Analytical and numerical stress analysis of the rotary kiln ring

Abstract

Ovaj rad predstavlja analizu raspodjele naprezanja na vanjskoj površini nosivog prstena rotacijske peći u radnom ciklusu uporabom teorijske analize i simulacije metodom konačnih elemenata. U teorijskoj analizi, ukupno naprezanje je dobiveno kombinacijom savojnog naprezanja, toplinskih i kontaktnih naprezanja. Za dobivanje savojnog naprezanja, peć se promatra kao prosta, statički neodređena greda koja je opterećena statičkim i simetričnim opterećenjima, pri čemu se koristi Castiglianov teorem. Toplinska naprezanja dobivena su pretpostavljajući i linearnu i nelinearnu raspodjelu temperature kroz debljinu prstena. Konstantna naprezanja između prstena i nosivih valjaka dobivena su uporabom Hertzove teorije za kontaktna naprezanja. Naprezanja uslijed savijanja, toplinska i kontaktna naprezanja dobivena su i numerički u odvojenim simulacijama, u kojima su korišteni uvjeti usvojeni u teorijskom dijelu. Svi se rezultati odlično slažu. Pored toga, simuliran je i realniji model prstena koji je izložen svim naprezanjima istovremeno. Ovi rezultati pokazali su manja odstupanja od teorije, naročito zbog klizajućeg kontakta između prstena i nosivih valjaka, ali se općenito dobro slažu.This paper presents an analysis of the stress distribution on the outer surface of the riding ring of rotary cement kiln during working cycle using both the theory and finite element simulation. In the theoretical analysis, the total stress is obtained as a combination of bending, thermal and contact stresses. To obtain bending stress the kiln is considered as a simply supported, indeterminate beam subjected to static and symmetrical loads and Castigliano’s theorem is employed. Thermal stresses are obtained assuming both linear and non-linear temperature distribution over the ring thickness. Contact stress between ring and supporting rollers is obtained using Hertz contact theory. Bending, thermal and contact stresses are also obtained numerically in separate simulations, mimicking conditions assumed in the theoretical part. All results are in excellent agreement. In addition, a more realistic ring model subjected to all loads simultaneously is also simulated. These results showed slight disagreement with theory in the contact region, mainly due to sliding contact between the roller and the ring, but overall agreement was good