篦冷機(jī)是水泥廠熟料燒成系統(tǒng)中的重要主機(jī)設(shè)備，其主要功能是對(duì)水泥熟料進(jìn)行冷卻、輸送；同時(shí)為回轉(zhuǎn)窯及分解爐等提供熱空氣，是燒成系統(tǒng)熱回收的主要設(shè)備，同時(shí)它是一種能使物料驟冷式設(shè)備。熟料由回轉(zhuǎn)窯燒成后進(jìn)入篦冷機(jī)，均勻平鋪在篦冷機(jī)上，并在篦板上鋪到一定厚度，鼓入的冷空氣，以相互垂直的方向穿過(guò)篦床上運(yùn)動(dòng)著的料層使熟料得以驟冷，可在短時(shí)間內(nèi)將熟料由1300～1400℃驟冷到100℃以下，達(dá)到冷卻的效果。

第三代篦冷機(jī)的存在充氣梁設(shè)計(jì)加工不合理，導(dǎo)致堵塞；篦冷機(jī)急冷效果差，熟料出口溫度高，熱回收效率低；篦板梁變形、活動(dòng)框架梁變形甚至斷裂等問(wèn)題。研究者對(duì)第三代篦冷機(jī)存在的問(wèn)題進(jìn)行了研究。例如，通過(guò)將第三代篦冷機(jī)二段傳動(dòng)改為三段傳動(dòng)，取消活動(dòng)充氣梁供風(fēng)結(jié)構(gòu)的方法優(yōu)化風(fēng)機(jī)配置，提高了冷風(fēng)穿透能力。結(jié)果表明，改造后的出窯熟料溫度降至100℃以下，余熱發(fā)電提高30000kWh/d。

第四代篦冷機(jī)是一種熟料堆積在槽型活動(dòng)充氣篦床上，隨活動(dòng)篦床運(yùn)動(dòng)向前輸送，冷風(fēng)透過(guò)料層冷卻。篦床運(yùn)動(dòng)形式，多列篦床同時(shí)推出，單列篦床輪流退回，形成物料有效輸送，采用步進(jìn)式原理輸送效率達(dá)到80％。與三代推動(dòng)篦式冷卻機(jī)的最大區(qū)別是:熟料輸送與熟料冷卻是兩個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，互不影響，大大減少了篦板的磨損。

每列篦床相互獨(dú)立，篦床間隙由縱向密封條采用迷宮形式密封，縱向密封相互沒(méi)有接觸，控制間隙2mm，下部有托輪支撐，活動(dòng)梁在托輪上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。液壓傳動(dòng)的篦冷機(jī)，活動(dòng)篦板推動(dòng)熟料的作用力，最終作用在固定液壓缸的關(guān)節(jié)軸承銷軸座上，在液壓缸推拉力的反復(fù)作用下，帶動(dòng)篦床運(yùn)動(dòng)。

活動(dòng)篦床是第四代篦冷機(jī)的研發(fā)的難點(diǎn)之一。篦冷機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)承載物料的壓力、冷卻風(fēng)力、篦床與物料摩擦力、液壓缸推力和拉力等多個(gè)復(fù)雜作用力。多個(gè)力的作用下，活動(dòng)篦床會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形，甚至變形過(guò)大出現(xiàn)斷裂和扭曲。在多個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了活動(dòng)縱梁前部上翹變形或者活動(dòng)縱梁后部上翹變形的情況。甚至還有現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)連接處變形或斷裂。

針對(duì)篦冷機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的變形問(wèn)題，本文以三段活動(dòng)篦床三維模型為基礎(chǔ)，利用數(shù)值方法分析了活動(dòng)篦床在不同位置施加載荷時(shí)的最大應(yīng)力和最大位移。結(jié)果表明多個(gè)位置同時(shí)施加均等動(dòng)力比在單個(gè)位置施加載荷以及多個(gè)位置施加非均等載荷具有更低的應(yīng)力集中和變形。本文的研究可為第四代篦冷機(jī)的優(yōu)化和更新提供理論基礎(chǔ)。

用SOLIDWORKS對(duì)第四代篦冷機(jī)活動(dòng)篦床進(jìn)行建模，并將其導(dǎo)人到商用有限元軟件ABAQUS中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。第四代篦冷機(jī)活動(dòng)篦床的網(wǎng)格畫(huà)分如圖1(a)所示。

圖1 第四代篦冷機(jī)活動(dòng)篦床

本文采用的是10節(jié)點(diǎn)的二次四面體C3D10單元，對(duì)于一個(gè)獨(dú)立的活動(dòng)篦床，劃分的總網(wǎng)格數(shù)為1069355，總節(jié)點(diǎn)為1934461。在數(shù)值計(jì)算中所使用的模型材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3。數(shù)值模型中活動(dòng)篦床的約束和載荷如圖1(b)所示。

在活動(dòng)篦床的上部施加0.05707MPa的均布?jí)毫Υ媸拥膲毫Α?/span>并在其頂部施加0.028535MPa的均勻剪切代替活動(dòng)篦床與石子之間的摩擦。在活動(dòng)篦床的滾動(dòng)托輪處限制其在y方向的位移，x與z方向可自由位移。每組活動(dòng)篦床有3個(gè)活動(dòng)梁液壓缸支座。在數(shù)值模型中作用在3個(gè)活動(dòng)梁液壓缸支座上的力分別為P₁、P₂以及P₃。作用在3個(gè)活動(dòng)梁液壓缸支座上的合力為14925N，即:

P₁+P₂+P₃=14925N(1)

在本文中，我們將合力分為3份，并對(duì)P₁:P₂:P₃的值為3:0:0，0:3:0，0:0:3，2:1:0，2:0:1，0:2:1，1:2:0，1:0:2，0:1:2，1.5:1.5:0，1.5:0:1.5，0:1.5:1.5以及1:1:1共13種情況下活動(dòng)篦床的應(yīng)力及位移進(jìn)行分析。

3.1 載荷變化對(duì)活動(dòng)篦床受力影響

圖2給出了上述13種載荷下篦床的最大應(yīng)力。在比較中我們將載荷形式分為4種，第一種，所有載荷作用于1個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座，共三種情況；第二種，載荷作用于2個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座，且兩個(gè)載荷的比值為2:1，共六種情況；第三種，載荷作用于2個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座，且兩個(gè)載荷的比值為1.5:1.5，共三種情況；第四種，載荷作用于3個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座，且兩個(gè)載荷的比值為1.5:1.5，共一種情況。

從圖中我們不難看出，載荷作用于一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座時(shí)，活動(dòng)篦床的最大應(yīng)力最大，載荷作用于兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座時(shí)，最大應(yīng)力次之。且可以看出兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座作用同樣大小的載荷時(shí)，其最大應(yīng)力小于不同大小的載荷作用時(shí)的最大應(yīng)力。當(dāng)將載荷平均作用于3個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座時(shí)，其最大應(yīng)力最小，是所有13種載荷情況下的最優(yōu)解。

圖3給出了P₁:P₂:P₃的值為0:3:0、1:2:0、1.5:1.5:0以及1:1:1共4種載荷下篦床的應(yīng)力分布。這四種情況分別為圖2中四種情況中的典型代表。從圖3中我們不難看出，對(duì)于所有的載荷情況，應(yīng)力都集中于施加載荷的液壓缸驅(qū)動(dòng)底座附近，且最大應(yīng)力基本都在液壓缸驅(qū)動(dòng)底座上面。而沒(méi)有施加載荷的液壓缸驅(qū)動(dòng)底座上面幾乎沒(méi)有應(yīng)力集中。

3.2 載荷變化對(duì)活動(dòng)篦床變形影響

圖4給出了上述13種載荷下篦床的最大位移。從圖中我們不難看出，整體上載荷作用于一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座時(shí)，活動(dòng)篦床的位移最大，載荷作用于兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座時(shí)，最大應(yīng)力次之。當(dāng)將載荷平均作用于3個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座時(shí)，其最大應(yīng)力最小。與最大應(yīng)力不同，當(dāng)載荷作用于一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座時(shí)，作用于第一個(gè)底座的位移是三種情況中最小的，而作用于第三個(gè)底座的位移是三種情況中最大的。當(dāng)載荷作用于兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座時(shí)，同樣大小的載荷與不同大小的載荷其最大位移變化不大。在三個(gè)底座作用同大小的載荷時(shí)，其位移基本是最小的，只比P₁:P₂:P₃等于1.5:0:1.5時(shí)的最大位移稍大。

圖5給出了P₁:P₂:P₃的值為0:3:0、1:2:0、1.5:1.5:0以及1:1:1共4種載荷下篦床的位移分布。與圖3類似，這四種情況分別為四種典型情況。當(dāng)P₁:P₂:P₃的值為0:3:0時(shí)，最大正位移發(fā)生在活動(dòng)篦床的最左邊，而最大負(fù)位移發(fā)生在施加載荷的液壓缸驅(qū)動(dòng)底座上，見(jiàn)圖5(a)。當(dāng)P₁:P₂:P₃的值為1:2:0時(shí)，最大位移發(fā)生在施加載荷的液壓缸驅(qū)動(dòng)底座上，見(jiàn)圖5(b)。當(dāng)P₁:P₂:P₃的值為1.5:1.5:0以及1:1:1時(shí)，最大位移似乎也發(fā)生在施加載荷的液壓缸驅(qū)動(dòng)底座附近，但沒(méi)有明顯的位移集中現(xiàn)象，見(jiàn)圖5(c)和5(d)。

綜合考慮施加不同載荷時(shí)活動(dòng)篦床的應(yīng)力和變形，可以發(fā)現(xiàn)，在每個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座都安裝液壓動(dòng)力系統(tǒng)，且受力相對(duì)均勻時(shí)，應(yīng)力集中和變形都減小，是最佳選擇。

針對(duì)篦冷機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)力集中和變形問(wèn)題，本文以三段活動(dòng)篦床三維模型為基礎(chǔ)，利用數(shù)值方法分析了活動(dòng)篦床在不同位置施加載荷時(shí)的最大應(yīng)力和變形。動(dòng)力載荷分3份作用于三個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)底座，并根據(jù)作用于三個(gè)底座的載荷的比值分為13種情況。結(jié)果表明多個(gè)位置同時(shí)施加均等動(dòng)力比在單個(gè)位置施加載荷以及多個(gè)位置施加非均等載荷具有更低的應(yīng)力集中和變形。在所有情況下應(yīng)力和變形基本集中在液壓缸支座與活動(dòng)梁的連接處，所以設(shè)計(jì)中可對(duì)此位置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，例如將直角連接改為圓孤連接以減少應(yīng)力集中。

作者:張開(kāi)耀，徐紅福，劉偉，沈孝忠，王敬然

來(lái)源:《中國(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司(南京)》

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