框架式平铺机(技术丨第四代篦冷机活动篦床受力分析研究)

Posted 2023-05-30

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框架式平铺机(技术丨第四代篦冷机活动篦床受力分析研究)

引言

篦冷机是水泥厂熟料烧成系统中的重要主机设备，其主要功能是对水泥熟料进行冷却、输送；同时为回转窑及分解炉等提供热空气，是烧成系统热回收的主要设备，同时它是一种能使物料骤冷式设备。熟料由回转窑烧成后进入篦冷机，均匀平铺在篦冷机上，并在篦板上铺到一定厚度，鼓入的冷空气，以相互垂直的方向穿过篦床上运动着的料层使熟料得以骤冷，可在短时间内将熟料由1300～1400℃骤冷到100℃以下，达到冷却的效果。

第三代篦冷机的存在充气梁设计加工不合理，导致堵塞；篦冷机急冷效果差，熟料出口温度高，热回收效率低；篦板梁变形、活动框架梁变形甚至断裂等问题。研究者对第三代篦冷机存在的问题进行了研究。例如，通过将第三代篦冷机二段传动改为三段传动，取消活动充气梁供风结构的方法优化风机配置，提高了冷风穿透能力。结果表明，改造后的出窑熟料温度降至100℃以下，余热发电提高30000kWh/d。

第四代篦冷机是一种熟料堆积在槽型活动充气篦床上，随活动篦床运动向前输送，冷风透过料层冷却。篦床运动形式，多列篦床同时推出，单列篦床轮流退回，形成物料有效输送，采用步进式原理输送效率达到80％。与三代推动篦式冷却机的最大区别是:熟料输送与熟料冷却是两个独立的结构，互不影响，大大减少了篦板的磨损。

每列篦床相互独立，篦床间隙由纵向密封条采用迷宫形式密封，纵向密封相互没有接触，控制间隙2mm，下部有托轮支撑，活动梁在托轮上做往复运动。液压传动的篦冷机，活动篦板推动熟料的作用力，最终作用在固定液压缸的关节轴承销轴座上，在液压缸推拉力的反复作用下，带动篦床运动。

活动篦床是第四代篦冷机的研发的难点之一。篦冷机生产运行过程中，会承载物料的压力、冷却风力、篦床与物料摩擦力、液压缸推力和拉力等多个复杂作用力。多个力的作用下，活动篦床会出现不同程度的变形，甚至变形过大出现断裂和扭曲。在多个项目现场应用中发现，出现了活动纵梁前部上翘变形或者活动纵梁后部上翘变形的情况。甚至还有现场出现连接处变形或断裂。

针对篦冷机运行过程中的变形问题，本文以三段活动篦床三维模型为基础，利用数值方法分析了活动篦床在不同位置施加载荷时的最大应力和最大位移。结果表明多个位置同时施加均等动力比在单个位置施加载荷以及多个位置施加非均等载荷具有更低的应力集中和变形。本文的研究可为第四代篦冷机的优化和更新提供理论基础。

数值模型及方法

用SOLIDWORKS对第四代篦冷机活动篦床进行建模，并将其导人到商用有限元软件ABAQUS中进行数值计算。第四代篦冷机活动篦床的网格画分如图1(a)所示。

图1 第四代篦冷机活动篦床

本文采用的是10节点的二次四面体C3D10单元，对于一个独立的活动篦床，划分的总网格数为1069355，总节点为1934461。在数值计算中所使用的模型材料的弹性模量为206GPa，泊松比为0.3。数值模型中活动篦床的约束和载荷如图1(b)所示。

在活动篦床的上部施加0.05707MPa的均布压力代替石子的压力。并在其顶部施加0.028535MPa的均匀剪切代替活动篦床与石子之间的摩擦。在活动篦床的滚动托轮处限制其在y方向的位移，x与z方向可自由位移。每组活动篦床有3个活动梁液压缸支座。在数值模型中作用在3个活动梁液压缸支座上的力分别为P₁、P₂以及P₃。作用在3个活动梁液压缸支座上的合力为14925N，即:

P₁+P₂+P₃=14925N(1)

在本文中，我们将合力分为3份，并对P₁:P₂:P₃的值为3:0:0，0:3:0，0:0:3，2:1:0，2:0:1，0:2:1，1:2:0，1:0:2，0:1:2，1.5:1.5:0，1.5:0:1.5，0:1.5:1.5以及1:1:1共13种情况下活动篦床的应力及位移进行分析。

结果与讨论

3.1 载荷变化对活动篦床受力影响

图2给出了上述13种载荷下篦床的最大应力。在比较中我们将载荷形式分为4种，第一种，所有载荷作用于1个液压缸驱动底座，共三种情况；第二种，载荷作用于2个液压缸驱动底座，且两个载荷的比值为2:1，共六种情况；第三种，载荷作用于2个液压缸驱动底座，且两个载荷的比值为1.5:1.5，共三种情况；第四种，载荷作用于3个液压缸驱动底座，且两个载荷的比值为1.5:1.5，共一种情况。

图2 载荷变化对篦床最大应力影响

图3 不同载荷下活动篦床应力分布

从图中我们不难看出，载荷作用于一个液压缸驱动底座时，活动篦床的最大应力最大，载荷作用于两个液压缸驱动底座时，最大应力次之。且可以看出两个液压缸驱动底座作用同样大小的载荷时，其最大应力小于不同大小的载荷作用时的最大应力。当将载荷平均作用于3个液压缸驱动底座时，其最大应力最小，是所有13种载荷情况下的最优解。

图3给出了P₁:P₂:P₃的值为0:3:0、1:2:0、1.5:1.5:0以及1:1:1共4种载荷下篦床的应力分布。这四种情况分别为图2中四种情况中的典型代表。从图3中我们不难看出，对于所有的载荷情况，应力都集中于施加载荷的液压缸驱动底座附近，且最大应力基本都在液压缸驱动底座上面。而没有施加载荷的液压缸驱动底座上面几乎没有应力集中。

3.2 载荷变化对活动篦床变形影响

图4给出了上述13种载荷下篦床的最大位移。从图中我们不难看出，整体上载荷作用于一个液压缸驱动底座时，活动篦床的位移最大，载荷作用于两个液压缸驱动底座时，最大应力次之。当将载荷平均作用于3个液压缸驱动底座时，其最大应力最小。与最大应力不同，当载荷作用于一个液压缸驱动底座时，作用于第一个底座的位移是三种情况中最小的，而作用于第三个底座的位移是三种情况中最大的。当载荷作用于两个液压缸驱动底座时，同样大小的载荷与不同大小的载荷其最大位移变化不大。在三个底座作用同大小的载荷时，其位移基本是最小的，只比P₁:P₂:P₃等于1.5:0:1.5时的最大位移稍大。

图4 载荷变化对篦床最大位移影响

图5 不同载荷下活动篦床位移分布

图5给出了P₁:P₂:P₃的值为0:3:0、1:2:0、1.5:1.5:0以及1:1:1共4种载荷下篦床的位移分布。与图3类似，这四种情况分别为四种典型情况。当P₁:P₂:P₃的值为0:3:0时，最大正位移发生在活动篦床的最左边，而最大负位移发生在施加载荷的液压缸驱动底座上，见图5(a)。当P₁:P₂:P₃的值为1:2:0时，最大位移发生在施加载荷的液压缸驱动底座上，见图5(b)。当P₁:P₂:P₃的值为1.5:1.5:0以及1:1:1时，最大位移似乎也发生在施加载荷的液压缸驱动底座附近，但没有明显的位移集中现象，见图5(c)和5(d)。

综合考虑施加不同载荷时活动篦床的应力和变形，可以发现，在每个液压缸驱动底座都安装液压动力系统，且受力相对均匀时，应力集中和变形都减小，是最佳选择。

总结

针对篦冷机运行过程中的应力集中和变形问题，本文以三段活动篦床三维模型为基础，利用数值方法分析了活动篦床在不同位置施加载荷时的最大应力和变形。动力载荷分3份作用于三个液压缸驱动底座，并根据作用于三个底座的载荷的比值分为13种情况。结果表明多个位置同时施加均等动力比在单个位置施加载荷以及多个位置施加非均等载荷具有更低的应力集中和变形。在所有情况下应力和变形基本集中在液压缸支座与活动梁的连接处，所以设计中可对此位置结构进行优化，例如将直角连接改为圆孤连接以减少应力集中。

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