多支承回转窑接触体系的力学特征研究及参数优化

摘要

本论文以形成一套完备的回转窑设计、维护理论体系为目标，对回转窑的力学机理、结构优化、运行状态调整等问题进行系统深入的研究。 推导了回转窑内物料动态安息角的计算公式，建立了料床与封盖窑壁间对流传热的物理数学模型，并求出了料床与封盖窑壁的对流传热系数，推出了烟气、物料、窑壁净辐射换热量的计算公式，最终建立了多参数耦合工况下回转窑传热过程的综合数学模型，通过数值仿真，得出了窑内烟气、物料、窑壁的温度分布规律。 根据滚圈处筒体的变形及平衡条件，得出了筒体-滚圈的接触角及筒体-滚圈的接触压力分布规律。提出了接触问题的系统分解法，并将回转窑接触大体系分解成筒体与滚圈接触体系、滚圈与托轮接触体系、托轮与托轮轴接触体系。通过在托轮与托轮轴的过盈配合面上设置接触伪单元，对托轮与托轮轴接触体系进行了有限元数值计算。研究了斜压状态下托轮滚圈多体接触模型的特点，基于均匀设计法及有限元分析，拟合了滚圈的力学特征公式。基于多重子结构技术，建立了超长筒体与滚圈的多体接触模型。通过这些研究，得出了如下结论：托轮与滚圈的接触应力基本以接触中心为圆心，由接触中心向着接触边缘逐步递减；滚圈回转一周，截面等效应力交变五次，这种周期性交变应力易导致滚圈开裂；档位段筒体的等效应力远大于跨间筒体等效应力，档位段筒体的强度偏弱，跨间筒体强度有一定富余。 研究出了给定位移下回转窑支承力的有限元通用解法，得出了支承力与轴线偏差的计算公式。研究表明：回转窑支承力受中间档轴线偏差的影响大，受边缘档轴线偏差的影响小；每档支承力主要受本档及其左右两档轴线偏差的影响，受其它档轴线偏差的影响较小；垂直方向的轴线偏差，主要影响载荷在各档支承上的分配，水平方向的轴线偏差主要影响托轮支承力的大小。 将模糊优化与有限元法相结合，建立了筒体结构优化模型，用子问题近似法进行求解，结果表明：筒体结构优化，减少了筒壳的最大等效应力、最大支承力及筒体的变形椭圆度，增大了筒壳的疲劳安全系数，增强了筒体抗御突变载荷的能力。 建立了基于名义应力法和局部应力应变法的支承系统疲劳损伤模型，并提出以局部塑性变形的大小作为模型的选用准则。以滚圈疲劳损伤量最小及以支承系统疲劳损伤量最小为目标，建立了滚圈支承角优化模型。求解结果表明：当滚圈支承角为传统的30°时，滚圈的使用寿命远小于最佳支承角时的使用寿命，在传统设计中将滚圈的支承角一概定为30°欠合理。 从回转窑运行状态调整出发，以各档托轮受力均衡及轴线相对偏移量最小为优化目标，考虑窑轴线单次调整量、轴线偏差、传动系统、窑头窑尾密封、滚圈变形、接触应力等窑体调整制约条件的模糊因素，建立了回转窑运行状态调优模糊决策模型，并应用最大最小法、加权平均法、模糊综合评判法求解了该模型。应用表明模糊优化调窑比常规调窑、普通优化调窑能更均衡地分配回转窑载荷，而且当轴线偏差较大时，能更显著地减少轴线偏差，使轴线更平直，因而对改善回转窑的机械运行状态最理想。 综合以上研究成果，开发了集监测、分析和管理于一体的回转窑运行状态监测与调优系统，该系统能查询轴线历史状态、预测轴线变化趋势、显示托轮受力、优化调窑参数等，系统界面友好，工作性能稳定，可靠性强，适用于高温、多尘的恶劣工作环境。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1回转窑的结构特征及运行状态的影响要素

1.2回转窑力学机理的研究进展

1.2.1温度场

1.2.2支承力计算

1.2.3应力和变形

1.3回转窑运行状态测量及调整方法研究进展

1.3.1轴线偏差动态测量

1.3.2托轮力检测

1.3.3轴线调整

1.4论文工程背景及研究意义

1.4.1论文工程背景

1.4.2论文研究意义

1.5论文主要内容及研究思路

1.5.1论文主要内容

1.5.2论文研究思路

第二章多参数耦合工况下回转窑传热过程综合数学模型

2.1回转窑传热过程综合数学模型

2.1.1烟气、物料质量变化率方程

2.1.2烟气及物料传热综合模型

2.1.3变热特性参数条件下筒体传热方程

2.1.4窑壁散热方程

2.1.5煤粉燃烧方程

2.1.6物料反应方程

2.1.7模型耦合特性分析及数值算法研究

2.2多参数耦合工况下回转窑传热过程综合数学模型应用研究

2.2.1 2号窑结构参数

2.2.2 2号窑热工参数

2.2.3固定参数下回转窑传热过程计算结果及分析

2.2.4变参数下回转窑传热过程计算结果及分析

2.3回转窑热工过程综合测试

2.3.1基本数据

2.3.2测点位置、测试内容及测试仪器

2.3.3测试数据及处理

2.3.4测试结果分析

2.4本章小节

第三章多支承回转窑多体接触体系的力学特征

3.1托轮和托轮轴接触体系的力学特征

3.1.1托轮和托轮轴基本参数

3.1.2托轮和托轮轴接触体系的有限元模型

3.1.3约束和载荷的处理

3.1.4不同支承载荷下托轮和托轮轴的力学特征

3.2滚圈与筒体的接触角及接触压力分布

3.2.1滚圈接触压力分布数学模型

3.2.2变载荷下滚圈的接触压力分布规律

3.2.3变间隙下滚圈的接触压力分布规律

3.3斜压状态下托轮滚圈多体接触的力学特征

3.3.1滚圈基本参数

3.3.2斜压状态下托轮与滚圈接触有限元模型

3.3.3约束和载荷的处理

3.3.4斜压状态下托轮与滚圈接触的力学特征

3.3.5基于均匀设计法拟合滚圈的力学特征公式

3.4超长筒体与滚圈三维多体接触的力学特征

3.4.1超长筒体与滚圈三维多体接触模型

3.4.2物性参数、边界条件及载荷处理

3.4.3计算结果及分析

3.5本章小节

第四章轴线偏移下筒体支承力有限元通用解法

4.1支承力传统计算方法的缺陷及应对策略

4.2大型复杂结构的多重子结构技术

4.3给定位移下筒体支承力计算有限元通用解法

4.3.1给定位移下求解支反力的控制方程

4.3.2筒体支承力计算的相关技术

4.3.3筒体基本子结构及其有限元网格的划分

4.3.4约束及载荷的处理

4.4轴线偏移下筒体支承力计算

4.5本章小结

第五章具有模糊约束的筒体结构优化

5.1筒体结构优化模型

5.1.1设计变量

5.1.2目标函数

5.1.3模糊约束条件

5.2模型转化

5.3筒体结构有限元分析模型及优化方案

5.4算例及优化结果分析

5.5本章结论

第六章回转窑托轮对滚圈最佳支承角的确定

6.1活套滚圈的弯矩及弯曲应力

6.2支承系统疲劳损伤模型

6.2.1滚圈疲劳损伤模型

6.2.2托轮疲劳损伤模型

6.2.3托轮轴疲劳损伤模型

6.3以滚圈疲劳损伤量最小为目标优化滚圈支承角

6.3.1目标函数

6.3.2模糊约束条件

6.3.3模型转化

6.3.4算例及优化结果分析

6.4以支承系统疲劳损伤量最小为目标优化滚圈支承角

6.4.1数学模型

6.4.2算例及优化结果分析

6.5本章小节

第七章回转窑运行状态调优的多目标模糊决策

7.1回转窑运行状态调优多目标模糊决策模型

7.1.1模糊建模

7.1.2模型转化

7.1.3模型应用研究及优化结果分析

7.2回转窑运行状态监测与调优系统

7.2.1系统硬件的结构和功能

7.2.2软件系统的结构和功能

7.3回转窑运行状态调优在线实施

7.4回转窑运行状态监测与调优系统效益评价

7.5本章结论

主要研究结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要成果