回转窑活套轮带接触压力分布研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年3 期 4 3 回转窑活套轮带接触压力分布研究 雷先明1 ，肖友刚2 ，陈国新1 1 ．邵阳学院机械能源工程系，邵阳4 2 2 0 0 4 ；2 ．中南大学轨道交通安全重点实验室，长沙4 1 0 0 7 5 摘要根据简体跨间载荷在轮带处简体横截面产生的剪力流特性及轮带处简体的变形与平衡条件，建立 了计算轮带与筒体间接触角及接触压力分布的数学模型，得出了变载荷及变间隙条件下轮带与筒体的 接触角及简体对轮带的接触压力分布规律支承载荷增加，轮带与筒体的接触角和最大接触压力均基本 按线性关系增大；间隙越大，接触角愈小，单位接触面上的压力增加。 关键词轮带；接触角；接触压力 中图分类号T Q l 7 2 ．6文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 0 3 一0 0 4 3 一0 3 R e s e a r c ho nC o n t a c tP r e s sD i s t r i b u t i o no fK i l nT y r e L E IX i a n m i n 9 1 ，X I A OY o u g a n 9 2 ，C H E NG u o x i n 9 1 1 ．D e p a r t m e n to fM e c h a n i c a la n dE n e r g yE n g i n e e r i n g ，S h a o y a n gU n i v e r s i t y ，S h a o y a n g4 2 2 0 0 4 ，C h i n a 2 ．K e yL a bo fT r a f f i cS a f e t yo nt h eT r a c k 。C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 7 5 ．C h i n a A b s t r a c t T h et o t a ll o a db e t w e e nk i l ns u p p o r t si st r a n s m i t t e dt ot h es h e l la tt y r es t a t i o n sa ss h e a r i n gf o r c e s ． A c c o r d i n gt Ot h ec h a r a c t e ra n dt h ec o n d i t i o no fs h e l ld e f o r m a t i o na n db a l a n c e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f c o n t a c ta n g l ea n dc o n t a c tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nb e t w e e nk i l nt y r ea n dk i l ns h e l lh a v eb e e ns e tu p ．T h er u l e o fc o n t a c ta n g l ea n dc o n t a c tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nb e t w e e nk i l nt y r ea n dk i l ns h e l li so b t a i n e du n d e rv a r i a b l e g a pa n dv a r i a b l es u p p o r tf o r c e w h e nt h es u p p o r tf o r c ei n c r e a s e ，t h ec o n t a c ta n g l ea n dc o n t a c tp r e s s u r ei n c r e a s e ；t h el a r g e rt h eg a p ，t h el e s st h ec o n t a c ta n g l e ，a n dt h eg r e a t e rt h ec o n t a c tp r e s s u r e ． K e y w o r d s T y r e ；C o n t a c ta n g l e ；C o n t a c tp r e s s u r e 回转窑是冶金、化工、建材等工业部门的重要生 产设备，轮带是回转窑的重要组成部分，活套在简体 上。由筒体、窑衬及物料等引起的回转窑载荷在简 体与轮带的接触面上产生接触压力。在推导该接触 压力分布规律时，目前一般认为简体跨间载荷对轮 带处简体横截面的微元产生一个垂直的均布载荷， 因而活套轮带对筒体的接触压力分布为复合曲 线D - z ] 。然而，筒体跨间载荷在轮带处筒体的横截 面产生剪切力，剪力流沿圆环中心线按正弦规律分 布[ 3 3 ，而且，接触角作为表征轮带和筒体之间接触区 域的重要参数，在已有接触压力分布公式中，都要求 基金项目湖南省教育厅科研计划资助 0 6 C 7 5 8 作者简介雷先明 1 9 6 4 一 ，男，教授 通过经验或实测确定，使用极不方便。作者利用轮 带处简体横截面剪力流的分布特性，根据轮带处筒 体的变形与平衡条件，得出了轮带与简体的接触角 及简体对轮带的接触压力分布规律。 1 ’轮带和筒体接触压力计算模型 由于轮带刚度远大于简体刚度，在求轮带和筒 体间的接触压力时可假定轮带是刚性的。由于各支 承问载荷传递给各支承处筒体，并在筒体截面产生 剪切力，该剪切力按正弦规律分布‘引。这样可以把 轮带处简体看作以一定间隙套装在刚性轮带中的薄 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分2 0 0 7 年3 期 环，它承受着按正弦规律分布的剪切力z t s i n f l ，如图 1 所示。图中口为简体截面任一点在垂直方向的圆心 角，0 为轮带支承角，2 C 为简体和轮的初始间隙，O 。 为轮带圆心，0 2 为简体截面圆心。 图1滚圈处简体截面剪力分布 F i g ．1 S h e a rd i s t r i b u t i o no fs h e l l c r o s s s e c t i o na tt y r e 如图2 所示，假定在B 点处轮带和筒体截面脱 离接触。研究环脱离接触部分，即上半部分的变形 与静力平衡条件，由载荷和结构的对称性知，A 点的 剪力等于零，因而可把A 点作为固定端。图2 中， z - 为B 点的水平分力，X 为B 点的垂直分力，z 。为 B 点的弯矩。 图2 滚圈处简体受力分析 F i g ．2 F o r c ea n a l y s i so fs h e l la tt y r e 根据小曲率圆环的性质及B 点曲率变化，得 z 3 一 ，．一R a E I ／ R G f r ≈一E J C ／，上 1 式中，E 1 一E b t3 ／1 2 ，E 为简体弹性模量，b 为 轮带宽度，t 为轮带处简体的厚度，r 为轮带处简体 外半径，尺口为轮带内半径。 根据垂直方向力的平衡条件，得 r X 4S i n 2 艘邓一R r 虿1 1 丌一a j 。i n 2 艘邓一R ‘虿 7 r a 2 式中，R r t ／2 ，2 0 为简体与轮带的接触角。 为了确定剪力s i n f l 对环上任意点的弯矩M ，在口 角的位置上取一个微角彩，作用于弧R d f l 的压力 s i n 卢R d 卢在小于p 角的y 角位置产生的微力矩为 d M 2 R s i n t i s i n2 [ 卢一r ／2 ] 印 3 M 2 R s i n f l s i n 2F f l - r ／2 ] 印 4 根据筒体和轮带在B 点接触的变形协调条件及 在未知力和未知力矩方向上的正则方程，得 艿1 1 z l 8 1 2 2 2 十d 1 3 2 3 占1 4 2 4 一一C s i n a a c o s a 5 乱1 2 1 岛2 2 2 文3 2 3 乱4 2 4 一C o ／R 6 式中，艿。由莫尔积分确定。 乱1 一吉j 。 c o 妇 删 ， 2 R 3 d y 1 广，r a 阮一壶j 。 S i n a s i n y c O s a c o s r R 3 d 7 文4 一击j 。M c O 妇 c O S r R 2 d 7 1r r a 占1 3 一乱l 一亩j 。 c o s a c 。s r R 2 d 7 1厂圹一a 如一壶j 。 s i n O s i n T R 2 匆 1r J 广寸 。一亩j 。黝7 阮一击j 。M R d y 轮带支承力Q 等于3 2 。s i 叩在垂直轴上投影总 和，即 r ” Q 一2z 4s i n 2 艘邵一趣z 4 7 研究环与轮带的接触部分，接触压力P j 5 对∞ 角位置处产生的力矩为 r a M R g - ，IP ≠ s i n 9 群 8 J 。 剪力z 。s i n e 对∞角位置处产生的力矩为 M 3 2 R 勃f 。s i n 2 孥 z 。s i n 似9 5 9 d ∞厶 由于轮带和简体问的摩擦系数不大于0 ．1 ，因 而它们间的摩擦力对够角位置处产生的力矩很小， 可以忽略。 沿接触弧长上环的曲率变化为定值，故 M 2 一M 3 一z 3 z 1 R 叫 c o s 9 一c o s J 一 z 2 R 口 s i n 3 一s i n 9 1 0 可以看出，由方程 1 ～ 7 组成的方程组是 超越方程组，通过其求解z 。，z 。，z 。，z 。及接触角2 a 的解析式将非常繁杂，而且第一类f r e d h o l m 积分方 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年3 期 4 5 程的求解过程也非常烦琐。应用逼近法及求解第一 类F r e d h o l m 积分方程的方法，笔者根据上述过程用 M a t l a b 语言编写了求解接触角2 a 及接触压力尸 乒 的通用程序P r e s s s o l v ，并应用面向对象技术，开发 了该程序的图形用户界面，使用者只需根据提示输 入有关参数，程序则可自动计算轮带的接触压力分 布。若要研究P 声 和某参数之间的关系，只需固定 其它参数，同时给该参数在指定范围内赋不同的值， 程序则可自动绘出该参数与P 声 的关系图，并将有 关结果列表显示。 2轮带的接触压力分布规律 中铝河南分公司2 号回转窑 简称2 号窑 为直 径4m 、长1 0 0m 的回转窑。影响轮带接触压力分 布的结构参数为筒体外径D - - 4 ．5m ，轮带内径d 一4 ．6 6 m ，轮带宽度b 一0 ．7 2 5 m ，轮带处简体的厚度 t 0 ．0 5m 。筒体材料4 5 号钢，弹性模量2 0 4G P a 。 由于筒体轴线变化和物料冲击，回转窑各档轮 带的支承载荷会产生变化，通常情况下，2 号窑轮带 的支承载荷Q 在10 0 0 ～4 0 0 0k N 内变化[ 4 ] 。由于 磨损及温度变化，简体和轮带间隙2 C 在o ～1 2m m 内变化[ 4 ] 。鉴于支承载荷和轮带与简体阃隙是导致 轮带接触压力变化的重要囚素，因此应用开发的通 用程序P r e s s s o l v ，分两种情况对轮带的接触压力进 行研究 1 固定简体与轮带间隙，让支承载荷变化； 2 固定支承载荷，让简体与轮带问隙变化。 2 ．1 变载荷 将筒体和轮带间的间隙固定为1 0m m ，同时指 定支承载荷分别为10 0 0 、20 0 0 和40 0 0k N ，运行 P r e s s s o l v ，得出这3 种载荷下轮带的接触压力分布 情况，如图3 所示，图中横坐标的起点为轮带的最高 点，终点为轮带的最低点。从图3 可看出，载荷越 大，初始接触角越小，最大接触压力越大。在固定间 隙下，接触角增大，意味着简体变形增加，这将影响 窑衬的使用寿命。接触压力增大，会使轮带应力增 加，从而缩短轮带的运行周期。这一结论为优化调 窑，减少最大支承载荷提供了依据。 2 ．2 变间隙 将支承载荷固定为25 0 0k N ，同时指定筒体和 轮带间的间隙为2m m ，6m m 和1 2m m ，运行P r e S S S O I V ，得出这3 种间隙下轮带的接触压力分布情 况，如图4 所示。从图4 可看出，筒体与轮带间的间 隙越大，初始接触角和最大接触压力都越大。在固 定载荷下，间隙越大，接触角愈小，说明单位接触面 上的压力增加，这将使简体和轮带的变形增大，应力 增加，从而影响回转窑的使用寿命。这一结论说明 减少简体与轮带间的间隙，能有效改善简体与轮带 的接触状态，使轮带和简体的应力分布更趋合理。 矗 厶 兰 、 R 崮 藿 挝 罡 兰 、 R 崮 苍 避 图32 C 1 0m m 时轮带的接触压力分布 F i g ．3 T h ec o n t a c t i n gp r e s s u r e d i s t r i b u t i o no ft y r ew i t h2 C 10m m 图4Q 25 0 0k N 时滚圈的 接触压力分布曲线 F i g ．4 T h ec o n t a c t i n gp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fs h e l la tt y r ew i t hQ 25 0 0k N 3结论 1 通过分析筒体和轮带的结构特点及力学特 性，建立了确定轮带和筒体接触区域的数学模型，给 出了简体与轮带间的接触压力计算公式。 2 支承载荷增加，轮带与筒体的接触角和最 大接触压力增大；间隙越大，接触角愈小，单位接触 面上的压力增加。这些结论为优化调窑，减少最大 支承载荷提供了依据；为合理设计简体与轮带间隙， 改善简体与轮带的接触匝力分布状态，提高窑衬使 用寿命，提供了理论基础。 下转第4 9 页 6 4 2 0 8 6 4 2 8 6 4 2 U 2 O 8 6 0 2 0 8 6 4 2 0 2 2 l l l l l O 0 O 0 O 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年3 期 4 9 [ 3 ] 戴遐明，陈永华，李庆丰，等．半导体氧化物超细粉末 对c r 的光催化还原作用研究．[ J ] ．环境科学，1 9 9 6 ，1 7 6 3 4 3 6 ． [ 4 ] S e l a f a n iA ，P a l m i s a n oL ，F a r n e t iG ．S y t h e s i so f 2 一h y d r o x y l b e n z o i c a c i df r o mC 0 2a n dp h e n o li na q u e o u s h e t e r o g e n o u sp h o t o c a t a l y t i cs y s t e m s [ 妇．C h e m ．C o m m U D ，1 9 9 7 5 2 9 5 3 0 ． [ 5 ] O h t a n iB ，T s u r uS ，N i s h i m o t oSI ，e ta 1 ．P h o t o c a t a l y t i c o n e - s t e ps y n t h e s e so fc y c l i ci m i n oa c i d sb ya q u e o u ss e m i c o n d u c t o rs u s p e n s i o n s [ j ] ．JO r gC h e m ，1 9 9 0 ，5 5 5 5 5 1 5 5 5 3 ． [ 6 ] A r a k a w aH ．R e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nn e ws y n t h e t i c r o u t e sf o rb a s i cc h e m i c a l sb yc a t a l y t i ch y d r o g e n a t i o no f C 0 2 [ J ] ．S t u d ．S u r f ．S c i ．C a t a l ．，1 9 9 8 1 1 4 1 9 3 0 ． E 7 ] 樊行雪，方国女．大学化学原理及应用[ M ] ．北京化学 工业出版社，2 0 0 0 5 ． 上接第4 2 页 图3 为0 ．5 ％G d 3 ／T i O 和纯T i O 在紫外光 照射下光催化分解水放氢随时间的变化曲线，从图 3 可以看出放氢量和时间基本上成线性关系，放氢 速率分别为4 ．8 2m L ／h 和3 ．0 8m L ／h ，0 ．5 ％ G d 3 ／T i O 光催化分解水制氢活性比纯T i O 。提高 了约5 6 ％，说明稀土G d 3 的掺入能有效地提高 T i O 光催化活性。 3结论 用溶胶一凝胶浸渍法，制备了纯的和G d 3 掺杂 的T i O 。纳米光催化剂。结果发现G d 抖的掺入阻止 了T i O 由锐钛矿相向金红石相的转变，抑制了晶 粒生长，在紫外区的光吸收能力增强，禁带宽度变 宽，电子一空穴对的分离效率提高，掺杂T i O z 光催 化剂的光催化分解水制氢活性比纯T i O 。提高了 5 6 ％。 参考文献 [ 1 ] 吴玉琪，吕功煊，李树本．无氧条件下P t ／T i 0 2 光催化重 整降解一乙醇胺水溶液制氢E J ] ．物理化学学报，2 0 0 4 ， 2 0 7 7 5 5 7 5 8 ． [ 2 ] 吴玉琪，吕功煊，李树本．P t ／T i O z 光催化重整降解2 一氯 乙醇水溶液制氢[ J ] ．分子催化，2 0 0 4 ，1 8 2 1 2 5 1 3 0 ． [ 3 ] X uA n w u ，G a oY u a n ，L i uH a n Q i n ．T h ep r e p a r a t i o n ， c h a r a c t e r i z a t i o na n dt h e i rp h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t i e so fr e a r - e a r t h d o p e dT i O zn a n o p a r t i e l e s [ J ] ．J o u r n a lo fC a t a l y s i s ， ● 2 0 0 2 ，2 0 7 1 5 1 1 5 7 ． [ 4 ] 杨秋景，徐自力，谢超，等．铕掺杂对纳米T i O z 的光催 化活性的影响[ J ] ．高等学校化学学报，2 0 0 4 ，2 5 9 1 7 1 1 1 7 1 4 ． [ 5 ] 侯梅芳，李芳柏，李瑞丰，等．钕掺杂提高T i O z 光催化活 性的机制[ J ] ．中国稀土学报，2 0 0 4 ，2 2 ， 1 7 5 8 0 ． [ 6 ] 李慧泉，李越湘，周兴木，等．L a z o a 掺杂T i 光催化剂 的制备和性能[ 刀．分子催化，2 0 0 4 ，1 8 4 3 0 4 3 0 9 ． [ 7 ] 李慧泉，李越湘，周兴木，等．S m z o s 掺杂T i O 。光催化剂 的制备和性能口] ．催化学报，2 0 0 4 。2 5 8 1 4 8 1 8 ． [ 8 ] 王添辉，李越湘，彭绍琴，等．稀土掺杂T i O z 的光催化制 氢活性[ J ] ．化学学报，2 0 0 5 ，6 3 9 7 9 7 8 0 1 ． [ 9 ] 岳海林，水淼，徐铸德，等．稀土掺杂二氧化钛的相变和 光催化活性[ J ] ．浙江大学学报，2 0 0 0 ，2 7 1 6 9 7 2 ． 上接第4 5 页 参考文献 [ 1 ] 陈仁善．回转窑轮带对简体的压力分布口] ．武汉工业大 学学报，1 9 9 3 3 7 8 8 3 ． [ 2 ] R a m a m u r t iV ，G u p t aL ．D e s i g no fr o t a r yk i l nt y r e s [ J ] ． Z e m e n t - - K a l k G i p s ，1 9 7 8 1 2 6 1 4 6 1 8 ． [ 3 ] G o c e r ，C ．T h es t r e s s e si nr o t a r yk i l nt y r e s [ - J ] ．Z K GI n t e r n a t i o n a l ，1 9 9 9 ，5 2 2 8 0 ～8 4 ． [ 4 ] 肖友刚．多支承回转窑接触体系的力学特征研究及参数 优化[ D ] ．长沙中南大学机电工程学院，2 0 0 4 ． 万方数据