（机械设计及理论专业论文）大型回转窑支承构件滚动接触疲劳研究.pdf

摘要 回转窑是冶金、化工、建材等行业生产流程中的核心设备，保证其安全、 高效地运行是相应企业提高经济效益的关键。回转窑的主要支承构件，滚圈和托 轮，在工作中处于滚动接触状态。从现场维修记录中可见，滚圈和托轮常常在 远未达到预期寿命的情况下出现断裂事故。此类事故，一则严重威胁回转窑维 护工作人员的人身安全，二则引起生产流程的中断，造成重大生产损失。 本论文针对这一状况，重新评估了在滚动接触的工作状态下，滚圈的疲劳 寿命，并在研究滚圈一托轮滚动接触疲劳( r c f ) 损伤演变机理的基础上，提 出了一种回转支承构件疲劳寿命计算的新方法。该方法针对性强，物理过程明 确，中间步骤少，中间参数少且获取方法简便。通过疲劳试验证明，该方法在 计算结果稳定性和精确性方面高于常规方法，具有一定的工程应用价值。 从滚圈的受力分析入手，应用有限元分析软件a n s y s ，结合现场调研得到 的滚圈内外层温度值，对滚圈进行热力耦合分析，得到滚圈上的疲劳危险位置及 其应力的周期变化状况。利用局部应力一应变法对滚圈的疲劳寿命进行了计算。 论文针对滚动接触工作模式下的疲劳预测方法进行了研究。对2 0 0 4 年6 月河南氧化铝厂托轮断裂事故做了现场勘察，并进行了疲莞断口的取样。通过 对断口试样在扫描电镜( s e m ) 下的微观形貌分析，结合事故现场中断口的宏 观特征分析，提出了一种在滚动接触中疲劳损伤累积与裂纹发展演变的新模型。 基于该模型，依据国内外较为成熟的疲劳分析方法，基于非线性疲劳损伤理论， 选择循环滞回能作为损伤参量，推导了构件在滚动接触模式下的新的损伤累积 以及疲劳寿命预测公式，由此大大简化了传统方法中的计数模型以及求解过程， 使疲劳寿命计算的便捷性和准确性得以提高。 通过对4 组试件，万次以上循环的破坏性试验，得到滚圈材料单位体积总 剪切迟滞回能的大小的疲劳寿命参量，并以此参量为基础，利用本论文中的接 触疲劳寿命计算公式验算滚圈的疲劳寿命。 关键词：回转窑滚动接触疲劳疲劳断口分析应力一应变法疲劳损伤 a b s t r a c t ) r o t a r yh l l l i st h ek e ye q u i p m e n ti nm e t a l l u r g y , c h e m i s t r ya n d a r c l l i t e c t u m lm a t e r i a l s ot h es a f e t ya n de f 五c i e n c yo fi t so p e r a t i o ni st h e c r u xt oa d v a n c ee c o n o m i cb e n e f i to fs u c he n t e r p r i s e s k i l l l ss u p p o r t i n g p a r t , t y r e sa n dr o l l e r s ，a r ew o r k i n gi nt h es t y l eo fr o l l i n gc o n t a c t a n d m a i n t e n a n c er e c o r d i n gs h o w st h a tt h e yb o t ho f t e nf 酗1a tt h et i m ew h e ni t i sm u c hs h o r t e rt h a nt h e i re x p e c t i n gl i f e o nw | o r _ s e t h es u d d e nf a i l so f t h e mc a r lb eag r e a tt h r e a t e nt ow o r k e r s l i v e so nt h eo p e r a t i n gb r i d g e ， a n dw h a t sm o r e si tw i l lc a u s et h eb r e a ko ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，h e n c e g r e a tp r o d u c t i v i t yl o s e s t ot h ep r o b l e m , i nt h ep a p e r , f a t i g u el i 侥o fak i l nt y r eh a sb e e n r e e v a l u a ：t e d b a s e do nt h es t u d yt ot h em e c h a n i s mo fp r o c e s s i o no ft h e t y r e - r o l ls t r u c t u r e sr o l l i n gc o n t a c tf a t i g u e ( r c f ) ，an e we n g i n e e r i n g m e t h o dh a sb e e np r o p o s e do fc a l c u l a t i n gt h ef a t i g u el i f et h er o l l i n g s u p p o r tp a r t s 1 1 l en e w m e t h o dh a st h et r a i t so fh a v i n gd e f i n i t ep h y s i c a l p r o c e s s i o n , l e s sm i d d l es t e p sa n de a s i e rw a yo fg e t t i n gp a r a m e t e r , e t c f a t i g u ee x p e r i m e n th a sb e e nc a r r i e do u ta n dc o n c l u s i o n sa b o u tt h e s t a b i l i t ya n da c c u r a c yo f t h em e t h o dh a v eb e e na c h i e v e d s t a r t i n gf r o mt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h et y r e s s t r e s s d i s t r i b u t i o nw i t ht h ef e ms o f t w a r e ，a n s y s ，a n dt h ed a t ao ft h et y r e s t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n , a n dt h r o u g hh e a t - f o r c e c o u p l ea n a l y s i s ，t h e l o c a t i o n so ft h ed a n g e r o u sp o i n t sa n dt h e i rv a r i o u sr u l ei nac y c l e w i t l l s t r e s sa n ds t r a i na n a l y s i st ot h ef a t i g u el i 岔o f t h ec e r t a i nt y r e t h er e s u l t s h o w st h a ti t sf a t i g u el i r ei sa b o u t3y e a r sl o n g t od i r e c ta tt h ep r e d i c t i o nm e t h o do ff a t i g u el i f eo fu n d e rt h e s p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n , a l lo n - t h e s p o t r e s e a r c hw a sm a d ea n d s p e c i m e n sf o rs c a n n i n ge l e c t r o n m i e r o s c o p yw e r eo b t a i n e da tt h es p o to f t h ef r a c t u r ea c c i d e n to f t h er o l l si nc h a l c 0h e n a nb r a n c hi nj u n e 2 0 0 4 m a c r o s c o p i cf r a c t o g r a p h y o ft h ec r a c k sa sw e l la s m i c r o s c o p i e f r a c t o g r a p h yo f t h es p e c i m e n s w i t hs e mh a sb e e nm a d ea n dan e wm o d e l o fe x p l a n a t i o na b o u th o wt h ed a m a g ec u m u l a t e sa n dh o wt h ec r a c k e v o l v e so ft h et y r e - r o l ls t r u c t u r eu n d e rr o l l i n gc o n t a c tc o n d i t i o n b a s e d o nt h em o d e l ，a n do nr e f e r e n c eo f m a t u r em e t h o do ff a t i g u ea n a l y s i s ，a i i n e wf o r m u l ah a sb e e nd e v e l o p e do fp r e d i c t i n gt h ef a t i g u e l i f eo ft h e s t r u c t u r e so fr o l l i n gc o n t a c tw h i c h b a s e do n r e c y c l i n gr a t c h e te n e r g ya n d n o l i n e rd a m a g et h e o r y t h r o u g hf a t i g u ee x p e r i m e n tw i t h 4g r o u po fs p e c i m e n sa n do v e r1 0 t h o u s a n dc y c l e s ，k i l nt y r e sf a t i g u ep a r a m e t e ro ft h eo v e r a l ls h e a r i n g r a t c h e te n e r g yw a so b t a i n e d b a s e do nt h ep a r a m e t e r ，f a t i g u el i f eh a v e b e e nc a l c u l a t e dw i t ht h er c fl i f ep r e d i c t i o nf o r m u l a k e yw o r d s ： r o t a r yk i l n , r c f ，f r a c t o g r a p h y ，s t r e s s a n ds t r a i n a n a l y s i s ，d a m a g e 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：兰堕吐月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 够劫 硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 在建材、冶金、化工、环保等许多生产行业中，广泛使用回转圆筒设备对固 体物料进行机械、物理或化学处理，这类设备被称为回转窑。回转窑属于回转 圆筒类设备，小角度倾斜安装，以低速回转。运行时，物料从窑的高端( 又称 窑尾端) 加入；燃料由窑的低端( 又称窑头端) 喷入，烟气由高端排出；随着窑 简体的回转，窑内物料在沿周向翻滚的同时沿轴向移动；物料在移动过程中， 通过与热气流的逆流换热而得到加热，经过物理与化学变化，成为合格产品从 低端卸出，基本结构示意图如图卜l 所示大型回转窑在工业生产企业中属重 要设备，其良好运行是保证生产正常进行的关键。 e a 燃烧器b 窑头罩c 滚圈d 简体e 窑尾罩f 托轮( 支承装置) 图l 1回转窑基本结构示意图 大型回转窑一般由4 档或5 档托轮支承，其机械部分可以看作一个重载、大 扭矩、多支点系统。滚圈是回转窑的主体部件。它是一个活套在筒体上的厚圆 环。滚圈如果发生故障需要更换，则需要切开简体，不仅延误生产，而且需要耗 费大量的资金和人力。因此，滚圈的特殊位置决定了它需要有足够长的使用寿命 ( 一般需要超过1 5 年) 。 滚圈的特殊位置，也使它成为回转简体部分与支承托轮之间载荷传递的“桥 梁”。简体、窑衬、物料等所有回转部分上千吨的载荷都需要通过4 档或5 档滚 圈传递到托轮上。同时，回转窑内部的高温会透过隔热层传递到滚圈的内表面， 硕士学位论文第一章绪论 使得滚圈内、外表面的温差达到3 0 0 。c 左右。因此，在高载荷应力与热应力的 双重作用下，滚圈( 特别是截面形状复杂的箱形滚圈) 的工作应力非常复杂。 在这种情况下，滚圈疲劳失效的事故时常发生。例如，中铝河南氧化铝厂的维 修纪录显示，该厂近2 0 年来，其3 。窑3 档滚圈平均3 、4 年就需要补焊裂纹，近 期更是多次开裂。滚圈开裂的复杂维修过程大大降低了回转窑的运转率，给企业 带来了巨大的经济损失。因此，需要对滚圈的疲劳失效现象进行细致的研究， 以保证滚圈在服役期间的正常使用。 滚圈在正常运行中，处于滚圈一托轮滚动接触的工作状态。现场经验发现， 这种工作状态下，滚圈和托轮常常在远未达到预期寿命的情况下发生断裂事故， 而托轮的使用寿命更是只有2 3 年。目前，现有的疲劳理论尚无针对该工况下 构件疲劳寿命的工程实用计算方法。 中国铝业股份有限公司河南分公司氧化铝厂有4 台焙烧氧化铝熟料的回转 窑。该公司每年用于回转窑的滚圈、托轮的检修费用近百万元，窑的最高运转率 仅为8 2 。该公司为了解决熟料窑滚圈开裂问题，减少设备维修、维护费用，提 高回转窑运转率，于2 0 0 3 年立项“熟料窑滚圈开裂防治对策研究”，委托中南大 学进行研究。这该项目于2 0 0 4 年初结题完成。 本论文依托这一项目，对滚圈的常规疲劳强度，以及滚圈一托轮滚动接触 疲劳的损伤演化机理作了研究；并在此基础上，结合疲劳损伤累计分析方法，针 对滚圈一托轮高度程式化的工作模式，提出了一种适于回转接触构件疲劳寿命计 算的实用算法。实验证明，该算法可以提高滚动接触疲劳寿命预测的可靠性和准 确性，具有一定的工程应用价值。 1 2 课题研究意义 首先，对滚圈疲劳寿命的研究有助于冶金，水泥等工业生产企业的安全生产 以及经济效益的提高。疲劳断裂事故，常常以机械故障中最危险的形式出现。回 转窑筒体部分重达上千吨，滚圈或托轮的突然断裂所造成的巨大振动，会严重威 胁回转窑天桥上工作人员的人身安全。另外，回转窑大型设备，是冶金、水泥工 业生产企业的核心设备，滚圈或托轮的机械故障，会导致整个生产流程的中断。 大中型回转窑，停产一天通常引起数十万元的生产损失；发生一次托轮断裂事故， 不仅需更换托轮的维修费二十余万元，而且造成数百万元的生产损失。回转窑是 在内部一千多度的高温下运行，停窑冷却和启动前的升温就需要数天。而滚圈或 托轮突然断裂引起的故障性停窑造成的经济损失是正常停窑检修的数十倍。一台 2 硕士学位论文 第一章绪论 大型回转窑每年由此便可造成上千万元的损失。目前，由于回转窑滚圈热态运行 时的应力状态不清楚，滚圈的维护没有理论的指导，对滚圈开裂事故无法采取有 效措施进行防治。因此，本论文的研究是急现场所需，找出滚圈开裂的深层原因。 对于保证冶金、水泥等工业生产企业的安全生产和经济效益的提高有着重要意 义。 其次，对回转窑滚圈疲劳破坏机理的研究，有利于抓住导致滚圈疲劳断裂 的因素中的主要矛盾，使研究成果在现场中得到更广的应用。回转窑作为水泥、 冶金企业的关键设备，同时也作为上一代立窑等陈旧生产设备的更新替代设备， 已越来越多地应用于工业生产企业中。我国回转窑自动化生产技术也发展得很 快，但总的来说我国目前的回转窑应用技术和装备水平还相当落后【1 1 1 3 1 。目前， 对回转窑运行和维护，不同的企业有不同的措施，且大都依赖工人的经验知识。 这种现象要求我们对回转窑的研究不能只停留在分析、计算、校核上，而是需要 对回转窑做更为细致的机理方面的分析，找到现场频繁事故中的主要矛盾及其规 律，寻找能够针对现场某一频繁出现的事故的预测方法和防治对策。这样就可以 将研究成果推广应用于冶金、水泥工业生产企业中的所有的回转窑，从而改变企 业过分依赖经验办事的现状，对回转窑进行科学的维护。 第三，对“滚动接触疲劳寿命计算方法”的研究，可以应用于其它滚动支 承结构中疲劳寿命预测。在冶金、建材、化工等生产行业中广泛使用的筒式干燥 机、冷却机、篦选机、水合机等设备，都属于多支承回转机械。本论文所得到滚 动接触疲劳的破坏的损伤演变过程和寿命预测公式，对该类机械设备具有普遍的 适用性。 1 3 课题研究现状 在滚动支承的接触疲劳方面，国内研究较少。美国和日本由于机械工业基 础雄厚、资金充裕，在此方面已经做了较多的研究工作。m i n g f e n g 年1 k y o s u k e 3 1 在研究滚动接触对接触区应力状态的影响中，提出利用将静接触的力学方程与运 动学方程以及粗糙接触、混合润滑、日j 隙变形、平衡条件等方程联立起来，利用 数值算法，求解接触区的应力状态的方法，得到圆柱滚子轴承的滚子与外圈滚动 接触时，滚子的受力状态。j o n a sw r i n g s b e r 9 1 7 1 在研究滚动接触疲劳模型中，提 出将塑性有限元分析与疲劳关键平面模型相结合的方法，选择滚动接触面下方的 最大剪切应力所在平面为疲劳关键平面，提出了最大疲劳临界值模型，并进行了 双碟对滚试验验证。j e f e r n a n d e zr i c o 【1 4 1 等人做了不同的润滑条件对滚动接触 硕士学侍论文 第一章绪论 疲劳寿命的影响的研究，并进行了润滑液对表面裂纹高压扩张作用的电镜实验分 析。y o s h i t s u g uk 蛐u m l 2 】研究了滚动接触造成的接触区的粘连与滑移对滚轮疲劳 强度的影响，并结合a s m e 的实验数据，拟合了牵引系数、摩擦系数对疲劳寿命 影响的曲线。s g l o d e z f l 8 】提出了有限元法分析滚动接触面下裂纹扩展的模型。美 国内华达州大学的y a n y a oj i a n g 1 9 l 提出了利用多轴应力一应变塑性模型，将剪切 应力与拉压应力相结合，计算关键平面的临界疲劳有效应力的新算法模型。 研究回转窑主体部件的应力应变规律，掌握易发生应力集中的危险部位， 是对回转窑进行优化设计和合理维护的关键。2 0 世纪9 0 年代，随着有限元理论 和计算机技术发展，国内外开始采用有限元方法对回转窑主体部件进行分析。 b r o b e r g 、b o u z a k i s l 2 0 2 1 1 通过对回转窑简体的有限元分析，研究了根据应力应变 确定简体维修维护计划的原理，改变了以前靠温度检测反映简体局部损伤的方 法。我国东南大学、东北工学院、武汉工业大学、天津水泥工业设计院、南京水 泥工业设计院等科研院所，都进行了应力应变的有限元分析与测试研究。但对于 复杂结构的箱型滚圈，特别是综合考虑温度变化和载荷作用下，对回转窑滚圈的 有限元分析，国内外尚无此类研究。 工程构件疲劳损伤，早期大部分研究是针对于航空、航天方面。随着现代 企业对生产安全与可靠性的要求的提高，疲劳分析方法已经越来越广地应用于各 行各业。东南大学采用对疲劳危险部位焊接构件建立三维有限元模型，施加符合 桥梁实际工况的载荷与位移边界条件的方法 3 4 1 ，对大跨度桥梁在交通荷载作用 下，关键焊接构件的局部热点应力和相应的疲劳损伤累积进行了研究。 在疲劳机理以及损伤演变过程分析方面，许多学者针对不同的失效形式进 行了研究。西北工业大学徐颖耐”i 在博士学位论文“循环载荷下接触安定问题的 数值方法及工程应用”中，以接触体安定分析与接触表面层疲劳裂纹萌生寿命预 测一般算法研究为手段，研究了航空齿轮表面强化层失效的机理，并提出了齿轮 表面强化层裂纹萌生寿命的预测方法。 在工程构件疲劳损伤的参量选择上，近年来也出现很多新的研究。浙江大学 【3 3 】曾选择金属材料的电阻率作为损伤参量，提出一种基于损伤累积理论的疲劳损 伤演化模型。对金属材料的电阻率和电子元件构成属性对构件的电阻损伤参量作 了初步探索性的研究。 1 4 研究内容与研究方法 4 硕士学位论文第一章绪论 1 4 1 研究内容 论文以形成滚圈一托轮滚动接触疲劳的寿命预测的理论与方法为目标，以 大型回转窑支承构件滚动接触疲劳研究为选题，对回转窑滚圈的疲劳寿命， 滚圈一托轮滚动接触疲劳机理以及寿命计算方法开展了系统的研究。主要包括如 下5 个方面的研究内容： ( 1 ) 滚圈可以简化为热力耦合作用下的复杂截面的厚圆环。滚圈内外层温度 不均引起的热应力与滚圈受载荷作用的应力处于同一数量级，因而是一个需要考 虑的因素。本文对滚圈进行了热力耦合分析，用类比法得到滚圈在一个工作循环 中疲劳热点的应力变化状况，并以此作为滚圈疲劳分析的载荷谱。 ( 2 ) 由于常规分析的普遍适用性与滚圈一托轮滚动接触疲的特殊工况不符 合，因此，本论文针对此特殊工况的疲劳预测方法进行研究。首先就2 0 0 4 年6 月1 6 日中铝河南氧化铝厂矿北托轮断裂事故做了现场勘察，进行有关滚圈一托 轮接触疲劳失效状况的初步分析，并进行了疲劳断口的取样。通过现场勘察托轮 的铸造质量，断口的宏观特征，以及试样的扫描电镜实验，得出了滚圈一托轮滚 动接触疲劳失效损伤累积与裂纹演变的模式。 ( 4 ) 基于伤演分析的结论，本论文依据国内外较为成熟的疲劳分析方法，选 择循环滞回能作为损伤参量，参考了h a l f o r d - - m o r r o w 损伤模型m 4 7 i ，a m z a l l a g 损伤模型 4 s l ，y a n y j i a n g 的滚动接触疲劳模型1 1 9 1 以及e l l y i n 关于玛辛特性下滞 回能计算的“主骨架”模型1 5 0 l ，基于n m 纽马克等提出的非线性疲劳损伤理论 i s l ，推导出了滚圈一托轮接触模型下的新的损伤累计以及疲劳寿命预测公式。由 于该公式针对性强，且要求以实验数据作为参数，因此较常规方法在可靠和准确 性上有很大的提高。 ( 5 ) 最后，为了得到实验参数以及检验疲劳预测公式的准确性，本论文进行 了疲劳实验研究。通过对4 组试件，万次以上循环的破坏性试验，得到关于公式 相关计算参量的获取以及公式寿命预测可靠性方面的结论。 1 4 2 研究方法 本论文首先利用通用有限元分析软件建立箱型滚圈模型，进行热力耦合分 析，得到滚圈的三维应力分布状况。结合滚圈维修纪录分析了滚圈上的疲劳危险 位置。利用a n s y s 软件中沿路径映射( p 舢) 的方法，得到了滚圈在运行中， 这些疲劳危险位置的应力变化曲线( 载荷谱) 。利用常规的疲劳分析方法，对滚 圈上的两处疲劳危险位置进行了疲劳分析。鉴于常规方法对滚圈的疲劳分析结果 的跳跃性较大，模型差异较大，分析过程中运用近似参数的现状，本文提出，为 5 硕七学位论文第一章绪论 了找到滚圈疲劳破坏的深层原因，找到比应力一应变法分析中的拉压应力更为准 确的疲劳有效应力，需要对滚圈一托轮滚动接触这种特殊的运行模式，进行滚动 接触疲劳( r c f ) 损伤演化过程分析本论文从伤演分析中得到滚圈、托轮的疲 劳模式，并运用能量法和n m 纽马克提出的非线性疲劳损伤理论对每一疲劳循 环过程中的疲劳损伤量进行了计算，对比试验数据中该材料的疲劳韧性，得到一 个寿命预测公式。对公式进行了工程应用修正，以及有关粘连滑移造成的平均应 力的修正。最后基于相似原理进行了试件疲劳试验研究，得到公式的各项参数值， 并对公式的计算结果进行了验证。 1 5 相关理论基础 1 5 1 常规的疲劳寿命计算方法 统计表明，机械构件的断裂事故中，有8 0 9 6 以上是由金属的疲劳引起的【9 】。 对工程构件疲劳寿命的估算方法研究一直受到广泛的重视。传统的疲劳寿命校核 方法是名义应力法，即以s - n 曲线为基础，以零件和构件的名义应力为参数，计 入有效应力集中系数，尺寸系数、表面系数等参数的影响，用曼纳( m i n e r ) 法则 进行累计损伤计算，由此估算出寿命。该方法按名义应力进行抗疲劳设计，而实 际上，决定零件疲劳强度和寿命的是应力应变集中处的最大应力和应变。 1 5 2 局部应力一应变法 局部应力一应变法开始于2 0 纪7 0 年代，现已广泛应用于各个行业。国内外 普遍认为，这是一种估算低周疲劳寿命( 裂纹形成寿命) 的好方法。研究表明， 不论是低周疲劳还是高周疲劳，其失效的本质都是局部循环塑性变形的累计损伤 结果。因此，采用材料的应变一寿命曲线( 6 - n 曲线) 代替应力一寿命曲线( d w 曲线) 、用循环3 - c 曲线代替单调的0 - 8 曲线进行寿命估算，理论上更合理，而 且可以把低、高周疲劳统一起来描述。 局部应力一应变法基于对构件危险部位的局部应力一应变响应进行了弹塑 性分析，抓住了疲劳损伤的基本要素一塑性变形，计入了载荷顺序的影响，从而 提高了寿命估算精度。因此，无论从理论上还是从应用角度来说，局部应力应变 法都比名义应力法更为合理和完善。 局部应力应变法包含以下3 方面的内容： ( 1 ) 循环计数 6 硕士学位论文第一章绪论 循环计数的目的是将复杂的载荷一时间历程分解为一系列载荷循环，以便进 行损伤累积计算。对载荷进行计数的方法很多。由于雨流计数法具有明确的物理 意义，能正确反映了材料的记忆特性，所以得到了最广泛的应用1 8 】。 经雨流法计数可以发现，载荷谱是由相互迭加的迟滞循环组成，如图1 - 2 所 示。由材料的迟滞回线和n e u b e r 曲线即可求得给定名义应力下所对应的局部应 力一应变响应。即通过求解下列方程组，可得局部应力一应变循环的应力幅口。、 应变幅乞、平均应力仃。、平均应交厶、弹性应变分量和塑性应变分量s 。 甜：型 e 仃fd 弋。 弘面+ i 别 出：幽 e 丝2 = 丝2 e + ( 爿2 k 。 l ( 1 1 ) 式中，s 、a s 分别为名义应力和名义应力范围； 。 仉a 仃分别为局部应力响应和局部应力响应范围； & a 占分别为局部应变响应和局部应变响应范围； k 、行材料常数，分别为循环强度系数和循环应变硬化指数： e 材料的弹性模量； 墨，有效应力集中系数，本论文计算中取k 。，k 为结合本课 题的实物结构情况对疲劳强度影响系数修正后的综合影响系数。 邑 卸 - r 棚 形7- 直变瞿 一i 憾 ” 。 沙 图1 2 迟滞回线 ( 2 ) 材料常数 低周疲劳的6 个材料参数( f 、拧、6 、“弓、町) 是滚圈进行局部应力一 7 硕士学位论文第一章绪论 应变法分析计算的前提和依据。对于特定的材料最好采用实测值，鉴于疲劳试验 获得一些材料参数需要大量长时问的破坏概率试验，因此，对于材料参数的获取， 可以参考材料疲劳特性手册，使用类推和插值的方法获取近似值。 本论文中，由于以有限元方法算出的局部应力为其真实值，因此真实应力 集中系数聪= 盯s = 1 ；真实应变集中系数髟= c s = l 。 对于材料的铸造缺陷，在参考国内外对大型铸件疲劳计算的实例后，对诺 伯公式进行针对性的改进。引入铸造缺陷系数k ：，将诺伯法则作如下修正，用 k ，的数值来量化评定铸造质量的水平。 口，2 = 群髟k 。， ( 3 ) 损伤计算 目前，局部应力一应变法中最常用的损伤公式有以下几种： r w 兰德格拉夫认为，损伤由乞与a 占p 的比值来控制，可推导得每个局部 应变为占( = 乞+ 占。) 的应变循环造成的损伤为： l n 概刳焉u e ，s 。) 计入平均应力的影响，得修正后的损伤公式为： 专= 协瓦a s p 剖矗 n e 道林等人认为，以过渡疲劳寿命，为界，当巳 乞时，应该以塑性应变 分量为损伤参量，此时损伤公式为： l n 甜 is 。 当占。 乞时，应该以弹性应变分量为损伤参量，损伤公式为： 专 剖i 若考虑平均应力的影响进行修正，则有： 专文割i l 5 3 金属断口分析 ( 1 ) 金属断口实验分析方法 8 硕士学位论文 第一章绪论 材料断裂的原因，受材料的种类、受力条件和环境等因素的影响，要想完 全清楚是非常困难的。但是实际发生的断裂事故是宝贵的实物检验的资料，有必 要彻底地调查研究。零件的断口是真实的记录断裂过程的重要资料。根据断口的 观察，能够知道断裂的方式、起点和裂纹扩展过程等。特别是近年来使用电镜观 察断口，可以得到特别精确的断口微观物理形貌，不仅可以用于推断断裂原因， 而且可以研究断裂机理。 断口的观察方法，宏观分析须以肉眼或放大镜观察，微观分析则须电镜等 仪器进行观察。宏观观察便于判断断口的整体，但所得结果是往往是较为片面的。 在某些情况下。原因的分析可能有错误。例如高强度材料，疲劳断裂、脆性断裂、 延滞断裂等宏观上显示类似的形态，难以识别。与此相比，微观的观察，特别是 用电镜观察断口，可以同断裂机理对应起来观察，得到的结果是客观的，分析的 精度也高。但由于视场微小，难以在较大范围内系统地观察，以局部的断裂形式 来判断整体是有危险的。 ( 2 ) 金属断口的裂纹形态 疲劳裂纹的发生与发展过程如图1 - 3 所示，分三个阶段，不同阶段在断口 上呈现不同的特征。第一阶段是剪切形裂纹，特别是无缺陷或无应力集中的情况， 裂纹在滑移带中发生，并沿滑移带的主滑移面伸展。第二阶段裂纹的发展沿垂直 主应力的方向，称为拉伸形裂纹。这个阶段裂纹是按每一个加载周期往前发展， 所以，断口呈疲劳特征的图像宏观上呈贝壳状，微观上呈疲劳条纹、轮胎纹 等。第三阶段是裂纹发展的最终阶段，呈静载断裂。裂纹是拉伸型，传播不稳定。 断口的方向有剪切型、垂直型，根据材料不同还有颊缩形断裂，同韧性断裂一样， 断口上可以观察到韧窝。宏观的疲劳断口一般由疲劳裂纹传播区与静载断裂区两 部分组成。疲劳裂纹传播区比较平滑呈贝壳状。静载断裂区断面租糙，凹凸不平， 有些情况下断口的四周还呈所谓锯齿形图案，疲劳裂纹常常不在一个地方发生， 而是在好几个地方同时发生，然后合并而成。 疲劳断口有几个不同的微观特征图形，这些微观特征是判断是否是疲劳断 裂的良好手段。最典型的微观图形称作疲劳条纹，如图卜4 所示。它随着裂纹的 扩展而形成。疲劳条纹在铁、钢、铝、铜等多种金属中可见。摩擦痕也是疲劳断 口上常出现的一种形态，和轮胎纹形成过程一样，是裂纹相对的两个断面相互揉 搓产生的伤痕，因而同轮胎纹并存，并且方向相同的情况是比较多的。 1 5 4 滚动接触疲劳机理 对于滚动摩擦对接触区应力分白的影响，n i t a n a i 在对“切向牵引力对滚 动接触疲劳( r c f ) 的影响”专题研究中，提出了滚动接触造成的粘连滑移对接 9 硕士学位论文第一章绪论 埘 图1 3 裂纹的发展图图1 4 疲劳裂口扩展的一种解释 触区表面以下应力分布状况的影响。他提出：在表面以下，深度与接触区宽度参 数a 之比为0 5 处，是接触剪切应力峰值处，该值的大小随牵引系数的降低而降 低。 对于滚动摩擦对滚轮疲劳寿命的影响，可以参考y o s h i t s u g uk i m u r a 的对滚 动接触疲劳寿命的研究 2 1 。他通过图卜5 所示的实验设备得到有关粘连滑移对应 接触疲劳寿命与滚轮表面粗糙度、牵引系数等参数的关系。 图1 5y o s h i t s u g u 滚动接触疲劳实验设备 1 5 5 现有累积损伤的理论 损伤累积基本理论是分析研究构件寿命的基础。对于连续损伤力学来说，当 完成损伤变量的定义之后，就转入求损伤的演化方程，然后就可以求得构件的失 效寿命。对循环载荷来说，可以根据损伤的临界值，按照一定的损伤累积计算法 则，求出构件的失效寿命。 目前，已有的损伤累计理论有几十种，概括为三种类型：线性累计损伤理论、 修正线性累计损伤理论和非线性累计损伤理论。 ( 1 ) 线性累计损伤理论 线性累计损伤理论是指在循环载荷作用下，损伤值线性叠加，各个应力之间 相互独立，互不相干。当叠加的损伤值达到某一临界值时，构件发生破坏。最常 1 0 硕+ 学位论文第一章绪论 用的线性累计理论是m i n e r 理论。 m i n e r 损伤累计理论可以表述为： 当昙= l ，时构件发生破坏。 式中，n 一构件己工作的循环周次； n 一为构件失效时的循环周次； l 一损伤临界值的概率平均值。 由于线性损伤理论没有考虑载荷的顺序效应及载荷的超载效应，使理论计算 值往往和实际寿命值有很大的差别。 ( 2 ) 修正线性累计损伤理论 为了克服线性损伤理论的缺陷，许多人提出了修正的线性理论。如， c o r t e n - d o l a n 理论。该理论从损伤的物理概念出发，导出二级载荷下的寿命表达 式，然后进行实验验证，在此基础上将二级载荷下的基本关系推广到多级载荷情 况。在多级载荷下的寿命计算公式为： m = 研l 詈l ，l 式中：l 为最高应为s 作用下的恒幅失效表命，a t 为应力s 下的周次在总 周次中所占的比例，d 为由二级载荷实验确定的材料常数。 ( 3 ) 线性累计损伤理论 n e w m a r k 非线性累计损伤理论是基于损伤具有循环相关性的试验发现，即 在等幅对称循环下，构件的每个循环的损伤量随着循环次数的增加而增加。 n e w m a r k 等人通过试验总结出损伤d 与循环比n n 具有幂指数律的规律。 d o c ( n l n ) 4 式中，n n 为循环比，a 为常数。 但是，应该注意到，无论哪种损伤理论，都是根据损伤基本概念，通过材 料试验确定出寿命预估公式的形式以及公式中的系数。这类基本关系中的系数没 有明确的物理意义，同时一种公式仅适用于某类材料及某种形式的加载方式。 硕士学位论文第二章基于局部廊力一戍变法的滚圈疲劳寿命分析 第二章基于局部应力一应变法的滚圈疲劳寿命分析 滚圈是大型的回转支承构件，它的疲劳失效从工作状态上看，有其自身的 特点。研究滚圈的疲劳，首先需要针对这些特点选择现有较为成熟的疲劳寿命计 算方法，对滚圈进行疲劳寿命计算。通过分析计算结果与现实情况之间的误差， 以及现有方法在计算模型、应力谱分析、参数设置等各个方面与滚圈实际工况问 的差异，才能找出可能出现误差的因素，提出有针对性的改进方法。本章的研究 目标在于找出已有方法解决滚圈疲劳问题的不足之处，为后续研究提供方向。 2 1 滚圈的结构及其工作状态、工作环境 2 1 1 滚圈的结构 滚圈为一厚圆环，在水泥窑中称之为轮带，是回转窑的主体部件之一。回转窑简 体、窑衬、物料等所有回转部分的重量，都要通过滚圈施加到托轮上。滚圈的自 重也达到数十吨。从图2 - 1 中可以获得滚圈在简体上的相对位置以及的大小( 与 人参照) 的直观映像。 图二1 滚圈位置及其大小示意 1 2 硕士学位论文第二章基于局部应力一应变法的滚圈疲劳寿命分析 滚圈按截面形式可分为矩形、箱形、剖分式。矩形滚圈截面是实心矩形、 整体结构，因此铸造裂缝少，铸造缺陷不突出。箱形滚圈截面形状复杂，内部分 布许多孔和空腔，截面形状复杂，铸造中易产生裂缝等缺陷，但该结构在不降低 简体刚度的情况下，节约了材料。因此大型回转窑一般使用箱形滚圈【l ”。 滚圈分固定式和活套式连接两种。固定式连接是将简体的短节与滚圈焊接在 一起，这种结构简体的截面抵抗变形能力较好，但由于回转窑起停时简体和滚圈 的温差变化大，产生较大热应力，易产生“颈缩”现象。活套式连接是将滚圈松 套在筒体上，简体和滚圈之间采用焊接式垫板来连接，目前回转窑简体和滚圈基 本上是采用活套式连接方式。 本文研究对象是大型回转窑滚圈，因此以中铝河南氧化铝厂3 4 回转窑箱形截 面、整体铸造滚圈为对象进行疲劳分析。该型滚圈在内圈表面沿径向有两道沟槽， 它将孔分成3 段，将空腔隔为两半；周向分布有3 2 x 3 个孔，3 2 x 2 处空腔， 3 2 x 2 块肋板，截面复杂。该结构中包含多个结构复杂的倒角、圆弧；如图 2 - 2 所示。 图2 2 滚圈结构示意图 2 1 2 滚圈的工作状态与工作环境 一7 5 。t l 在筒体、滚圈、托轮构成的回转窑支承系统中，滚圈位于中间位置， 起到传递载荷的作用。每档滚圈由两个托轮支承。两托轮分别与筒体截面 的竖直中心线成3 0 。夹角。滚圈内径比筒体外径稍大，使滚圈与筒体在下 半周相接触，上半部分留有间隙。筒体在摩擦力的带动下随滚圈转动。滚 圈外圈与托轮接触，受到两个托轮的支承，并通过摩擦力带动两托轮转动。 简体、滚圈、托轮三者位置关系如图2 3 所示。 滚圈、托轮三者位置关系使滚圈受力状态如图2 3 所示，内圈受到分 布力，外圈受到两个支反力。i n o u e k 认为，滚圈对筒体的接触压力按余 硕士学位论文第二章基于局部应力一应变法的滚圈疲劳寿命分析 弦规律分布阳。目前，在推导活套滚圈对筒体的接触压力分布规律时，通 常认为简体跨间载荷对滚圈与筒体横截面的微元产生一个垂直的均布载 荷，因而活套滚圈与简体的接触压力分布为复合曲线洲。 y if， 垴，毋1 ，i _ 妒、 n n 图2 - 3 滚圈静力状态 回转窑是在内部高达1 0 0 0 。c 以上的条件下工作，内部的高温会透过 隔热层传到滚圈的内表面，使滚圈内圈温度很高。而滚圈的外表面暴露在 空气中，且与相对较冷的托轮表面相接触，温度较低。造成了滚圈内热外 冷状态。内圈受热膨胀，受到外圈的限制，会产生内应力，因此，在分析 滚圈的应力状态时，温度对滚圈应力状态的影响不容忽略。 为了得到滚圈的温度数据，本论文采用对中铝河南氧化铝厂回转窑滚 圈进行实地测量的办法。利用红外测温枪对滚圈内外壁进行温度测量，每 一位置测量3 次，取平均值，得到该厂2 # ，3 。窑滚圈的温度如表2 - 1 所示： 表2 1 滚圈内外圈温度( 单位：。c ) 位置l 档2 档3 档4 档 内圈 1 8 02 9 02 3 02 0 0 3 外圈8 0 9 51 l o7 7 内圈 2 2 02 0 02 0 01 7 0 矿 外罔 6 09 41 0 09 0 由表中数据可知，滚圈内圈的温度在2 1 0 。c 左右，外圈温度在1 0 0 。c 左右。内外圈温差约为1 0 0 。c 。 为了考察温度沿滚圈圆周分布状况，对3 4 窑2 档、3 档滚圈进行测 温。以滚圈最低位置为起点，以转动方向为正方向，共测量了8 个位置。 1 4 硕士学位论文第二章基于局部应力一应变法的滚圈疲劳寿命分析 对于滚圈内外圆周，内圈温度相差约1 0 。c ，外圈温差约2 3 。c ，因此可以 认为温度在滚圈内、外圈沿圆周方向为均布。 2 2 滚圈受力状态的有限元分析 2 2 1 有限元模型的建立 本课题研究中的限元分析，采用参数化语言( a p d l ) 的方法进行几何建模。 a p d l 是一种解释性语言，可以根据参数来建立大型分析模型，其参数化、函数、 循环等特性扩展了a n s y s 的分析能力，a p d l 可控方案的建立可以提高结果的 可重复性和工作效率。 由于对称性，将滚圈沿如图2 - 3 所示的y 轴剖分，再沿厚度方向中截面剖分， 按实际尺寸建立剖分后的滚圈1 4 体单元模型。为了计算的准确性，忽略滚圈截 面上的倒角，保留孔、空腔等细部结构。模型的的几何尺寸参数如下； 滚圈外径r l = 5 5 2 0 咖； 滚圈内径r 2 = 4 7 2 0 m m ： 外圈宽度b j = 3 7 5 m m ； 内圈宽度b 2 = 5 2 5 m m ： 外圈厚度h l = 1 5 0 m m ； 内圈厚度n 2 = 8 0 m m ； 侧孔直径r e k = 3 2 m m ： 隔板厚度月j ) _ 8 0 m m 。 材料参数设置如下： 弹性模量e _ 2 1 0 g p a ； 图2 4 滚圈的有限元模型 泊松比p r x y = 0 2 ： 重度d e n s = 7 8 0 0 0 n m ； 热涨率a i j x = 7 0 。 按以上参数建立滚圈1 4 模型如图2 _ 4 所示。 单元设置方面，滚圈热分析采用三维实体单元s o l i d 9 0 ，为六节点四面体单 元，热力耦合分析时，s o l i d 9 0 单元自动转化为s o l i d 9 5 。 在网格划分上，由于滚圈细部结构多，因此采用自由网格划分。 在加载和约束上，首先加载温度边界条件，进行热应力分析。再按滚圈内表 面按滚圈与筒体接触的情形，从最低点到最高点载荷呈余弦变化施加结构载荷， 硕士学位论文第二章基于局部应力应变法的滚罔疲劳寿命分析 取档位力为3 3 5 6f f e 2 5 。在滚圈一托轮接触的位置进行位移约束。 2 2 2 滚圈的热应力分析 根据2 1 中对滚圈所处的环境分析，取滚圈的外表面1 0 0 。c ，内表面2 0 0 。c 进行有限元热分析，可得到滚圈的温度场分布