1 引言
回轉(zhuǎn)窯是一種廣泛應(yīng)用于冶金、建材、化工等多種工業(yè)部門的回轉(zhuǎn)圓筒類設(shè)備。回轉(zhuǎn)窯的托輪支承著回轉(zhuǎn)窯回轉(zhuǎn)部分的全部重量，并在徑向通過滾圈對窯簡體起定位作用。對托輪與托輪軸的過盈配合問題，是接觸問題的一種，屬于邊界條件高度非線性的復(fù)雜問題，其特點(diǎn)是在接觸問題中某些邊界條件不是在計(jì)算開始就可以給出，而是計(jì)算的結(jié)果，兩接觸體間的接觸面積和壓力分布隨外載荷的變化而變化，同時還包括正確模擬接觸面間的摩擦行為和可能存在的接觸傳熱。
傳統(tǒng)上一般將托輪簡化成厚壁圓筒，根據(jù)托輪正常工作時需要傳遞的摩擦力及摩擦力矩，考慮托輪軸孔不出現(xiàn)塑性變形這一約束條件，用材料力學(xué)的方法確定過盈配合需要的過盈量。這種方法通常將托輪軸的作用簡化為相應(yīng)的力作用在托輪上，因而該法只能反映托輪在某一時刻和某一位置受力時的力學(xué)特征，不能精確反映托輪和托輪軸的實(shí)際結(jié)構(gòu)對變形和應(yīng)力的影響。因此，將托輪簡化成厚壁圓筒來設(shè)計(jì)托輪與托輪軸的過盈配合關(guān)系，將使過盈配合的可靠性和設(shè)計(jì)質(zhì)量受到影響。為了精確確定托輪和托輪軸表面的接觸壓力，以及托輪和托輪軸的應(yīng)力分布狀況，宜對其進(jìn)行接觸數(shù)值分析。
為此，本文運(yùn)用ANSYS軟件參數(shù)化語言APDL（ANSYS Parametric Design Language）對中國建材裝備總公司的國外某10000t/d生產(chǎn)線的回轉(zhuǎn)窯的托輪與托輪軸之間的過盈配合接觸進(jìn)行數(shù)值模擬分析，不考慮溫度場對其力學(xué)特征的影響，得出了托輪與托輪軸的接觸應(yīng)力，找出托輪與托輪軸的危險(xiǎn)薄弱面，從而為托輪與托輪軸的設(shè)計(jì)及調(diào)整提供理論指導(dǎo)。
2、數(shù)值計(jì)算模型的建立和網(wǎng)格劃分
10 000t/d水泥回轉(zhuǎn)窯回轉(zhuǎn)部分通過空套在筒體上的帶支承在托輪上。該回轉(zhuǎn)窯采用三檔支承，每檔處的兩個托輪與垂直方向呈30。夾角安裝。由于第一檔處支承壓力相對較大，本文以該處的托輪和托輪軸為例，它們之間采用過盈配合連接，其三維幾何模型見圖1。該托輪采用無幅孔結(jié)構(gòu)，使得形狀較為規(guī)則。
整個模型選用SOLID45單元，網(wǎng)格劃分采用
SWEEP方式。對于托輪軸，為了防止在中心形成畸形單元，采用體切割方式，在中心切割形成立方體，并生成規(guī)則的六面體單元。在網(wǎng)格劃分的時候，要注意托輪與托輪軸之間的結(jié)合面雖然重合，但卻是兩個不同的體相配合。同時兩個體沿接觸圓弧的網(wǎng)格劃分的段數(shù)應(yīng)相同，并一一對應(yīng)，以保證其位移模式相同。在網(wǎng)格劃分后．采用ESURF命令分別在托輪和托輪軸的接觸面上設(shè)置CONTACT174和‘rARGE170單元，形成接觸對。其網(wǎng)格劃分見圖2。該模型共有68016個單元( element)，69530個節(jié)點(diǎn)(node)。
3、邊界條件的設(shè)置
托輪所受的外載主要來自于與垂直方向呈300輪帶對托輪的斜壓力，輪帶對托輪的正壓力很大，使托輪和輪帶都產(chǎn)生了彈性變形。在托輪和輪帶接觸區(qū)的壓力分布符合赫茲f Hertz)接觸分布規(guī)律，在討論赫茲接觸時．假定托輪和輪帶都是無限長的．即忽略托輪和輪帶長度對承載區(qū)的影響．同時認(rèn)為在接觸區(qū)外不發(fā)生接觸，根據(jù)彈性接觸的赫茲理論，可以將輪帶和托輪的接觸簡化為兩個圓柱體一維接觸問題。其接觸而不再是一條直線．而是有效寬度為2a。其壓力分布見圖3。
式中Lt一輪帶寬度，由于輪帶寬度L小于托
輪寬度Lt，所以托輪與輪帶的接觸長度
為L；R1、R1分別為輪帶、托輪的外圓周
半徑；E,、E分別為輪帶、托輪的彈性模
量；μ1、μ2分別為輪帶、托輪的泊松比。
將托輪所受的正壓力N按式(1)轉(zhuǎn)化，通過ANSYS的函數(shù)加載功能將載荷施加到托輪表面與輪帶的接觸區(qū)域．即可對托輪和托輪軸進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。
輸入托輪和托輪軸的材料參數(shù)（包括密度、泊松比、彈性模量），其自重由ANSYS系統(tǒng)自動計(jì)算，并施加到模型的單元并最終施加在節(jié)點(diǎn)上。托輪和托輪軸上的力通過滑動軸承傳到軸承座上。通常情況下，軸承和軸承座的變形很小，因此在研究托輪和托輪軸的力學(xué)特征時，可將軸承和軸承座視為剛性支承．即可在軸承支撐托輪軸的部位施加固定約束。
4、數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析
在整個回轉(zhuǎn)窯托輪和托輪軸的過盈配合接觸研究中，用APDL語言實(shí)現(xiàn)整個流程包括建模、定義單元屬性、外加載荷、約束的施加以及后處理等分析過程。
托輪的等效綜合應(yīng)力云圖見圖4，托輪與輪帶接觸區(qū)域中心綜合應(yīng)力沿母線變化曲線見圖6．其配合面端面綜合應(yīng)力沿圓周變化曲線見圖7。橫坐標(biāo)的起點(diǎn)為輪帶與托輪接觸正對面位置。從以上各圖可以看出：
(1)托輪在整個配合面上的應(yīng)力都較大，且在配合面端部托輪孔的托輪與輪帶接觸區(qū)域的正對面出現(xiàn)了最大等效應(yīng)力．達(dá)156MPa．說明過盈配合應(yīng)力與載荷作用下產(chǎn)生的工作應(yīng)力處于同一數(shù)量級甚至大于工作應(yīng)力，因此，對托輪和托輪軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，過盈配合應(yīng)力不容忽視。
(2)托輪外圈的應(yīng)力主要分布在托輪與輪帶直接接觸的區(qū)域，在其它區(qū)域的應(yīng)力則很小。在托輪和輪帶接觸區(qū)域的正對面，應(yīng)力都幾乎為零。這一結(jié)論為方便地檢測托輪應(yīng)力提供了理論依據(jù)：將應(yīng)變片貼在托輪和滾圈接觸區(qū)的正對面，不必為應(yīng)變片卸載和調(diào)零而反復(fù)頂窯。
(3)從圖6可以看出，由于輪帶寬度小于托輪寬度，因此在曲線中心區(qū)域的綜合應(yīng)力較大，而兩端應(yīng)力極小，接近于0。最大應(yīng)力在接觸區(qū)域兩端，大小為22.93MPa,而兩端中間區(qū)域應(yīng)力趨于平穩(wěn)。
圖5為托輪軸的綜合應(yīng)力云圖。從圖中可以看出：在配合區(qū)域從底端到頂端，托輪軸的壓應(yīng)力愈來愈大，到頂端達(dá)到最大值。在托輪軸兩端與軸承座支承區(qū)域的軸間處存在少許應(yīng)力集中的區(qū)域，最大應(yīng)力達(dá)到191MPa。因而軸肩處也是易萌生疲勞裂紋的地方。該圖證明軸肩處是托輪軸的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)和調(diào)整時，應(yīng)加強(qiáng)此處托輪軸強(qiáng)度。
5、結(jié)論
(1)基于APDL參數(shù)化語言，完成了托輪和托輪軸的過盈配合幾何模型的建立、網(wǎng)格劃分、材料屬性的定義、求解和后處理整個過程的數(shù)值分析。得出了托輪和托輪軸的接觸應(yīng)力分布云圖以及相應(yīng)部位應(yīng)力、變形曲線圖。
(2)托輪在整個配合面上的應(yīng)力都較大，且在配合面端部托輪與輪帶接觸區(qū)域的正對面出現(xiàn)了最大等效應(yīng)力。托輪外圈的應(yīng)力主要分布在托輪與輪帶直接接觸的區(qū)域，在其它區(qū)域的應(yīng)力則很小。
(3)在配合區(qū)域從底端到頂端，托輪軸的壓應(yīng)力愈來愈大，到頂端達(dá)到最大值。在托輪軸兩端與軸承座支承區(qū)域的軸間處存在少許應(yīng)力集中的區(qū)域。
(4)定量地求出輪帶與托輪間的最大接觸應(yīng)力與壓力后，可較準(zhǔn)確地進(jìn)行調(diào)窯，使各托輪均勻受力．保證回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和長期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。綜合上述結(jié)果，并結(jié)合文獻(xiàn)的結(jié)論，可以看出托輪采用無幅孔結(jié)構(gòu)能大大減小應(yīng)力值的大小。這將為托輪與托輪軸的設(shè)計(jì)及調(diào)整提供一個很好的參考依據(jù)。
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