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浅谈大型回转窑轮轴过盈接触有限元分析
摘要：运用ANSYS软件参数化语言APDL（ANSYS Parametric Design Language）对中国建材装备总公司的国外某10000t/d水泥生产线的回转窑第二挡支撑处的托轮与托轮轴之间的过盈配合接触进行了有限元分析，不考虑温度场对其力学特征的影响，得出了托轮与托轮轴的接触应力，找出了托轮与托轮轴的危险薄弱面，从而为托轮与托轮轴的设计及调整提供理论指导。
关键词：托轮；托轮轴；过盈接触；有限元分析
中图法分类号： 文献标识码：A
Finite Element Analysis and Study on Interference Contact between Kiln Roller and Its Axle of Large Rotary Kiln
CHEN Zuo-bing1, ZENG Fang1, Fang Fang2, XIAO Jia-yun2, FAN Tao1
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;2.China National Building Material Equipment CO., LTD., Beijing 100037, China)
Abstract: Using ANSYS Parametric Design Language (APDL) of the ANSYS software to have a finite element analysis on the interference fit contact between the kiln and its axle of the rotary kiln in the second supporting part of an overseas 10000t/d new type dry-process cement production line that has been contracted by China National Building Material Equipment LTD. CO., without any consideration of temperature influences on the mechanics of the rotary kiln. Contact stress under the actual condition are acquired, the dangerous weak section is also pointed out, and finally it provides academic instruction for design and adjustment of kiln roller。
Key words: Kiln roller; Roller axle; Interference contact; Finite element analysis
引言
回转窑是一个典型的大型复杂系统，由很多具有不同功能和物理机制并在行为上相互耦合、强烈相关的子系统组成。回转窑的托轮支撑着回转窑回转部分的全部重量，并在径向通过滚圈对窑筒体起定位作用。
对托轮与托轮轴的过盈配合问题的分析，传统上一般将托轮简化成厚壁圆筒，根据托轮正常工作时需要传递的摩擦力及摩擦力矩，考虑托轮轴孔不出现塑性变形这一约束条件，用材料力学的方法确定过盈配合需要的过盈量。这种方法通常将托轮轴的作用简化为相应的力作用在托轮上，因而该法只能反映托轮在某一时刻和某一位置受力时的力学特征，不能精确反映托轮和托轮轴的实际结构对变形和应力的影响[2]。因此，将托轮简化为厚壁圆筒来设计托轮与托轮轴的过盈配合关系，将使过盈配合的可靠性和设计质量受到影响。为了精确确定托轮和托轮轴表面的接触压力，以及托轮和托轮轴的应力分布情况，宜对其进行接触分析。为此，笔者采用非线性有限元计算方法，并运用ANSYS软件参数化语言APDL（ANSYS Parametric Design Language）对中国建材装备总公司的国外某10000t/d生产线回转窑的托轮与托轮轴之间的过盈配合接触进行有限元分析，不考虑温度场对其力学特征的影响，得出了托轮与托轮轴的接触应力，并找出了托轮与托轮轴的危险薄弱面，具有较好的工程实际意义。
1 有限元分析模型的建立
由于托轮和托轮轴的温度梯度很小，因此在对托轮和托轮轴进行接触有限元数值计算时，不考虑温度场对其力学特征的影响，但需根据第二个支承系统中托轮和托轮轴的温度对其物性参数进行修正。笔者以该处的托轮和托轮轴为例，它们之间采用过盈配合连接，托轮和托轮轴的基本结构参数如图1和图2所示，两者配合连接的几何模型如图3所示。整个模型选用SOLID45单元，网格划分采用扫略划分方式。对托轮轴，为了防止在中心形成畸形单元，采用体切割方式，在中心切割形成立方体，并生成规则的六面体单元。网格划分图如图4所示。
图1托轮的几何尺寸 图2托轮轴的几何尺寸
托轮
托轮轴
图3托轮和托轮轴的过盈配合几何模型 图4 托轮和托轮轴的网格划分图
2 边界条件和参数
托轮所受的外载主要来自于与垂直方向呈300的轮带对托轮的斜压力，轮带对托轮的压力很大，使托轮和轮带都产生了弹性变形。在托轮和轮带接触区的压力分布符合赫兹( Hertz)接触分布规律，在讨论赫兹接触时，假定托轮和轮带都是无限长的，即忽略托轮和轮带长度对承载区的影响，同时认为在接触区外不发生接触，根据弹性接触的赫兹理论，可以将轮带和托轮的接触简化为两个圆柱体一维接触问题。其接触而不再是一条直线，而是有效宽度为2a。其压力分布如图5所示[6]。
（1） ； （2）
式中， ——轮带宽度，由于轮带宽度 小于托轮宽
图5 托轮的接触压力分布 度 所以托轮与轮带的接触长度为 。 、 分别为轮带、托轮的外圆周半径。 ， ——分别为轮带、托轮的弹性模量； ， ——分别为轮带、托轮的泊松比。
将托轮所受的正压力N按式（1）转化，通过ANSYS的函数加载功能将载荷施加到托轮表面与轮带的接触区域，即可对托轮和托轮轴进行数值计算。输入托轮和托轮轴的材料参数（包括密度、泊松比、弹性模量），其自重由ANSYS系统自动计算，并施加到模型的单元并最终施加在节点上。托轮和托轮轴上的力通过滑动轴承传到轴承座上。通常情况下，轴承和轴承座的变形很小，因此在研究托轮和托轮轴的力学特征时，可将轴承和轴承座视为刚性支承，即可在轴承支撑托轮轴的部位施加固定约束。
3 有限元计算结果与分析
图6 托轮的等效综合应力云图 图7 托轮剖面应力云图
图8 托轮孔上最大应力点所在的母线上的
应力曲线
图9 托轮配合端面综合应力沿圆周变化曲线
图10 托轮轴的等效综合应力云图
如图6所示为托轮的等效综合应力云图，图9所示为托轮配合端面综合应力沿圆周变化曲线。从以上各图可以得出以下结论：
（1）托轮在整个配合面上的应力都较大，且在配合面端部托轮孔的托轮与轮带接触区域的正对面出现了最大等效应力，达153MPa，说明过盈配合应力与载荷作用下产生的工作应力处于同一数量级甚至大于工作应力，因此，对托轮和托轮轴进行强度计算和结构设计时，过盈配合应力不容忽视。
（2）托轮外圈的应力主要分布在托轮与轮带直接接触的区域，在其它区域的应力则很小。在托轮和轮带接触区域的正对面，应力都几乎为零。这一结论为方便地检测托轮应力提供了理论依据：将应变片贴在托轮和滚圈接触区的正对面，不必为应变片卸载和调零而反复顶窑。
图7所示为托轮沿着接触区域剖面的应力云图。从图中可以看出托轮沿着对称面（与铅垂方向成300方向）的应力呈现对称分布。托轮内孔处的最大应力点所在的母线上各点的应力变化
关键词：托轮；托轮轴；过盈接触；有限元分析
中图法分类号： 文献标识码：A
Finite Element Analysis and Study on Interference Contact between Kiln Roller and Its Axle of Large Rotary Kiln
CHEN Zuo-bing1, ZENG Fang1, Fang Fang2, XIAO Jia-yun2, FAN Tao1
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;2.China National Building Material Equipment CO., LTD., Beijing 100037, China)
Abstract: Using ANSYS Parametric Design Language (APDL) of the ANSYS software to have a finite element analysis on the interference fit contact between the kiln and its axle of the rotary kiln in the second supporting part of an overseas 10000t/d new type dry-process cement production line that has been contracted by China National Building Material Equipment LTD. CO., without any consideration of temperature influences on the mechanics of the rotary kiln. Contact stress under the actual condition are acquired, the dangerous weak section is also pointed out, and finally it provides academic instruction for design and adjustment of kiln roller。
Key words: Kiln roller; Roller axle; Interference contact; Finite element analysis
引言
回转窑是一个典型的大型复杂系统，由很多具有不同功能和物理机制并在行为上相互耦合、强烈相关的子系统组成。回转窑的托轮支撑着回转窑回转部分的全部重量，并在径向通过滚圈对窑筒体起定位作用。
对托轮与托轮轴的过盈配合问题的分析，传统上一般将托轮简化成厚壁圆筒，根据托轮正常工作时需要传递的摩擦力及摩擦力矩，考虑托轮轴孔不出现塑性变形这一约束条件，用材料力学的方法确定过盈配合需要的过盈量。这种方法通常将托轮轴的作用简化为相应的力作用在托轮上，因而该法只能反映托轮在某一时刻和某一位置受力时的力学特征，不能精确反映托轮和托轮轴的实际结构对变形和应力的影响[2]。因此，将托轮简化为厚壁圆筒来设计托轮与托轮轴的过盈配合关系，将使过盈配合的可靠性和设计质量受到影响。为了精确确定托轮和托轮轴表面的接触压力，以及托轮和托轮轴的应力分布情况，宜对其进行接触分析。为此，笔者采用非线性有限元计算方法，并运用ANSYS软件参数化语言APDL（ANSYS Parametric Design Language）对中国建材装备总公司的国外某10000t/d生产线回转窑的托轮与托轮轴之间的过盈配合接触进行有限元分析，不考虑温度场对其力学特征的影响，得出了托轮与托轮轴的接触应力，并找出了托轮与托轮轴的危险薄弱面，具有较好的工程实际意义。
1 有限元分析模型的建立
由于托轮和托轮轴的温度梯度很小，因此在对托轮和托轮轴进行接触有限元数值计算时，不考虑温度场对其力学特征的影响，但需根据第二个支承系统中托轮和托轮轴的温度对其物性参数进行修正。笔者以该处的托轮和托轮轴为例，它们之间采用过盈配合连接，托轮和托轮轴的基本结构参数如图1和图2所示，两者配合连接的几何模型如图3所示。整个模型选用SOLID45单元，网格划分采用扫略划分方式。对托轮轴，为了防止在中心形成畸形单元，采用体切割方式，在中心切割形成立方体，并生成规则的六面体单元。网格划分图如图4所示。
图1托轮的几何尺寸 图2托轮轴的几何尺寸
托轮
托轮轴
图3托轮和托轮轴的过盈配合几何模型 图4 托轮和托轮轴的网格划分图
2 边界条件和参数
托轮所受的外载主要来自于与垂直方向呈300的轮带对托轮的斜压力，轮带对托轮的压力很大，使托轮和轮带都产生了弹性变形。在托轮和轮带接触区的压力分布符合赫兹( Hertz)接触分布规律，在讨论赫兹接触时，假定托轮和轮带都是无限长的，即忽略托轮和轮带长度对承载区的影响，同时认为在接触区外不发生接触，根据弹性接触的赫兹理论，可以将轮带和托轮的接触简化为两个圆柱体一维接触问题。其接触而不再是一条直线，而是有效宽度为2a。其压力分布如图5所示[6]。
（1） ； （2）
式中， ——轮带宽度，由于轮带宽度 小于托轮宽
图5 托轮的接触压力分布 度 所以托轮与轮带的接触长度为 。 、 分别为轮带、托轮的外圆周半径。 ， ——分别为轮带、托轮的弹性模量； ， ——分别为轮带、托轮的泊松比。
将托轮所受的正压力N按式（1）转化，通过ANSYS的函数加载功能将载荷施加到托轮表面与轮带的接触区域，即可对托轮和托轮轴进行数值计算。输入托轮和托轮轴的材料参数（包括密度、泊松比、弹性模量），其自重由ANSYS系统自动计算，并施加到模型的单元并最终施加在节点上。托轮和托轮轴上的力通过滑动轴承传到轴承座上。通常情况下，轴承和轴承座的变形很小，因此在研究托轮和托轮轴的力学特征时，可将轴承和轴承座视为刚性支承，即可在轴承支撑托轮轴的部位施加固定约束。
3 有限元计算结果与分析
图6 托轮的等效综合应力云图 图7 托轮剖面应力云图
图8 托轮孔上最大应力点所在的母线上的
应力曲线
图9 托轮配合端面综合应力沿圆周变化曲线
图10 托轮轴的等效综合应力云图
如图6所示为托轮的等效综合应力云图，图9所示为托轮配合端面综合应力沿圆周变化曲线。从以上各图可以得出以下结论：
（1）托轮在整个配合面上的应力都较大，且在配合面端部托轮孔的托轮与轮带接触区域的正对面出现了最大等效应力，达153MPa，说明过盈配合应力与载荷作用下产生的工作应力处于同一数量级甚至大于工作应力，因此，对托轮和托轮轴进行强度计算和结构设计时，过盈配合应力不容忽视。
（2）托轮外圈的应力主要分布在托轮与轮带直接接触的区域，在其它区域的应力则很小。在托轮和轮带接触区域的正对面，应力都几乎为零。这一结论为方便地检测托轮应力提供了理论依据：将应变片贴在托轮和滚圈接触区的正对面，不必为应变片卸载和调零而反复顶窑。
图7所示为托轮沿着接触区域剖面的应力云图。从图中可以看出托轮沿着对称面（与铅垂方向成300方向）的应力呈现对称分布。托轮内孔处的最大应力点所在的母线上各点的应力变化
