大型回转窑支撑系统的力学行为分析及其安全评估

• 作 者: 王守波
• 机 构: 华东理工大学
• 出 处: 华东理工大学
• 发表日期: 0年期
• 关键词: 沥青焦回转窑 支撑系统 摩擦载荷 系数计算模型

本文针对某大型沥青焦回转窑的支撑系统(托轮、轮带和挡轮)的力学行为及其安全评估问题展开理论分析和数值模拟研究,获得一些有意义的结果。
基于超静定连续梁模型计算得到回转窑各档托轮支撑载荷,利用弹性赫兹接触理论计算托轮和轮带的接触面积。通过分析托轮和轮带的相依滚动及轴向窜动的二维复合摩擦运动规律,建立摩擦载荷与系数计算模型。为托轮和轮带的力学行为有限元分析提供了载荷数据和边界条件。
利用ANSYS对托轮及其轮轴的应力和变形进行有限元计算,结果表明托轮与轮带间的接触是残酷的周期性挤压与磨损过程；最大接触峰值应力在托轮与轮带接触处的中心线附近,且应力从表层向内随直径减小而迅速减少。可见托轮表层易发生接触疲劳破坏,这是托轮表面经常发生压溃、剥落和点蚀现象的失效机理。托轮轴孔与轴的配合部位也有较高应力集中,可解释托轮轮幅与轴孔开裂的破坏现象。
针对轮带的结构特点和运行特性,推导出轮带内壁受简体的压力载荷解析公式,进而利用ANSYS模拟轮带力学行为,结果表明：最大峰值应力发生在与托轮的两个接触区,虽尚未达到屈服极限,但应力集中较为严重,且挤压部位随轮带的回转交替循环。与托轮相似,这也是导致轮带表面失效的主要原因。轮带内外壁所受摩擦力对其变形和应力的影响很小,证明了在工程分析中忽略摩擦利用对称性而取1/4简化模型的合理性。
针对发生断裂事故的液压挡轮部件进行强度失效分析及疲劳寿命估算。通过断口形貌分析和金相实验,得出失效机理为疲劳断裂的定性结论。利用ANSYS软件建立挡轮的有限元模型,计算出应力和变形等一系列结果。在确定交变应力幅值及裂纹尖端应力强度因子的基础上,利用Paris公式预算了含缺陷挡轮的疲劳寿命。在选材及造型设计上对挡轮提出了改进方案,将脆性材料铸钢替换为塑性材料锻件,通过计算挡轮轮辐减重孔直径不同时的等效应力分布获得减重孔直径的最优设计方案,并预算了改进后挡轮的疲劳寿命,从而在强度及韧性上均达到最优。设计长期交变应力状态下的工件必须兼顾材料的强度、韧性及其造型优化,这一结论对各类动态承载机械零部件的设计均具有参考价值。
上述研究结果对回转窑支撑系统的检修、设计和窑线调整具有指导意义。