钢球磨煤机端盖破裂的有限元应力分析

　　DTM350/600型筒式钢球磨煤机是我国火电厂广泛使用的制粉设备。近年来,这种钢球磨煤机曾发生多起端盖破裂事故,给电厂正常运行造成很大威胁。对球磨机端盖破裂问题,文献[1]、[2]曾做过一些分析研究,文中所采用的单元是板壳元,把端盖视为薄壳结构。考虑到端盖系变厚度壳体,且壳体厚度变化较大的过渡圆角部位,应力集中现象不可忽视,故作者采用SAPV中节点数可变的三维厚壳元对端盖进行了计算分析。

　　1　计算模型及网格划分

　　钢球磨煤机筒体结构如图1所示。考虑筒体结构组件自重、介质(钢球、煤)重量及离心力的影响,取计算载荷G为1 600 kN,视介质重量沿筒体轴向均匀分布,求得轴承反力

　　受条件所限,模型中未加入筒体,也不计端盖与筒体联接部位的轴向及径向相对位移。视轴承反力按抛物线规律分布。考虑对称条件,取端盖的二分之一部分建立模型(图2)。

　　计算中使用SAPV通用程序,采用单元库中节点数可变的三维厚壳元,单元总数3 544,节点总数5 528。图3为端盖外表面网格划分图,图4为纵向对称截面上过渡圆角部位(危险区域)的网格划分图。原设计图纸在Ⅰ、Ⅱ处加工有过渡圆角,但实际加工时呈直角,为了与实际情况相符,在Ⅰ、Ⅱ处未加圆角过渡。

　　过渡圆角部位环向网格划分同其它部位。简化为按抛物线规律分布的轴承反力(见图2)计算中等效移至相应结点,按结点集中载荷处理。

　　2　计算结果及分析

　　DTM 350/600型钢球磨煤机端盖发生的裂纹大都位于端盖过渡圆角部位中的Ⅰ处。图5为端盖过渡圆角部位纵向对称截面与外表面相交的母线上a,b,c,…,r各点(见图4)的相当应力σr3变化曲线。图6为端盖过渡圆角部位纵向对称截面沿径向线上若干点相当应力变化曲线。由图5可清楚看到端盖过渡圆角部位的应力变化比较剧烈,特别在截面尺寸突然变化的Ⅰ处及Ⅱ处的d3及n3点处应力比较集中。从图6亦可清楚看到在d3及n3点有明显的应力集中。过渡圆角部位的最大相当应力发生在截面尺寸突然变化的Ⅰ处的d3点,其值为:

　　表1列出应力集中点(截面突变处d3及n3点)沿环向随相位角变化时其相当应力值的变化情况。

　　从表1可以看出,钢球磨煤机端盖在工作时随着相位角的变化d3及n3点的相当应力值亦发生剧烈变化,当相位角变化180°时d3点相当应力变化值为:

　　Δσr3=49.69-3.38=46.31 MPa

　　由上述计算结果可以看出,在过渡圆角截面突变处有明显的应力集中,其导致裂纹产生,而交变应力及振动等因素又使裂纹加速扩展,最终使端盖破裂。