的前提下簡化結構；運用重復性、對稱性等，縮短計算時間。

劃分網格時一般會考慮計算規模和精度兩個因素來明確網格數量，通常在進行靜力分析時，會選取較少的網格數量，而在計算應力時，需在精度要求不變的情況下選取較多的網格數量。本文研究對象為中間篦條，對其網格劃分后，網格數為6 599個，節點數為8 651個，如圖3所示。

圖3 中間篦條的有限元模型

選擇單元：以三維實體單元來表示篦條的結構與實際情況更相符。篦條的結構不規則，因此選擇比較靈活的四面體單元。

本構模型：高鉻鑄鐵作為篦條的材料，密度為3 714 kg/m3，導熱系數為39.3 W/(m·K)，彈性模量為196 GPa，泊松比為0.28，常溫屈服強度為340 MPa。

3 熱應力分析

針對篦條實際工作情況，分兩種工況進行分析：一是分析篦條處在最高溫900 ℃時的熱應力；二是分析篦條處在最低溫200 ℃時的熱應力。

3.1 工況一下的熱應力

運轉時臺車在某一時刻的溫度呈穩態對稱分布[11]。篦條的工作條件十分惡劣，由實地測量可得，臺車體中間篦條的表面溫度高達850 ℃，兩端(臺車長度方向)散熱條件更差，溫度還要高出80～100 ℃。礦石在燒結過程中在臺車的中心點火，因此溫度由臺車中心向兩端逐漸降低。假定在圖3中，臺車中心與篦條的左端更近，篦條左端的溫度則比右端高約100 ℃。因此，在有限元分析中，在篦條的左、右端分別施加900 ℃和800 ℃的熱載荷，如圖4所示。工況一下篦條的溫度分布云圖如圖5所示。

圖4 工況一下篦條熱載荷的施加

圖5 工況一下篦條溫度分布云圖

由圖5可知，工況一下，篦條的溫度從一端到另一端呈線性分布，即篦條在臺車中心的點火處或離中心最近的地方所獲得的熱量最大，篦條熱量最大部位最容易因熱而發生變形。這就是工況一下篦條靠近臺車中心處容易引起燒蝕的主要原因。

材料的屈服極限隨溫度的升高而降低。在施加熱載荷的前提下，因屈服極限降低，分析對象的應力值會趨近屈服極限，因而材料遭到破壞。在燒結的過程中，篦條一方面受高溫影響，另一方面還要承受機械載荷，熱和力之間的相互作用共同形成了篦條載荷。在對篦條進行應力分析時，常溫條件下施加1.6×10-2MPa的機械載荷，具體載荷和約束的施加如圖6所示。

圖6 工況一下篦條載荷和約束的施加

經數值計算，得到篦條的位移分布云圖和等效應力分布云圖，如圖7所示。

由圖7(a)可知，篦條頂部應力較小，而兩腳外側的位移較大，這是由于兩腳處形狀變化大，應力集中現象嚴重，故工況一下篦條的應力疲勞最可能發生在其兩腳的外側。

篦條的材料是高鉻鑄鐵，在900 ℃時的屈服極限為89 MPa。由圖7(b)可知，篦條最大應力值為106 MPa，篦條局部已經超過此時的屈服極限，出現塑性變形現象。

(a)位移分布云圖

(b)等效應力分布云圖圖7 工況一下篦條位移和應力分布云圖

3.2 工況二下的熱應力

對工況二下進行熱應力分析時熱載荷的施加變為一端200 ℃，另一端300 ℃，其余條件和步驟與工況一相同，在此略去。經計算得到工況二下篦條的溫度、位移、應力分布云圖如圖8所示。

(a)溫度分布云圖

(b)位移分布云圖

(c)等效應力分布云圖圖8 工況二下篦條溫度、位移、應力分布云圖

由圖8(a)可以看出，工況二下，篦條上的溫度從一端到另一端呈線性分布，篦條在靠近臺車中心的左端所獲得的熱量最大。

由圖8(b)可知，篦條中部和兩腳外側的位移較大，頂部兩側應力較小，故工況二下應力疲勞最可能發生在篦條的中部和兩腳外側。

高鉻鑄鐵材料在300 ℃時的屈服極限為331 MPa。由圖8(c)可知，工況二下篦條最大應力值為337 MPa，因此，篦條局部已經超過此時的屈服極限，出現塑性變形現象。

3.3 常溫下的熱應力

在常溫下施加相同的機械載荷(即篦條只受機械載荷)，篦條位移及應力分布云圖如圖9所示。

由圖9(a)可知，篦條兩端位移變化及應力分布都是對稱的。高鉻鑄鐵材料常溫下的屈服極限為340 MPa，由圖9(b)可知，常溫下篦條最大應力為1.84 MPa，遠遠小于此時的屈服極限。

(a)位移分布云圖

(b)等效應力分布云圖圖9 常溫下施加機械載荷的篦條位移、應力分布云圖

3.4 熱應力結果分析

(1)在常溫下施加相同的機械載荷，篦條所受最大應力為1.84 MPa，遠遠小于此時的屈服極限。當施加溫度載荷以后，兩種工況下的最大應力值分別為106 MPa和337 MPa，對應的屈服極限分別為89 MPa和331 MPa，此時篦條局部已經超過相應工況下的屈服極限，說明篦條的變形主要是熱載荷引起的，機械載荷對篦條變形影響不大。

(2)隨著溫度的升高，篦條的屈服極限不斷降低。由兩種工況可知，篦條在工作中受到循環熱載荷的作用，很容易產生熱疲勞，所以對篦條進行熱應力疲勞分析，進而得到篦條疲勞壽命，對于篦條的結構優化設計非常必要。

4 疲勞分析

4.1 問題描述

由篦條熱應力計算結果可知，由于承受激烈循環的溫度波動，篦條受到很大的熱應力循環，易產生疲勞破壞。本文選取兩工況下等效應力最大的節點為疲勞分析的對象，提取此節點等效應力來進行篦條的疲勞壽命計算。

4.2 疲勞壽命計算

疲勞位置選在篦條熱應力最大的節點處，疲勞事件選擇兩種工況下的熱應力循環，疲勞載荷選擇兩工況下的熱應力。

由于篦條的疲勞位置處形狀不規則，如同角鋼受彎時的形狀，所以需設定應力集中系數，查閱《應力集中系數手冊》中的相關內容，得到此處應力集中系數為1.2[12]。

在ANSYS軟件的材料設置中，輸入高鉻鑄鐵的疲勞特性數據，得到其S-N曲線，如圖10所示。

圖10 高鉻鑄鐵S-N曲線

在ANSYS軟件中，將事件循環次數設置為10 000，進行疲勞壽命計算，其結果如圖11所示。

圖11 疲勞壽命計算結果

從疲勞壽命計算的結果可得，此處的最大循環壽命為9 231次。將130 m2帶式燒結機作為研究對象，其長度為53.145 m，臺車調速范圍為1.3～3.9 m/min[6]，現取2 m/min，一般燒結機每天工作24 h，每年工作約330 d，實際中篦條的循環壽命為8 941次。經ANSYS軟件計算得到的篦條壽命與之相比，相差不大，符合實際情況，說明計算準確。

為了得到整個篦條的壽命，在ANSYS的workbench模塊中建立仿真模型，得到的疲勞壽命結果，如圖12所示。

圖12 篦條所有節點疲勞壽命結果

4.3 疲勞結果分析

(1)經軟件計算，130 m2帶式燒結機篦條的最大循環壽命為9 231次，而且其實際壽命為8 941次，計算結果基本和實際情況相符。篦條常溫下受純機械載荷作用時，其受到的交變應力幅非常小，由S-N曲線可知，機械載荷不會造成篦條的疲勞破壞；而熱載荷下的篦條應力幅達到了231 MPa，應力變化非常大，這使得在篦條表面非常容易產生裂紋并快速擴展，最終使得篦條失效，這是引起篦條失效的最主要原因之一。由此可以得出結論：篦條破壞的主要原因是激烈的熱循環而造成的熱疲勞。

(2)由疲勞理論可知，低周疲勞的循環次數一般在10 000次以下，且常伴有塑性變形現象發生[13]。而由篦條熱應力分析結果可知，兩種工況下篦條所受最大等效應力均超過了相應溫度下的屈服極限，出現了塑性變形現象，這正符合疲勞理論中低周疲勞會產生塑性變形現象的論斷。由此可以得出結論：篦條由于循環熱載荷而產生的疲勞屬于低周疲勞。這是由于循環的熱應變會引起應變疲勞，當篦條產生疲勞裂紋并擴展到一定程度，再受到機械沖擊之后，就會出現突然斷裂的現象。對于篦條的低周疲勞的研究可以應用工程中的應變壽命方法來對篦條的疲勞特性進行更加詳細的分析。

(3)由相關文獻可知，影響疲勞的眾多復雜因素中，應力集中和較大的平均應力對疲勞強度危害最大。而由熱應力等效應力分布云圖可知，篦條兩腳外側應力集中現象嚴重，并且此處較其他部位平均應力大，因此此處是篦條疲勞的薄弱部位，所以，優化篦條兩腳外側結構，降低此處的應力集中，是提高篦條疲勞強度非常有力的措施。

5 結論

(1)篦條的破壞主要是由于激烈的熱循環引起的熱疲勞而造成的。

(2)篦條由于循環熱載荷而產生的疲勞屬于低周疲勞。

(3)在對篦條進行設計制造時，可優化兩腳外側結構，減小此處的應力集中，以提高篦條壽命。