大型回转窑热力耦合分析及优化

回转窑属于大型重工设备，其生产过程中有一定的危险性，通常由于温度和载荷不均容易造成设备故障，给企业造成巨大的经济损失。下面我们通过有限元分析研究得出，回转窑滚圈受到来自筒体载荷、自重以及内圈高温产生的内应力叠加作用，滚圈在一周的循环过程中，在加热区吸收热量，在冷却区释放热量，温度始终在不断的变化，因此，温度场对滚圈的影响较大。我们以某大型回转窑为研究对象，采取CAE有限元方法对其整体模型及其支承件滚圈、筒体、托轮和托轮轴进行热力耦合分析，得到它们的应变-应力云图，确定了各支承件的薄弱环节，并提出了解决优化方案。

1、回转窑的基本结构

回转窑筒体由不同厚度的钢板卷制焊接而成，共有4挡支撑，每挡支撑由左右对称的2个托轮及上方的滚圈组成。筒体与水平微倾斜安装，活套在滚圈内，滚圈内的筒体钢板一般较厚，并有垫板，以保证横截面有足够的刚度。筒体内镶嵌的耐火砖保温材料，既能满足煅烧工艺要求，又可保护筒体不受热辐射影响而降低热耗；滚圈是加固筒体的刚性零件，分别与垂直方向成30°角支撑在2个托轮上；托轮装置承受筒体、窑衬、物料和滚圈等回转部分的全部质量，是回转窑的重要组成部分，托轮装置运行状况直接影响整个回转窑系统的正常运转。

2、回转窑热力耦合分析

（1）有限元模型

由于回转窑结构比较复杂，建模时应忽略一些影响较小的部件，并将其质量折算到相应位置，以减少有限元模型的规模。首先采用ANSYS建立回转窑三维有限元模型，采用ANSYSSolid70单元对其进行网格划分，模型节点数为351424个，共有75339单元格。

施加热载荷，选择Solid70三维热实体体积块单元，Solid70具有8个节点，每个节点有一个温度自由度，该单元可用于三维稳态或瞬态的热分析问题，并可补偿由于恒定速度场质量输运带来的热流损失，耐火砖对回转窑的热量吸收是均匀分布的，在耐火砖层内部施加温度载荷。物料质量为450t，对其进行均布载荷处理，大齿圈质量为45t，将其作为集中力处理。对耐火砖和托轮轴的2个端面施加旋转约束，其轴向施加平移约束和旋转约束，对滚圈和拖轮的内表面径向上施加旋转约束，在轴向上施加平移约束和旋转约束，对筒体的径向施加旋转约束，对其轴向施加平移约束和旋转约束，以此对回转窑模型及其支承件进行热力耦合分析。

（2）整体模型热力耦合分析

对回转窑整体模型进行热力耦合分析，筒体在各挡与滚圈接触处的变形较大，变形较大值为8.355mm；回转窑整体模型较大应力为141MPa。

（3）滚圈热力耦合分析

以第1挡滚圈模型为研究对象进行热力耦合分析，滚圈的左侧中部变形较大，较大值为4.596mm，右侧中部位置变形较小为1.21mm；滚圈的内圈的边缘较大应力值达到70.7MPa。

（4）筒体热力耦合分析

取筒体为研究对象进行热力耦合分析，筒体在各挡与滚圈接触处的变形较大，较大值为8.350mm；回转窑筒体应力较大值为139MPa。

分析筒体在各个挡位上的热力耦合场应力可知，筒体的较大应力值为139MPa，第2挡总体与滚圈接触处总体应力较大，第1挡和第3挡与滚圈处接触总体应力比第2挡小，第4挡总体与滚圈处接触总体应力更小。

（5）托轮热力耦合分析

以回转窑第1挡左侧托轮模型为研究对象，进行热力耦合分析，托轮与滚圈接触外边缘位置的变形较大，其较大值为0.276mm；托轮与托轮轴轴肩处应力较大，其应力值达41.9MPa。

（6）托轮轴热力耦合分析

以回转窑第1挡左侧托轮轴模型为研究对象，进行热力耦合分析，托轮轴与滚圈接触处的变形较大，其较大值为0.0136mm。托轮轴轴肩处的接触点处应力较大可达到22.9MPa。

3、优化方法

针对上述问题，在满足回转窑各部件受力均衡及筒体轴线直线度要求的前提下，以各挡位之间的距离、滚圈变形的初始值、调窑量和支承角为设计变量，对回转窑进行等载同轴优化，后面通过计算数据建立二次多项式响应面模型，得到设计变量对目标函数的影响值，其集成优化方案。

采用CAE有限元方法对回转窑整体模型及其支承件进行热力耦合分析，得到其应力、应变分布云图，并确定了各支承件的薄弱环节。分析结果表明，滚圈内缘应力值较大，左侧中部变形较大；筒体在各挡与滚圈接触处的变形较大；托轮与托轮轴轴肩处应力较大；托轮轴与滚圈接触处的变形达到较大。并由此提出了相应的优化方案，为实际解决工程问题提供了参考价值。