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殼牌煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備由氣化爐、輸氣管和合成氣冷卻器組成，其中氣化爐是核心設(shè)備。氣化爐在工作過程中，容易發(fā)生煤灰沉積現(xiàn)象，當(dāng)爐內(nèi)換熱表面出現(xiàn)積灰時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響其換熱效果，從而影響煤氣化效率。除灰敲擊裝置作為氣化爐正常運(yùn)行過程中必不可少的設(shè)備，布置在氣化爐四周的各個(gè)角度，緊貼著換熱表面，按規(guī)律不斷敲擊，使壁面產(chǎn)生振動(dòng)，從而起到振打除灰的作用，保證了換熱表面的換熱效率。敲擊桿、活塞桿和錘體是除灰敲擊裝置的關(guān)鍵部件，在工作過程中，三者均承受沖擊載荷，容易產(chǎn)生應(yīng)力變形，雖然等效應(yīng)力低于材料的屈服極限和強(qiáng)度極限，但在沖擊載荷的不斷重復(fù)作用下，就會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞和斷裂，尤其是活塞桿的主截面面積最小，且截面不連續(xù)處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，往往最早發(fā)生破壞。事實(shí)證明也是如此，2012年某企業(yè)除灰敲擊裝置在工作過程中，活塞桿底端臺(tái)階截面變化處發(fā)生斷裂。針對(duì)上述問題，杭州那泰有限元分析公司以關(guān)鍵部件活塞桿為研究對(duì)象，利用有限元分析其在撞擊過程中的應(yīng)力分布和變化規(guī)律，以期增加活塞桿的使用壽命。
活塞桿受沖擊載荷作用屬于沖擊動(dòng)力學(xué)范疇，在使用有限元法求解時(shí)，常見的算法有Euler法、ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)法和Lagrange法。其中 Lagrange法用于處理固體之間沖擊動(dòng)力學(xué)問題，是目前這一領(lǐng)域最成熟、最簡(jiǎn)便和應(yīng)用最廣泛的有限元方法，用于結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，可以處理沖擊載荷過程中復(fù)雜邊界條件和材料本構(gòu)關(guān)系。Lagrange法計(jì)算的是質(zhì)量恒定的單元運(yùn)動(dòng)，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中必須保持質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒。對(duì)于三維體單元，采用有限元離散方法從上述平衡條件推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程。
活塞桿在工作過程中的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，在計(jì)算過程中假設(shè)材料各向同性，密度均勻分布。活塞桿的材料是合金結(jié)構(gòu)鋼15CrMo，其性能參數(shù)如下：楊氏彈性模量Ex=210GPa，泊松比µ=0.27，密度ρ=7850kg/m3，屈服強(qiáng)度295MPa，抗拉強(qiáng)度440MPa。
根據(jù)活塞桿的幾何尺寸，在三維造型軟件Pro/E中，由點(diǎn)到線、由線到面、由面到體完成活塞桿的三維實(shí)體造型，保存為igs文件并導(dǎo)入到ANSYS軟件中。活塞桿直徑為32mm，臺(tái)階最大外徑為50mm，臺(tái)階處圓角過渡。
網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響計(jì)算結(jié)果的正確性和精度。為了能正確反映活塞桿受沖擊過程中其內(nèi)部應(yīng)力的分布情況和應(yīng)力波的傳播情況，對(duì)其網(wǎng)格質(zhì)量要求比較高，尤其是在截面突變部位。為了便于生成網(wǎng)格，采用自由網(wǎng)格劃分，生成Solid45四面體單元。綜合考慮求解精度和求解時(shí)間，對(duì)活塞桿截面突變和圓角部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。整個(gè)活塞桿共劃分26034個(gè)節(jié)點(diǎn)，112425個(gè)單元。
活塞桿在工作過程中，前端受敲擊桿沖擊力的作用，底端面和錘體緊緊貼在一起，沒有縫隙，保證了能量傳遞的連續(xù)性，因此可以把活塞桿的約束簡(jiǎn)化為底端面的全約束。
氣化爐除灰敲擊裝置在運(yùn)行過程中，氣缸中的氣體壓力推動(dòng)敲擊桿撞擊活塞桿，活塞桿受到?jīng)_擊力作用，受力面為活塞桿前端面。假設(shè)沖擊發(fā)生時(shí)，沖擊部位充分接觸，因此活塞桿承受均布的面載荷，在ANSYS計(jì)算過程中以壓力形式施加。
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