铸铁烘缸有限元分析和结构优化设计
铸铁烘缸结构、材质要求及泄漏解决方案
关键词：造纸机；烘缸；结构；材质；泄漏；措施Key words: paper machine; dryer; structure; material; leakaging stoppage; solution铸铁烘缸结构、材质要求及泄漏解决方案⊙ 徐庆洋（山东世纪阳光纸业集团有限公司，山东潍坊 262400）The structure, principle and material requirement for cast iron dryer and its measures to leakage⊙ XU Qing-yang (Shandong Century Sunshine Paper Group Co., Ltd., Weifang 262400, Shandong, China)中图分类号：TS734+.4; TS755文献标志码：B 文章编号：1007-9211(2019)22-0049-03徐庆洋 先生助理工程师；负责纸机日常运行管理工作。
目前主流大型纸机烘缸直径规格通常为φ1500～φ1800m m。
为降低成品纸水分含量，工厂通常用增加烘缸数量[1]、提升蒸汽压力等措施来实现。
烘缸作为Ⅰ类压力容器，正常使用维保尤为重要。
1 基本结构造纸机用铸铁烘缸主要包括：缸体（根据使用工况选择是否镀铬/喷涂）、缸盖（分含轴头一体式及不含轴头的分体式）、旋转接头（虹吸管、视镜）、扰流棒（车速较高时选择）、轴承室组件等。
电厂锅炉蒸汽经分汽包至闪蒸罐再由旋转接头通入在烘缸内部进行冷凝，缸体被加热，从而烘干纸页。
高速纸机常用其他辅助干燥设备如红外线干燥设备等。
烘缸内部蒸汽冷凝后形成冷凝水集聚，烘缸运行过程中形成水环，水环的产生极大地影响导热效率。
通常金属热导率＞固体热导率＞液体热导率＞气体热导率，如：30℃水的热导率为0.62W/(m .K），53℃铸铁的热导率为48W/(m .K)。
法国科学家傅立叶于1822年提出的热力学定律：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比PRoDucTion49Nov., 2019 Vol.40, No.22China Pulp & Paper Industry例于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反[2]。
关于造纸机用铸铁烘缸定期检验的几点分析
关于造纸机用铸铁烘缸定期检验的几点分析摘要：造纸机用铸铁烘缸这类脆性材料压力容器,是国家质检部门严格监控的机械设备,其设计与制造质量则是保障安全生产的关键所在。
在造纸机用铸铁烘缸使用过程中要做好针对性进行定期检验和安全评定，才能确保烘缸的安全运行。
关键词：铸铁烘缸定期检验安全评定耐压试验随着国民经济快速发展，造纸机械近年来也出现了快速发展势头，国内年产铸铁烘缸已达几千只，且水平参差不齐，泄漏、断裂、爆炸等事故屡有发生。
铸铁烘缸在使用中易产生裂纹，尤其是凸缘部位（小R过渡区），该部位几何形状突变易造成应力集中，有限元计算显示该部位应力最大，且为轴向应力，这与检验实际发现的缺陷相符，在用烘缸检验的重点也是检测该部位是否产生裂纹。
因此，在铸铁烘缸定期检验过程中，要针对其特殊性进行检验，确保烘缸的安全运行。
1 铸铁烘缸的概况某纸业公司1台运行10年的烘缸，设计压力0.3MPa，最大工作压力0.2MPa，设计温度143℃，最高工作温度120℃，外形尺寸φ1500mm×2900mm，缸体厚度25mm，介质为饱和蒸汽，材质为HT200。
2 定期检验2.1宏观检查主要检查内表面有无严重的腐蚀、磨损、缩孔、疏松、砂眼等缺陷；外表面有无裂纹、机械损伤、腐蚀等缺陷。
同时可借助5～10倍放大镜对有怀疑部位进行检查，必要时可用渗透探伤检测。
2.2壁厚测定用铸铁超声波测厚仪对缸体测厚时，测量前先进行标准试块标定。
因为灰铸铁内部有大量的片状石墨，对超声波有反射作用。
对烘缸内、外直径进行测量，求出平均厚度，再用超声波探伤仪CTS-22进行复核。
实测最小壁厚为21.5mm。
2.3无损检测使用磁粉探伤检测烘缸的各个部位，主要检测缸体的法兰、螺栓孔附近、轴肩、轴头等部位。
发现缸体表面有三处表面裂纹，最长为16mm。
2.4硬度测定缸体外径不大于2m时，缸面硬度不小于170HB；缸体外径大于2m时，缸面硬度应大于190HB，且缸面两端硬度差不大于18～24HB。
基于有限元方法的液压缸结构优化设计
σＤ
ꎻ
[ σＤ ]
(３)
ｆ３ ( ｘ) ＝
σｄ
ꎻ
[ σｄ ]
(４)
式中 Ａ 为缸体截面积ꎬσ Ｄ 为缸体受到的应力ꎬ[ σ Ｄ ] 为缸体材料的许用应力ꎬσ ｄ 为活塞杆受到的应力ꎬ
[ σ ｄ ] 为活塞杆材料的许用应力ꎮ
１. ３ 总目标函数
总目标函数为
ｆ( ｘ) ＝ ω１ ｆ１ ( ｘ) ＋ ω２ ｆ２ ( ｘ) ＋ ω３ ｆ３ ( ｘ) ＝ ω１ Ａ ＋ ω２
[ 中图分类号] ＴＨ１３７. ５１ [ 文献标识码] Ａ
液压缸作为液压传动系统中最常见的一种液压执行元件 [１] ꎬ广泛应用于各类工程机械中ꎬ其性能
的好坏ꎬ直接影响到机械设备的工作性能和使用寿命ꎮ 目前ꎬ传统的液压缸设计是凭经验建立初始设计
方案ꎬ然后采用结构力学的方法对零件的结构强度、刚度和稳定性进行校核与分析ꎬ对不符合要求的地
２０１９ 年 １０ 月 陕西理工大学学报( 自然科学版)
第 ３５ 卷第 ５ 期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈａａｎｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ)
Ｏｃｔ. ２０１９
( 陕西理工大学 机械工程学院ꎬ 陕西 汉中 ７２３０００)
[摘 要] 为了减小液压缸的重量ꎬ提高产品使用寿命ꎬ对某型号液压缸进行了静力学仿真ꎬ
得到了液压缸的变形、应力参数ꎮ 优化设计时以缸体内孔半径、缸体壁厚、活塞杆半径尺寸参
数为输入参数ꎬ液压缸的变形、应力、质量为输出参数ꎬ通过 ＡＮＳＹＳ 软件仿真分析获得了液压
１. １ 设计变量
设计变量为
ｘ ＝ [ Ｄδｄ] ꎬ
(１)
ｆ１ ( ｘ) ＝ Ａꎻ
铸铁烘缸常见缺陷成因分析及在线检测
铸铁烘缸常见缺陷成因分析及在线检测李文炜;狄刚;范文佳【摘要】Based on more than 3,400 tests on cast iron dryers in Hangzhou area, an ultrasonic testing technic with longitudinal wave double-crystal probe was established. With this technic the volume defects were identified through testing the air holes, shrinkage cavities and inclusions in the dryer cylinder and small R transition zone with longitudinal wave double crystal probe at a small angle (5°), and the plane defects of deep cracks were found through testing the dryer cylinder and small R transition zone with longitudinal wave double crystal probe at a large angle (42°). It provided the solution to the issues of how to use the thickness measurement in regular online testing cast iron dryers to calculate their strength or compare with the design value, how to adjudge the low hardness value, how to determine the key parts foe online testing, how to conduct safety assessment of the cast iron dryers with small cracks.%在对3400余台铸铁烘缸检测研究的基础上,提出了基于纵波双晶探头的铸铁烘缸超声波检测技术.通过对铸铁烘缸简体和小R过渡区的气孔、缩孔、夹杂采用纵波双晶小角度探头(5°)检测,发现体积型缺陷；对铸铁烘缸简体和小R过渡区裂纹采用纵波双晶较大角度探头(42°)检测,发现深裂纹类平面缺陷.解决了在线检测中铸铁烘缸常规检测项目测厚值强度计算或与设计对比的问题、对硬度值偏小的判定问题、在线检测重点部位的确定问题、对含小尺寸裂纹缺陷铸铁烘缸安全运行评估的确定问题,从而成功解决了在用铸铁烘缸检测的难题.【期刊名称】《中国造纸》【年(卷),期】2012(031)003【总页数】6页(P30-35)【关键词】造纸;铸铁;烘缸;缺陷;成因;检验【作者】李文炜;狄刚;范文佳【作者单位】杭州市质量技术监督局,浙江杭州,310006;杭州市质量技术监督局,浙江杭州,310006;华东师范大学,上海,200062【正文语种】中文【中图分类】TS734造纸铸铁烘缸是造纸设备中非常关键的主要构件，烘缸与烘缸间的空间较为狭小，大部分烘缸端盖外还有封板，造纸企业为了车间整洁、节能等因素，往往将干燥部封闭起来，且造纸生产一般为连续工作工况，使得烘缸难于及时检修 (见图1)。
烘缸计算报告
CALCULATIONS FOR GRAY CAST IRON DRYING CYLINDERS OF PAPERMAKING MACHINERY材料为灰铸铁的造纸机烘缸的计算ASME code year: 2010美国机械工程师协会标准：2010Contract：合约：Cylinder Diameter: shell length:烘缸直径：3660mm 缸体长度：3100mmMaximum Design Pressure:0.75 Mpa最大设计压力：0.75MpaMaximum Working Pressure:0.68 Mpa Hydrostatic Test Pressure:1.5Mpa最大工作压力：0.68Mpa 静水压试验压力：1.5MpaShell Material: SA-278 CLASS 45 GCIHead Material: SA-278 CLASS 45 GCIJornal Material: SA-395 CLASS 60-40-18Stay Material: SA-278 CLASS 45 GCI缸体材料：SA-278 CLASS 45 GCI缸盖材料：SA-278 CLASS 45 GCI轴头材料：SA-395 CLASS 60-40-18五通材料：SA-278 CLASS 45 GCIDryer Safety Analysis烘缸安全性能分析Summary摘要A detailed stress analysis was completed to calculate the critical design and operating stresses in this dryer manufactured of Gray Cast Iron(GCI). The general design stress requirements for GCI are specified in the ASME Pressure V essel Code, Section Ⅷ, Division 1, under section UCI. Additionally , section U2(g) indicates that when specific instructions are not available in the ASME Code for safe allowable stress limits, the manufacturer is responsible for establishing the necessary analysis, design and manufacturing processes that meets the intent of the ASME Code to use appropriate methods that produce a safe design, of which entail empirical and theoretical considerations.Utilizing mature analysis tool, such as the Finite Element Method(FEM), a very detailed analysis algorithm was followed to confirm that this dryer met the empirical and theoretical safe operating guidelines. It is concluded from the analysis result that the design of this dryer meets all the specific and general guidelines of the ASME Code in Section Ⅷ,divisionⅠ.完成了材料为灰铸铁和球墨铸铁烘缸的应力计算分析，考虑了设计中临界工况和烘缸在运行中的工况。
基于有限元方法的汽车发动机缸盖结构分析
基于有限元方法的汽车发动机缸盖结构分析汽车发动机是汽车行驶的核心部件之一，而汽车发动机的性能与其各个零部件密切相关。
其中，汽车发动机的气缸盖作为发动机中的重要零部件之一，对于发动机的性能和可靠性起着至关重要的作用。
本文将通过基于有限元方法的汽车发动机气缸盖结构分析，探讨其设计和优化。
1. 汽车发动机气缸盖的功能及特点汽车发动机的气缸盖是一个位于汽缸体上方的零件，其作用是封闭汽缸腔，承载气缸压力和温度变化，同时保证发动机的密封性和冷却效果。
由于汽车发动机工作时需要承受高温高压的工况，气缸盖的材料选择和结构设计至关重要。
2. 有限元方法在汽车发动机气缸盖结构分析中的应用有限元方法是一种常用的结构分析方法，适用于求解复杂的结构力学问题。
在汽车发动机气缸盖结构分析中，有限元方法可以通过建立三维模型、设置边界条件和加载条件等，得到不同工况下气缸盖的应力分布和变形情况。
这可以为气缸盖的设计和优化提供有力的依据。
3. 汽车发动机气缸盖的材料选择汽车发动机气缸盖的材料选择直接影响其性能和可靠性。
常见的气缸盖材料包括铸铁、铝合金等。
不同材料在强度、成本和重量等方面存在差异，因此需要根据具体要求和预算进行选择。
4. 汽车发动机气缸盖的结构设计与优化在气缸盖的结构设计与优化中，考虑到发动机工作时的热膨胀和热应力，需要合理选择结构形式和材料。
同时，还需要充分考虑到不同工况下气缸盖的应力分布和变形情况，以提高其强度和刚度，保证其工作的可靠性和稳定性。
5. 汽车发动机气缸盖的疲劳分析汽车发动机气缸盖在长期工作过程中容易产生疲劳问题，因此需要进行疲劳分析。
通过有限元方法建立疲劳分析模型，可以预测气缸盖的寿命，并通过优化设计和改善材料来延长其使用寿命。
综上所述，基于有限元方法的汽车发动机气缸盖结构分析是一项复杂而重要的工作。
通过对气缸盖的功能、特点、材料选择、结构设计与优化以及疲劳分析等方面进行综合考虑和分析，可以帮助汽车制造商和工程师更好地设计和改进发动机气缸盖，提高汽车发动机的性能和可靠性。
铸铁烘缸检验策略的制定
铸铁烘缸检验策略的制定随着科技的发展和工业的不断进步，烘缸成为了现代工业生产中不可或缺的一部分。
烘缸是指将物料或产品置于热源之下，进行加热干燥的过程。
烘缸的设备种类繁多，其中铸铁烘缸是一种广泛使用的设备。
铸铁烘缸具有结构简单、可靠性高、使用寿命长等优点，因此被广泛应用于化工、食品、医药等行业的生产过程中。
然而，铸铁烘缸在使用过程中也会出现各种问题，例如温度不均匀、热风流量不稳定等，这些问题会直接影响产品的质量和生产效率。
因此，制定一套科学的铸铁烘缸检验策略对于保证产品质量和提高生产效率具有非常重要的意义。
一、检验铸铁烘缸的物理参数铸铁烘缸的物理参数包括温度、湿度、热风流量等多个方面。
在制定检验策略时，需要首先测量这些参数，以便于评估设备的性能和稳定性。
首先是温度。
温度是烘缸中最关键的参数之一。
在进行温度检验时，可以使用温度计或红外线测温仪等工具进行测量。
在测量时需要注意测量位置的选择，以便于获得更加准确的数据。
其次是湿度。
湿度是指烘缸中的水分含量。
在制定检验策略时，需要测量烘缸中的湿度，以便于评估设备的干燥效果。
常用的测湿仪有湿度计和水分仪等。
最后是热风流量。
热风流量是指烘缸中的空气流量。
在制定检验策略时，需要测量烘缸中的热风流量，以便于评估设备的通风性能。
常用的测量工具有热风流量计等。
二、检验铸铁烘缸的运行状态除了物理参数之外，铸铁烘缸的运行状态也是需要检验的重要方面。
在检验运行状态时，需要注意以下几点：首先是烘缸的温度均匀性。
铸铁烘缸的温度均匀性是影响产品质量的重要因素之一。
因此，在检验时需要注意烘缸中温度的分布情况，以便于发现温度不均匀的问题。
其次是烘缸的热风流量稳定性。
热风流量的稳定性直接影响烘缸的干燥效果。
在检验时需要注意热风流量的变化情况，以便于发现热风流量不稳定的问题。
最后是烘缸的噪音和振动情况。
噪音和振动是铸铁烘缸运行过程中的常见问题。
在检验时需要注意烘缸的噪音和振动情况，以便于发现设备的故障和缺陷。
发动机缸体浇注系统设计及优化
发动机缸体浇注系统设计及优化铸造杂志今天摘要通过对Ｌ12缸体进行三维造型，并结合AnyCasting软件设计浇注系统，对铸造工艺进行优化。
采用先封闭后开放式（直浇道的阶梯式）浇注系统，浇道比为ΣS直:ΣS横:ΣS内=1:2.7:10.5。
小批试制的300件缸体毛坯经加工之后未发现缩孔缩松、气孔和夹砂等缺陷。
统计数据表明Ｌ12缸体废品率由53%降至4%，产品质量明显提升。
1 发动机缸体的几何特征及建模图1为L12缸体的三维图。
可以看出，该型号发动机缸体毛坯的结构非常复杂，其表面是由很多比较复杂的曲面和凸台构成，内腔结构也很复杂。
在三维造型软件里完成L12缸体工艺中包括冒口在内的铸件和浇注系统的三维造型设计，铸件、浇注系统、冒口等需在软件里完成装配，装配好的部件在导出的时候应分别以STL格式导出。
图1 发动机缸体三维图2 铸造方案设计及优化图2为实体属性及模具设置过程。
铸件、砂型、型芯、冷铁和冒口等多个部分已在AnyCasting中进行定义，铸件采用合金铸铁，砂型、型芯材料为树脂砂，冷铁材料为灰铸铁，冒口材料为合金铸铁。
铸件与铸件的传热系数设置为50，铸件与砂型、型芯的传热系数设置为500，铸件和型芯的冷却方式为空冷。
冒口有型腔和溢流槽两种用途，起补缩和溢流作用。
在AnyCasting中还需要设置砂型类型，箱体设置为砂型，进一步定义铸件距离箱体各壁面之间的距离、砂型的厚度和浇注平面，确保浇口杯的上表面与浇注平面保持平齐。
图2 实体属性及砂型设置过程铸造模拟软件中网格划分是最重要的一个环节，会对最终的模拟计算结果产生最直接的影响。
采用局部划分即建立可变网格的设置方法，根据L12发动机缸体毛坯的结构特点，在经过不断的分析及修改后，最后划分为50 062 313个网格。
模拟L12发动机缸体的充型、凝固过程并进行预测。
这些设置不仅对计算结果正确与否起着确定性的作用，而且有利于预测缩孔缩松产生的位置和大小。
结合铸造工艺手册，采用先封闭后开放式浇注系统，浇道比为ΣS直∶ΣS横∶ΣS内=1∶2.7∶10.5，S直=S阻=21.78 cm2，计算出ΣS横=58.5 cm23 模拟及分析3.1 原方案充型过程的模拟分析形状复杂的L12发动机缸体，存在壁厚不均、加工面多等特点，这就要求金属液充型时须快速、均匀、平稳、不卷入杂质，减少铸造缺陷，进行浇注系统设计时要充分考虑金属液的流动，而带反直浇道的阶梯式浇注系统可以实现此类要求。
基于ANSYS的烘缸应力分析与结构优化
铸铁烘缸是造纸生产中烘干纸张的不可或缺的压 力容器。它的主体部分主要由缸体、端盖和转轴组成。 端盖部分可分为操作侧端盖和传动侧端盖，其中操作 侧缸盖开有人孔并且配人孔盖，结构与受力比较复杂， 因此建立一种简单有效的有限元分析方法来指导结构 设计是十分必要的［1-2］。在造纸厂，烘缸在运行过程中 需承受较高的温度和压力，一些结构不连续的区域比 较容易出现开裂等问题，造成设备无法安全有效的工 作［3-5］。鉴于上 述 问 题，张 锋 等［6］ 分 别 研 究 了 凸 形 缸 盖与凹形 缸 盖 对 烘 缸 整 体 应 力 的 影 响。 薛 文 佳［7］ 通 过优化设计缸盖的曲率半径，调整缸盖厚度以及平滑 过渡区域等方法来减小应力集中。众多研究结果［8-9］ 表明对于宽幅烘缸，应力危险区域主要分布在缸盖与
缸体联接处、缸盖人孔处的环带以及缸盖与轴毂联接 处。笔者以直径为 3 660 mm、设计压力为 0． 8 MPa、设 计温度为 181 ℃ 的烘缸作为研究对象，采 用 有 限 元 ANSYS 软 件，并 按 JB 4732—1995 （ 2005 年 确 认） 与 QB / T 2556—2008《造纸机械用铸铁烘缸设计规定》中 第 5． 9 条中的要求进行整体应力分析计算与评定。通 过对其应力较大区域进行结构优化设计，使得烘缸的 最大应力满足应力强度要求，可为今后烘缸的设计提 供一定的参考价值。
徐祖进，季思园，苏文献
（ 上海理工大学 化工过程机械研究所，上海 200093）
摘 要： 针对高压铸铁烘缸在实际工作过程中其结构不连续区域容易出现断裂破坏等问题，课题组提出了利用有限元软
件 ANSYS 对烘缸整体进行应力分析，得知烘缸的应力强度最大点位于轮毂与缸盖的联接处； 采用增大轮毂与缸盖联接
处过渡圆角半径的方法进行有限元分析，结果表明： 该方法可有效地降低烘缸联接处不连续区域的最大应力，可使烘缸
缸体缸盖整体解决方案(3篇)
第1篇一、引言随着我国汽车工业的快速发展，发动机作为汽车的核心部件，其性能和可靠性对整车的性能有着决定性的影响。
缸体和缸盖作为发动机的骨架，承担着支撑、密封、散热等重要功能。
因此，优化缸体缸盖的设计，提高其性能和可靠性，对于提升发动机的整体性能具有重要意义。
本文将从缸体缸盖的结构设计、材料选择、加工工艺、装配与维修等方面，探讨缸体缸盖的整体解决方案。
二、缸体缸盖结构设计1. 结构优化（1）缸体设计缸体作为发动机的骨架，其结构设计应满足以下要求：1）足够的强度和刚度，保证发动机在工作过程中的稳定性和可靠性；2）合理的结构布局，降低发动机内部零部件的重量和惯性，提高发动机性能；3）良好的散热性能，保证发动机在工作过程中的温度稳定；4）易于加工和装配，降低生产成本。
（2）缸盖设计缸盖作为发动机的密封件，其结构设计应满足以下要求：1）密封性能良好，防止气体泄漏，保证发动机的动力输出；2）散热性能良好，保证发动机在工作过程中的温度稳定；3）强度和刚度足够，防止缸盖变形；4）易于加工和装配，降低生产成本。
2. 材料选择（1）缸体材料缸体材料应具有良好的机械性能、耐磨性、耐腐蚀性和良好的铸造性能。
目前，常用的缸体材料有铸铁、铝合金和球墨铸铁等。
其中，铸铁和球墨铸铁具有良好的铸造性能和成本低廉的优点，但机械性能较差；铝合金具有较好的机械性能和散热性能，但成本较高。
（2）缸盖材料缸盖材料应具有良好的密封性能、耐热性能和耐磨性能。
目前，常用的缸盖材料有铸铁、铝合金和复合材料等。
其中，铸铁具有良好的密封性能和成本低廉的优点，但耐热性能较差；铝合金具有良好的耐热性能和散热性能，但成本较高；复合材料具有优异的密封性能和耐热性能，但成本较高。
三、缸体缸盖加工工艺1. 缸体加工（1）铸造采用精密铸造技术，提高缸体的尺寸精度和表面光洁度，降低加工成本。
（2）机械加工1）镗孔：采用高速镗削技术，提高加工效率，保证孔的尺寸精度和表面光洁度；2）磨削：采用精密磨削技术，提高缸体的平面度和圆柱度，保证发动机的密封性能；3）清洗：采用超声波清洗技术，去除缸体表面的油污和杂质，提高缸体的清洁度。
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第31卷第2期2014年6月上海第二工业大学学报JOURNAL OF SHANGHAI SECOND POLYTECHNIC UNIVERSITYV ol.31No.2Jun.2014文章编号:1001-4543(2014)02-0129-05大型高压铸铁烘缸有限元分析和结构优化设计郭光银,杨伟鹏,李学磊,刘晓航,田浩彬(上海第二工业大学机电工程学院,上海201209)摘要:针对大型高压烘缸应力集中和局部位移偏大等问题,运用有限元分析方法,设计了调整侧缸盖和轴毂连接处的过渡圆角、适当增加两边端盖厚度等结构优化方案。
优化结果可使烘缸满足工业生产的需求并符合企业标准的规定。
关键词:烘缸;有限元;应力分析;压力容器中图分类号:TQ051.3文献标志码:A0引言经过各行业科研人员的努力,高压烘缸的研制有了重大的突破,技术逐渐趋于成熟。
在造纸行业中,大型高压烘缸对纸质品质的提升有不可替代的作用,它的应用范围也在不断地拓展,在多纸种的制造上有了较多的应用[1-3]。
但是,在其设计和使用过程中经常会出现烘缸的应力集中和局部位移偏大等问题,导致烘缸不能满足安全生产的要求[4-5]。
针对上述问题,本文以直径3680mm、设计压力0.8MPa 的烘缸为研究对象,运用有限元软件对其结构进行优化设计,以满足标准QB/T2556–2002《造纸机械用铸铁烘缸设计规定》第5.9条中的要求。
1有限元模型的建立为了缩短研制周期,使高压烘缸的设计更快地符合运行中的可靠性和安全性要求,需要一套成熟的有限元分析方法,精确地展现压力作用下高压烘缸结构中应力的集中现象,为科研人员对于结构的改进与优化提供参考。
1.1结构建模∅3680mm×3270mm大型造纸机烘缸的装配图(见图1),由传动侧缸盖、操作侧缸盖、缸体等几部分组成。
外径为3680mm,设计压力0.8MPa,初始设计圆筒壁厚75mm,侧缸盖壁厚80mm。
烘缸整体结构具有轴向对称的特点,为了缩短有限元分析的时间,在建立模型时,取其1/2作为研究对象;根据CAD图纸的结构尺寸,配合参数的严格要求,对操作侧缸盖、传动侧缸盖进行建模,对于轴端两侧非主要结构,根据其结构特点进行简化,例如轴向尺寸缩短,简化阶梯轴,不考虑键槽、螺纹等局部细微结构的影响。
结构建模采用UG6.0软件进行,所建三维模型如图2所示。
1.2网格划分应用UG6.0建立几何三维模型,转化为Para-Solid的∗.x t文件格式,导入ANSYS9.0中获得相应的有限元模型,采用SOLID187四面体10节点实体单元进行网格的自动划分,网格使用smartsize控制,级数选6级,模型的单元数为16743。
1.3材料属性材料采用HT300灰铸铁,弹性模量E =145GPa,泊松比为0.27,抗拉强度σb=300MPa。
1.4边界条件大型高压烘缸的内压和自身结构对强度有重大的影响。
根据QB/T2556-2002《造纸机械用铸铁烘缸设计规定》,烘缸在工作过程中所产生的离心力收稿日期:2013-11-16通讯作者:李学磊(1979–),男,山东即墨人,讲师,博士,主要研究方向为精密制造、特种加工,电子邮箱lixuelei@。
基金项目:上海第二工业大学科研基金项目(No.A20XK11X004)、上海高校青年教师培养资助计划(No.ZZegd12002)、上海第二工业大学校培育学科项目(No.XXKPY1312)资助130上海第二工业大学学报2014年第31卷32703680图1∅3680mm ×3270mm 大型造纸机烘缸装配图(mm)Fig.1Assembly diagram of large-scalepaper making machine’s dryer with the size of ∅3680mm ×3270mm (mm)⪌Ⱀ⥁ⶸⶨⰬ⤺䔘⥁ⶸⶨⰬ图2大型造纸机烘缸三维对称模型Fig.2Three dimensional symmetric model of large-scale papermaking machine’s dryer较小,对于其结构强度的影响小,所以在有限元计算时可以忽略离心力和重力载荷,仅施加内压。
本文施加的内压载荷为0.8MPa,此内压值是标准规定的上限。
施加约束时,传动侧缸盖端和操作侧缸盖端都采用固支,支点选择在两端。
2原始模型有限元分析图3为烘缸von Mises 应力分布图和位移分布图。
从图3(a)可以看出,应力值最大的区域主要分布在侧缸盖与轴毂联接处,局部最大应力值为95.0MPa,而且,侧缸盖和筒身联接的环带区也是应0.4521.4610.96(a) 䇇㑇(b) 㸜䄧m31.9752.9873.9995.0042.4863.4784.5000.136E –030.409E –030.545E 0.818E 030.682E –030.954E –030.001227MPa0.273E –03–03–0.001091图3烘缸von Mises 应力分布图和位移分布图Fig.3Distribution diagrams of von Mises and displacements第2期郭光银,杨伟鹏,李学磊,刘晓航,田浩彬:大型高压铸铁烘缸有限元分析和结构优化设计131力的集中区域,局部应力值在63∼70MPa。
位移最大偏移量集中分布在侧缸盖的中部(见图3(b)),缸体及缸盖其他部分应力值和综合变形相对较小。
参照铸铁烘缸设计规范:灰铸铁HT300的许用拉应力不超过30MPa,烘缸不连续部位最高应力应不大于许用应力的2倍,即60MPa。
由此可知,该设计存在不合理的结构,需进行优化。
3烘缸优化设计计算通过对原始模型的有限元分析发现,烘缸的应力和变形均不满足要求,可能的原因是由于应力集中或者局部结构设计不合理所致。
为验证各优化方案对于烘缸的应力分布和综合变形的效果,本文通过调整侧缸盖和轴毂联接处的结构、侧缸盖和筒身的联接结构以及改变局部位置的厚度等手段来减小烘缸的应力集中等问题,使改进措施更加符合设计规范和使用要求。
3.1内压调整高压烘缸在实际的生产过程中,其内压值的大小直接影响到整个烘缸的应力分布和位移量,可通过内压值的多组数据来统计内压值的降低所引起的应力和位移的波动区间。
该烘缸的预分析内压值为0.6MPa、0.5MPa。
分析结果分别如图4和图5所示,随着内压值的降低,缸体的应力值出现明显的下降。
而缸体的z向位移值依然高达0.614mm,远大于缸体规定的允许位移量。
根据经验,压力的减小必将改善应力和变形,但是,由于两边侧缸盖单方向承受内压作用以及局部结构设计不合理等原因,使烘缸在内压作用下所产生的应力和变形仍然不能满0.348.2216.1023.9831.8739.7447.6155.4963.37MPa图4von Mises应力分布图(0.6MPa)Fig.4Distribution diagram of von Mises(0.6MPa)0.28 6.8513.4219.9826.5533.1139.6846.2552.81MPa图5von Mises应力分布图(0.5MPa)Fig.5Distribution diagram of von Mises(0.5MPa)足使用要求。
3.2结构优化为深入研究侧缸盖和轴毂联接处过渡圆角的大小与该处应力集中的现象,将侧缸盖和轴毂联接处的过渡圆角由80mm增至100mm,再对该模型进行有限元分析。
分析结果显示(见图6),最大应力的分布区域及最大值依然分布在轴毂联接处附近,烘缸其他区域的数据也未发生实质性的改变,局部最大应力高达95.504MPa.0.2010.5620.9331.3041.6752.0362.4072.7783.14MPa图6过渡圆角大小引起的von Mises应力分布Fig.6The effect of transitionfillet to von Mises distribution 3.3厚度调整通过增加应力集中部位的圆角和降低缸体的内部压力,都未能从实质上满足缸体的应力值和位移量的许用值。
上述分析结果显示,缸体的主要应力集中区域在侧缸盖和轴毂联接处,而筒身和转轴的应力值和变形量明显减小。
为验证通过增加侧缸盖的强度来降低压力值和位移量的可行性,采用增加侧缸盖厚度的方法来进行有限元分析。
将烘缸侧缸盖的厚度分别增至100mm(见图7)和130mm(见图8),采用相同的内压作用,对不同模132上海第二工业大学学报2014年第31卷型进行有限元分析后得出以下结论:当缸盖的厚度增加20mm 时,烘缸应力值的下降较小,缸盖的厚度区间在80∼100mm (见图9),曲线趋于平缓,应力值的下降并不明显;而当缸体厚度再增加30mm 时,烘缸的应力值有十分明显的下降趋势,缸体的厚度区间在100∼130mm,烘缸的von Mises 应力有明显的改善,应力值由84MPa 降至54MPa 。
通过有0.399.7119.0228.3337.6446.9556.2665.5874.89MPa图7侧缸盖为100mm 时von Mises 应力图Fig.7Distribution diagram of von Mises with thickness ofcylinder cover of 100mm0.42 6.4312.4418.4524.4630.4736.4842.4948.50MPa图8侧缸盖为130mm 时von Mises 应力图Fig.8Distribution diagram of von Mises with thickness ofcylinder cover of 130mm㸜䄧ⶸⶨ⽒Ⱙ/mm㸜䄧/m m1.41.21.00.80.60.40.20100806040200䇇㑇䇇㑇/M P a80100120140图9缸盖厚度-位移/应力曲线图Fig.9The related curves of cover thickness and vonMises/displacements限元分析结果表明,缸盖厚度的增加对于整个缸体强度增加的差异性由小变大,当厚度较小时,缸盖的厚度变化对其影响较小,而当厚度超过100mm 之后,厚度的继续增加对应力的下降有显著的作用。
但是,缸盖的厚度不能无限制地增加,在质量增加的同时,转动惯量和电机负荷将随之增大;另外,由于烘缸采用HT300灰铸铁,当厚度增加到一定程度时,将导致其石墨化加快,使其机械性能发生明显下降。
4结论本文针对烘缸在设计以及使用过程中出现的应力和变形较大的问题,运用有限元分析的方法,通过更改过渡圆角的大小、改变烘缸的设计压力和增加关键部位的尺寸等手段对其进行了分析,得出以下结论:(1)通过调整内压值进行有限元分析发现,随着内压值的降低,缸体的应力值出现明显的下降,但是缸体的z 向位移值依然高达0.614mm,远大于缸体规定的允许位移量。