高压辊磨机磨辊堆焊修复过程的有限元分析

摘要

高压辊磨机作为一种新型的粉磨设备，相比于传统的粉磨设备，具有高效、节能、噪音小等特点，因而在许多行业得到广泛应用，特别是在水泥行业具有极大的优越性。然而，高压辊磨机极其恶劣的工作条件造成辊面磨损严重，目前公认的最有效的辊面防护措施就是在磨辊表面堆焊耐磨层。为了更好地选择和设计焊接材料，了解磨辊在工作时的应力分布，本文对高压辊磨机磨辊工作应力、堆焊过程、工作应力与堆焊应力的耦合力进行了有限元模拟分析。
　　基于物料的压缩-反弹特性以及高压辊磨机的工作机理，对物料在磨辊间的受力状况和运动规律进行了分析，推导出高压辊磨机磨辊工作应力计算模型。针对磨辊工作特点建立了工作应力分析有限元模型，利用分布力子程序实现了工作载荷的加载。模拟结果表明，在高压辊磨机磨辊工作过程中，径向应力在磨辊表面以下15mm处达到最大值，为199.3MPa；轴向应力在磨辊中部最大，并逐渐向两端减小；在磨辊中部，轴向应力在对应圆心角α=0时最大，为137.8 MPa。
　　根据磨辊堆焊的实际情况，建立磨辊1/4有限元模型，并对温度场和应力场进行有限元模拟分析。通过选取合理热源模型、材料参数、模型参数，获取了较为准确的温度场结果。基于温度场，还研究了堆焊过程中应力场的分布情况。结果表明在径向上，表层焊缝区受压应力，热影响区受拉应力；同时径向等效应力在磨辊表层以下20mm处达到最大值。为了全面分析磨辊工作时的应力分布，将工作应力和堆焊应力进行耦合分析，结果表明在径向上耦合等效应力在磨辊表面以下18mm处达到最大值，应力值为536MPa，表面应力为130MPa。通过对应力的分析可知，应在堆焊层与磨辊基体处选用塑性和韧性很好的堆焊材料，屈服强度大于536MPa。
　　基于磨辊多层多道焊的堆焊过程，本文进行了焊接顺序的优化选择，对首首相接(H-H)与首尾相接(H-E)的焊接顺序的焊接过程进行了对比分析。结果表明首尾相接(H-E)的焊接顺序能降低焊接残余应力的产生，但对于耦合应力的分布影响非常小。
　　本文针对高压辊磨机工作应力、堆焊过程和耦合应力进行有限元模拟分析，研究了磨辊工作中所受各种应力的分布情况。研究结果在一定程度上指导了堆焊工艺的制定和焊材的选择，为堆焊过程的有限元分析奠定了理论基础。

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图表清单

第一章 绪论

1.1课题背景及选题意义

1.2高压辊磨机发展状况

1.3高压辊磨机辊面堆焊修复发展现状

1.4堆焊温度场及应力场的研究现状

1.5本文的主要研究内容及技术路线

第二章 高压辊磨机磨辊力学模型的建立

2.1引言

2.2物料的压缩反弹特性

2.3物料受力分析

2.4赫兹接触理论

2.5本章小结

第三章 高压辊磨机工作应力有限元分析

3.1引言

3.2有限元法简介

3.3磨辊有限元模型的建立

3.4磨辊工作应力模拟及分析

3.5本章小结

第四章 高压辊磨机磨辊堆焊温度场有限元模拟

4.1引言

4.2磨辊堆焊有限元模型的建立

4.3磨辊堆焊温度场模拟分析

4.4本章小结

第五章 高压辊磨机磨辊堆焊应力有限元模拟

5.1引言

5.2应力场数学模型

5.3热力耦合分析

5.4力学边界条件的加载

5.5应力场分布分析

5.6 本章小结

第六章 焊接顺序对温度场和应力场的影响

6.1引言

6.2堆焊顺序对温度场的影响

6.3堆焊顺序对应力场的影响

6.4本章小结

第七章 结论

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文