一种哑铃型水泥回转窑筒体强度校核

王继光 刘建平

（洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司， 河南 洛阳 471039）

现有的新型干法水泥回转窑的筒体一般为通长的圆柱体结构，早期也有为了增加烧成带发热能力、增加产量的窑头直径扩大型筒体，也有为了降低窑尾风速、提高分解带换热能力的窑尾直径扩大型筒体[1]，还有窑头端和窑尾端直径都扩大型。两端直径扩大型的筒体，外观形似哑铃，通常也成为哑铃型筒体。本文针对一种哑铃型特种水泥回转窑筒体的钢板、耐材、物料等载荷条件，对其筒体钢板弯曲应力进行了校核计算。

1 基本条件

某水泥厂有一台规格为Φ3.3/2.5/3.3X57m 的水泥回转窑，基本参数如下：

喂料量：11t/h

筒体安装斜度：3.5%（正弦）

筒体转速：1.5r/min

支承档数：3

齿圈重量：20t

窑皮分布长度为从出料段15m，窑皮平均厚度200mm

窑尾悬伸段长度9.5m，二三档跨距24m，一二档跨距19m，窑头悬伸段4.5m。

筒体钢板厚度分布如图1 所示，进料端筒节厚度26mm，三挡轮带筒节厚度60mm，齿圈筒节厚度30mm，二三档中间跨筒节及过渡筒节厚度26mm，二档轮带筒节厚度40mm，烧成带筒节及过渡筒节厚度30mm，一档轮带下筒节厚度60mm，出料端筒节厚度30mm。

根据文献[2]中钢板厚度与筒体直径之比为设计经验系数：低温区一般筒节取值0.006，烧成带0.007，轮带下0.015，根据经验系数计算出来的筒体钢板厚度分别为：一般筒节20mm，烧成带23mm，一三档轮带下50mm，二档轮带下38mm，因此该窑筒体钢板厚度均符合厚度要求。

图1 筒体钢板厚度分布图

筒体内部耐火材料载荷分布见图2: 1.进料端黏土砖段长度25.225m，重量平均3.7t/m；2.锥段浇筑料段长6m，重量平均4t/m；3.高铝砖段长4.55m，重量平均3.9t/m；4.烧成带锥段浇筑料段长6m，重量平均4t/m；5.烧成带高铝砖段长度15.225m，重量平均5.3t/m；各段耐材厚度均为180mm。

图2 耐火材料分布图

2 筒体强度计算

2.1 由于回转窑筒体是一种梁结构的低速旋转的设备，斜度较小，因此在筒体强度计算时做以下简化：

(1).将筒体视作圆环截面水平连续梁，不考虑截面变形后对截面模数的影响，不考虑窑斜度的影响；

(2).物料在窑内由于筒体旋转物料重心与筒体轴线不在同一竖直面内，但筒体计算时只计算筒体作为一根连续梁的整体受力，不考虑物料重心对窑轴线的偏移；

(3).由于筒体转速较低，筒体载荷按静载荷计算，筒体在旋转时所受扭矩为筒体内力，在计算强度时不考虑。

2.2 筒体载荷计算

筒体载荷主要分为两类，一类可以简化为沿筒体轴向上的均布载荷：筒体钢板重量，耐材重量，物料重量，窑头结圈重量；另一类是集中在筒体某一位置的集中载荷：三挡支承的支反力，齿圈重力。

2.2.1 筒体钢板单位长度载荷计算qs

单位长度筒体钢板：

式中，qs：单位长度钢板重量，t/m；

D：筒体内径，m；

δ：钢板厚度，m；

2.2.2 物料单位长度载荷qm：

按物料流通量11t/h 计算：物料容重按1.2t/m3 计，进料段内径3.3m 直段处：物料移动速度经验公式：

式中：v,物料在窑内轴向移动速度，m/min；

D，内径，m；

n，筒体转速，r/min；

β，筒体倾斜角度，按3.5%斜度计算值2.00576°；

α，物料自然堆积角，水泥熟料取值35°；

计算物料移动速度为0.84m/min。

计算单位长度物料载荷：

式中：Gm，物料流通量，t/h;

计算得每米物料重量为0.22t，即物料载荷0.22t/m。

同理计算2.5m 内径中间筒节：

物料移动速度为0.61m/min，物料载荷0.3t/m。

窑皮段载荷计算：

窑皮容重按2.0t/m3 计算得窑皮量为：51.6t，平均3.4t/m。

烧成带与出料段3.3m 筒节考虑窑皮后的物料载荷0.25t/m。

将上述筒体钢板、耐材、物料、窑皮载荷简化为筒体各段均布总和，加上齿圈集中载荷，得出筒体各段节的简化载荷，如图3 所示：窑尾悬伸段均布载荷q1=6.36t/m，二三档跨间均布载荷q2=6.31t/m，一二档跨间均布载荷q3=9.45t/m，窑头悬伸段均布载荷q4=12.0t/m，齿圈载荷F1=20t，从窑头到窑尾的三挡支反力分别为R1，R2，R3。

图3 筒体载荷简化图

利用三弯矩方程计算筒体所受的支反力R1=132t，R2=183t，R3=150t。

筒体弯曲应力按薄壁环形截面梁计算，根据各处的筒体厚度计算筒体截面系数：

筒体弯曲应力公式：

计算各处筒体弯曲应力，见下表。

窑筒体弯曲应力计算表

可以看出：筒体最大弯曲应力为27.95MPa，出现在二挡支承轮带下，其次二档圆柱段与进料侧锥段结合处筒体最大弯曲应力22.41MPa，跨间最大弯曲应力12.11 MPa，出现在一二档跨间。

根据文献[4]，筒体的许用弯曲应力值为20MPa，允许个别点为20-25MPa。总体来说一般不应该超过25MPa，因此二档带下的27.95MPa 过大，若将该处筒体钢板厚度改为同一三档一样的60mm 厚度，则弯曲应力下降至18.5MPa，基本上可以接受。

如果将二档进料侧锥段钢板厚度由26mm 增加为30mm，则弯曲应力降为19.4MPa，可以满足设计要求。

3 结论

1.筒体强度在二档轮带下筒节、二档圆柱段与进料侧锥段结合处弯曲应力过大，将二档轮带筒节钢板厚度增至与一三档一致，将二档进料侧锥段筒节钢板厚度增加至与出料侧锥段厚度一致，可以满足设计要求。

2.按筒体经验公式计算的钢板厚度在哑铃型回转窑中部细段时不适用，中间支承处为筒体受弯矩最大处，较小的直径导致的较小的截面模数会加大筒体弯曲应力，因此在设计该类型回转窑时应校核该处的筒体钢板弯曲应力，适当增加钢板厚度以避免该处筒体在交变应力的作用下失效。