立式气化炉炉排结构设计计算及仿真分析

程建军，陈 祎，杨明辉，陆 杰，李 晴，李建国

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000)

机械炉排具有垃圾可连续工作，不需要经常起炉和停炉[1-2]的特点。主要包括往复运动炉排[3]、滚动炉排、水平双向逆动炉排[4-5]以及固定式转动炉排。其中固定式转动炉排主要应用于立式气化炉中，优点是可连续稳定排渣，避免因气化异常情况导致的低温结焦和高温结焦影响进一步气化反应；起到破渣、排渣以及通风为气化炉提供氧气的作用。但固定式转动炉排扭矩的计算以及输入功率的计算一直属于空白内容，本文提出了一种计算方法以及仿真过程分析方式。

和谐度H取值介于0和1之间，和谐度越大，代表系统越和谐，H=1则代表系统处于完全和谐的理想状态；0.8 <1，代表系统和谐状态较好；0.6 <0.8，代表系统基本和谐； 0

在某一固废处理项目中，需要日处理量约为20 t的垃圾，在炉内的垃圾量以及灰渣量保守估计为7 t。设计一款炉排装置，可正常破渣排渣，通入空气辅助燃烧气化，并且对底部渣料进行降温冷却，保证底部渣料温度能够控制在200 ℃以下。该设备的结构部件包括减速电机、锥齿轮、传动齿条、上下两层炉箅子、塔盘、支架、转轴、轴承等结构部件。传动形式为减速电机转动，与减速电机相连接的锥齿轮转动；锥齿轮转动，与锥齿轮相匹配的下层炉箅子转动；下层炉箅子转动，与下层炉箅子连接固定的上层炉箅子和塔盘转动；塔盘位于偏心位置，当炉排转动时，塔盘与炉壁间(金属耐磨板位置)的距离不断变化有利于渣块破碎，保证炉排中的结渣及时的破碎，避免因不能及时排渣而发生进料堵料问题，最终顺利排渣。下面针对转动中扭矩的计算展开详细介绍。

1 固定式转动炉排的结构概述

图1为此固定式转动炉排的结构图。此炉排能完成破渣排渣的功能，其利用空气辅助燃烧气化，并且进一步利用空气对底部渣料进行降温冷却，从而使底部渣料温度控制在200 ℃以下。该炉排包括减速电机、锥齿轮、传动齿条、上下两层炉箅子、塔盘、支架、转轴、轴承等结构部件。其传动形式为，减速电机通过带动大锥齿轮转动，带动与大锥齿轮固定的下层炉箅子、上层炉箅子和塔盘转动；塔盘是一个偏心构件，当炉排转动时，通过塔盘与炉壁间(金属耐磨板位置)的距离不断变化来破碎渣块，也避免了因不能及时排渣而发生进料堵料问题，最终顺利排渣。

此炉排日处理量约为20 t的垃圾，在炉内的垃圾量以及灰渣量保守估计为5 t。炉排的塔盘以及炉箅子等转动设备保守估计质量m1为2 t，在炉内的垃圾量以及灰渣量保守估计重量m2为5 t，则炉排电机总转动质量为7 t。设计炉箅子转速r为0.05 rad/min。下面分析计算转动中扭矩，并对所选电机的驱动力矩进行校验。

图1 固定式转动炉排

2 理论计算

通过港口调研，给出仿真试验的基础数据。对于船舶Bay09结构，存在36个待装箱，船舶贝内最大允许横倾力矩为616 kN·m；对于船舶Bay47结构，存在72个待装集装箱，船舶贝内最大允许横倾力矩为752 kN·m；不确定事件涉及2个减箱和2个加箱，合计4个阶段。船舶贝结构见图4，两种场景见表2，例如B09-N36-D3表示船舶贝结构为Bay09、待装箱36个、待装箱目的港数为3。每个场景随机生成5个案例进行仿真试验，分别采用插入-分段搜索算法和CPLEX优化包求解器进行求解，详细仿真结果见表2。CPLEX设定2 h求解时间，在该时间内无法得到输出结果，则在表2中用“/”表示。

图2 阻力矩构成

2.1 破碎力产生的阻力矩

塔盘周围充满灰渣，同时可能存在结成大块的渣料。通过检测机构测得渣块最大破碎力Fp为6.82 kN，Fp的力臂Lp为上层炉箅子距离旋转轴最远点到旋转轴的距离(见图3)，即0.58 m，破碎力产生的阻力矩为

Mp=FpLp=3 955.6 N·m

(1)

图3 截面尺寸

2.2 推力球轴承处的摩擦力矩

推力球轴承的位置如图3所示。推力球轴承的摩擦系数为μ1=0.001[6]，轴承的内径d1为220 mm，炉内渣料载荷Fln为50 kN，炉排中转动部件的载荷Flp约20 kN，得轴承阻力矩为

Mzc=μ1(Fln+Flp)d1/2=7.7 N·m

(2)

2.3 炉渣对机器侧面产生的摩擦力矩

将塔盘、上层炉箅子及这两部分与下层炉箅子的连接部分，简化为一个圆柱体，则下层炉箅子以上盛放炉渣的空间就转化为图2所示形状。把炉渣分成图示的上下两部分，即上方炉渣和下方炉渣。此盛放炉渣的空间总高H为1.145 m，下方炉渣高度h1为0.5 m，上方炉渣高度h2为0.645 m，两个直径D和D1分别为1.78 m和1.07 m。

简化后的放置炉渣的空间体积V0为

(3)

从表2可见，含钛高炉渣粒度分布不均，大于75 μm占22.75%，小于75 μm占77.25%，从此粒度分布来看，钛渣加压浸出前可以不磨料。

(4)

上方炉渣对其所在位置的炉体侧壁产生的压力为

中国改革开放四十年的历程，对应的正是新古典经济学的兴起以及经济全球化的迅速发展。在中国的理论界，无论是赞成还是反对新古典主义经济学，人们对这一学说的认识主要集中于两个方面:或是关注这一学说在市场和政府作用上的效率评价①;或是关注这一学说与经济全球化之间的关系②。这些认识对于在理论层面研究新古典主义经济学具有十分重要的意义。但是，对于新古典主义经济学在第二次世界大战之后兴起的根源，中国的理论界则鲜有深入研究。

(5)

下方炉渣产生的压力计算：

1)上方炉渣质量

(6)

2)下方炉渣所在空间的截面积

(7)

3)距离顶部深度为h的炉渣质量

m=mup+ρSd(h-0.645)=(1 192.1+3 333.3h) kg

(8)

4)下方炉渣对炉体侧壁产生的压力

(9)

5)下方炉渣对转动部分(即小圆柱)侧面产生的压力

炉渣的总质量m1为5 t，炉渣在此空间内的分布密度为

(10)

摩擦力矩计算：

1)炉渣对外壁产生的总压力

F3=F1+F2=95 206.6 N

(11)

2)炉渣对外壁的摩擦力矩

利用求塔盘与上层炉箅子在水平面上所受摩擦力矩的求法可得下层炉箅子在水平面上所受摩擦力矩为

Mout=F3μ2Lout=33 893.5 N·m

(12)

渣料的质量为5 t，摩擦系数μ3=0.4[6]，故在塔盘转动时，塔盘上的渣料随着转动，单位面积上炉渣的摩擦力

一份来自北京“月嫂”的调研报告显示，85.5%的月嫂每天平均工作时间12个小时。如果按照8小时工作计算，和其他职业相比，45.1%月嫂的工作量是正常工作量的2倍。月嫂的心理需求及业务技能水平看，更多的月嫂依然处于基本需求状态、甚至心理处于缺失状态。

Min=Finμ2Lin=6 530.3 N·m

(13)

2.4 炉渣与上下层炉箅子的水平面摩擦力矩

1)炉渣与塔盘和上层炉箅子的水平面摩擦力矩

此装置所受阻力矩包括：破碎力产生的阻力矩、推力球轴承产生的摩擦力矩、炉渣对装置侧面产生的摩擦力矩、炉渣与上下层炉箅子的水平面摩擦力矩、中间轴侧面所受摩擦力矩(见图2)。下面将分析这些阻力矩，并通过驱动力矩与总阻力矩的比较来检验驱动电机选择的正确性。

如图2所示，将炉渣分成两个部分，V1表示上方炉箅子承受的炉渣体积，V2表示下方炉箅子承受的炉渣体积

V2=V0-V1=1.82 m3

(14)

炉渣对转动部件的摩擦力矩

(15)

宽度为dr环面面积为2πrdr，则此环面上受力为

F1′=2πrdrF1

则塔盘与上层炉箅子在水平面上所受摩擦力矩为

(16)

此摩擦力矩的所在位置如图2所示。

2)炉渣与下层炉箅子的水平面摩擦力矩

下层炉箅子呈圆环状，其中外圆直径为1.78 m，内圆直径为0.87 m，如图2所示。

下层炉箅子单位面积上的摩擦力为

(17)

炉渣对机器侧面产生的摩擦力矩可分成两部分，Mout和Min(两个摩擦力矩的作用位置如图2中所示)。根据参考文献[7]，取炉渣对外壁和转动部件的摩擦系数μ2=0.4，得炉渣对外壁的力矩为

第二类问题指向数据分析的教学设计．要求被试根据前面第一类问题，设计一个关于平均数、中位数和众数知识应用的教学方案（以下称“空气质量问题”的教学方案），以此考察职前教师对数据分析教学的认识和理解，以及在此基础上反映出来的教学认识特点．

(18)

2.5 竖轴侧面所受摩擦力矩

竖轴侧面摩擦力矩的位置如图所示2所指。根据参考文献[7]，选取钢与钢之间的滑动摩擦系数f=0.1。炉渣对转动部分侧面产生的压力Fin=27 429.5 N，破碎力为6 820 N，这两个力将作用于中间轴侧面。中间轴侧面所受摩擦力矩为

用“转化器”来形容艺术家最合适不过，艺术家的转化能力或许决定了作品艺术的味道。对于创作女性主题绘画的人来说，无论使用何种笔触，都可转化为“色彩”，而不是停留在瓷画材料特性（颜料）层面。不仅如此，还要让色彩成调性配伍，无论粗细线条，都赋予其个性特色的“书写性”。创作女性绘画题材的纯粹，大概就是在这样敏感鲜活的心手之间源源跃出，而不单是为了形式，更不是为出奇。

Mzj=FzjfLzj=368.2 N·m

(19)

2.6 折算到小锥齿轮的总阻力矩

根据参考文献[8]，并结合载荷性质、适用范围以及工作时长，选择机器工作情况系数KA=1.3，推力球轴承效率η1=0.98。此装置所受总阻力矩为

(20)

根据参考文献[9]，确定脂润滑开式圆锥齿轮传动的效率为0.94。将装置所受的此总阻力矩折算到小齿轮上，有

(21)

(22)

所需电机输出功率为

所以，看到或听说过这则社会新闻的人，都会产生与我老汉等吃瓜群众一样的思想和情怀：在肯定沈老汉护犊情深的节约美德的同时，也遗憾着他的失策，悲哀着其“大处不算小处算”，颇有一丝“守财奴”味道的迂腐行为。

(23)

2.7 驱动力矩与阻力矩相比较

M-Mz′>0

(24)

因此，炉排电机的驱动力矩大于阻力矩，电机选择合理。

3 运动仿真分析

通过理论计算，获得了该装置的阻力矩，并且通过所选电机的驱动力矩与折算后的阻力矩比较，证明了电机选择的合理性。下面将通过动力学仿真分析，研究在理论计算获得的驱动力矩和阻力矩的作用下此装置的运动情况，对此装置的可行性和理论计算的正确性进行检验。

3.1 模型建立

在动力学分析软件Adams中建立的该装置模型如图4所示。理论分析中计算的各驱动力矩添加到相应部位，驱动力矩添加到小锥齿轮。仿真分析发现，此机构能够转动，即证明了驱动力矩能够克服阻力矩带到整个装置运动。下面将对具体运动情况进行分析。

3.2 仿真结果分析

1)角速度

图5(a)为小锥齿的角速度变化曲线，图5(b)为大锥齿轮的角速度变化曲线。由图5可知，两个齿轮在驱动力矩作用下，其角速度由静止逐渐增加，经过2.5 h，角速度趋于平稳。角速度增大过程中变化比较平稳，说明两个齿轮间相互作用力的无波动和突变，不

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图4 运动分析仿真模型

会产生冲击。2.5 h后，两个齿轮的角速度趋于稳定，小齿轮的角速度约为0.052 rad/s，大齿轮的角速度约为0.005 1 rad/s，两个齿轮角速度趋于稳定后，两个齿轮的角速度会在平稳值附近波动，这是由于建模的精度不足，两个锥齿轮之间产生碰撞造成的。这个问题可以通过实际加工制造过程中保证制造安装精度来避免。

图5 角速度变化曲线

2)塔盘质心线速度和线加速度

图6(a)和图6(b)分别为运动仿真分析获得的塔盘质心线速度和线加速度变化曲线。由于塔盘是偏心盘，即塔盘的质心与转动轴轴线不重合，因此塔盘的质心线速度和线加速度不为0。由图6可知，在驱动力矩作用下，塔盘质心的线速度从0逐渐增大，然后缓慢增加，经过2.5 h后，达到稳定值，此变化趋势与大齿轮角速度变化趋势相同。塔盘质心线速度的稳定值约为0.601 3 mm/s。稳定运动阶段塔盘质心线速度的波动也是由于两个锥齿轮之间的啮合精度差引起的。

总之，国内现有的旅游者行为研究，能够初步实现定量与定性研究方法的规范化应用。未来应深入实地、持续性地开展历时性实证研究，既要进行思辨的反思，又要发展实证的态度，逐步实现定性与定量方法的结合与互补，运用多元化的研究方法，实现对现实问题的深度理论化剖析。

图6 塔盘质心线速度和线加速度变化曲线

通过仿真分析可知，当作用于小锥齿轮的驱动力矩为9 581.0 N.m时，此装置能够被驱动旋转，因此，此运动仿真分析进一步证明了所选择的电机的驱动力矩足够。

4 零部件的应力应变分析

对此装置进行受力与热环境同时作用下的强度仿真分析，获得关键零部件的应力应变。

4.1 下层炉箅

图7(a)为下层炉箅子的应力云图。如图7(a)所示，最大应力为3.313 6 MPa，应力集中在螺栓孔附近，主要是由下方齿轮驱动力施加于此处造成的；中心圆孔边缘处，由于此位置距离接触位置较远，因此受力很小。炉箅子的材料为16 Mn，其屈服应力为343 MPa，远远大于下层炉箅子的最大应力值，因此下层炉箅子的强度满足要求。

图7(b)为下层炉箅子的应变云图。如图7(b)所示，最大应变为0.001 509 4 mm，应变集中在螺栓孔附近，主要由于这部分的应力较大；距离接触位置越远，应力和应变越小，在中心圆孔附近，既不受应力，也没有应变。

图7 应力应变云图

4.2 上层炉箅子

图8(a)为上层炉箅子的应力云图。如图8(a)所示，应力最大值为9.057 8 MPa，应力主要集中在外侧轮根处，主要是由破碎力对轮的挤压所形成的应变；与下层炉箅子相同，中心圆孔边缘处，由于距离接触位置较远以及相关约束共同作用，此处受力很小，故最小应力接近于0。炉箅子的材料为16 Mn，其屈服应力为343 MPa，远远大于上层炉箅子的最大应力值，因此上层炉箅子的强度满足要求。

图8(b)为上层炉箅子的应变云图。如图8(b)所示，应变最大值为0.006 270 5 mm，应变集中在齿顶附近，主要由于这部分结构形状和受力状况引起的；同样，中心圆孔附近，由于其距离接触位置较远以及相关约束的相互作用，既不受力，也没有应变。

第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps、384kbps以及144kbps的传输速度（此数值根据网络环境不同会发生变化）。3G是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。

图8 应力应变云图

4.3 工字钢支撑架

图9(a)为工字钢支撑架的应力云图。如图9(a)所示，应力最大值为7.681 5 MPa，应力主要集中在连接处，是由上方物体的压力所造成的。工字钢的远端，由于距离接触位置较远，受力较小，故应力很小，可忽略。工字钢支撑架的材料为Q235，其屈服强度235 MPa，远远大于工字钢支撑架最大应力，故符合工字钢支撑架强度要求。

图9(b)为工字钢支撑架的应变云图。如图9(b)所示，应变最大值为0.020 134 mm，集中在与垫块的接触处，这部分的应力也较大；在工字钢的远端，由于这部分距离接触位置较远，这些地方不受力，故不发生应变。

图9 应力应变云图

4.4 塔 盘

图10(a)为塔盘的应力云图。如图10(a)所示，应力最大值为5.303 9 MPa，主要集中在外侧轮根处，主要是由破碎力对轮的挤压所造成的；应力最小值，集中在塔盘上表面，这是由于这部分仅仅承受部分物料的压力，并不参与破碎过程，故最小应力接近于0。塔盘的材料为耐磨铸钢(ZG310-570)，其屈服强度310 MPa，远远大于塔盘应力最大值，故符合塔盘的强度要求。

图10(b)为塔盘的应变云图。如图10(b)所示，应变最大值为0.003 978 9 mm，主要集中在齿顶部，因为这里受力大，截面积小；而在塔盘上表面以及和其他零件固定部分，是由于其仅仅承受部分物料的压力和相应约束，故应变较小。

图10 应力应变云图

4.5 耐磨板

图11(a)为耐磨板的应力云图。如图11(a)所示，应力最大值为7.159 4 MPa，应力主要集中在内壁肋板处，这部分与物料直接接触；而在距离接触位置较远处，受力较小，应力值小。耐磨板的材料为35CrMo，其屈服强度835 MPa，远远大于耐磨板所受应力最大值，故符合耐磨板强度要求。

图11(b)为耐磨板的应变云图。如图11(b)所示，应变最大值为0.042 407 mm，也主要集中在内壁肋板附近；而在距离接触位置的较远处，不受力，应变值为0。

4.6 六棱柱支撑轴

图12(a)为六棱柱支撑轴的应力云图。如图12(a)所示，应力最大值为20.691 MPa，应力主要集中支撑轴的棱边与底面圆柱接触附近，主要由于这部分受到外力挤压和扭力扭转，形成较大应力；由于上端中心处受力较小，故其应力最小。六棱柱支撑轴的材料为耐磨铸钢，其屈服强度310 MPa，远远大于六棱柱支撑轴应力最大值，故符合六棱柱支撑轴强度要求。

图12(b)为六棱柱支撑轴的应变云图。如图12(b)所示，应变最大值为0.034 685 mm，且主要集中在六条棱边的上部，由于这部分受到扭力扭转，形成较大应变。

图11 应力应变云图

图12 应力应变云图

4.7 竖直工字钢支柱

图13(a)为工字钢支柱的应力云图。如图13(a)所示，应力最大值为10.021 MPa，应力主要集中在支柱与罐体的连接处，是由罐体施加给支柱的压力和弯矩所产生的。在工字钢的中部偏下位置，距离连接处较远，由于压力和弯矩的作用相互抵消，合力较小，故应力最小值为1.164 MPa，其方向与最大值相反。工字钢支撑架的材料为Q235，其屈服强度235 MPa，远远大于工字钢支撑架最大应力，故符合工字钢支撑架强度要求。

图13(b)为工字钢支撑架的应变云图。如图13(b)所示，应变最大值为0.197 9 mm，集中在工字钢中部偏上的位置，这是由于压力、扭力矩以及连接部分的约束共同作用产生的；在工字钢的底端，由于被固定，故不发生应变。

图13 应力应变云图

4.8 螺栓有限元分析

图14(a)为螺栓及其附近零件的应力云图，其最大应力值为0.275 48 MPa，此螺栓为 8.8，抗拉强度为800 MPa，屈服强度为640 MPa，远远大于螺栓所受实际应力值，故此螺栓强度符合要求。图14(b)为螺栓的应变云图，其最大应变值为0.000 695 mm。

5 项目现场实际工作状况

经过实际运行显示，现场正常破渣排渣，且连续运行时间超过25天。证明在该功率下，扭矩可以排渣破渣，炉排正常运转。

图14 螺栓的应力应变云图

6 总 结

经过理论计算、模拟分析和实际工作验证后，炉排系统得出以下结论：

(1)针对炉排阻力矩为15 315.26 N·m的计算方法可行，可为之后的项目提供一直解决思路；

共享经济的明显优势体现在资金和时间上，这两项不仅仅是供应方的成本，还是需求方的成本，在降低成本的基础上，平台通过互联网大大提高了资源配置的效率。

第一，本研究领域尚未形成稳定的核心期刊。在本次统计范围内，刊登有关文献6篇及以上的期刊仅20种，共刊登有关文献160篇，占同期有关文献总量的18.120%。即使把刊登有关文献4篇及以上的刊物计算在内，也不过刊登有关文献207篇，占23.443%。与核心期刊应当达到的标准相去甚远。

(2)经过实际运行验证后，针对炉排减速电机功率为0.75 kW的选择合适可行；

(3)经过实际运行验证后，炉排长期稳定运行未产生变形等破坏，可为之后的工程项目方案提供借鉴。