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大型回转窑支承构件滚动接触应力场与疲劳寿命的深度剖析与精准预测

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业体系中，大型回转窑作为关键的热工设备，广泛应用于冶金、化工、建材等诸多重要领域。在冶金行业，回转窑用于铁矿石的磁化焙烧、氧化球团的生产等，能有效提高矿石的品位和可加工性；化工领域里，可用于煅烧石灰石等原料，以生产氧化钙等化工产品；在建材行业，尤其是水泥生产中，回转窑更是核心设备，它通过将生料在高温下进行煅烧，使其发生一系列物理化学反应，最终形成水泥熟料，其运行状况直接关乎水泥熟料的质量稳定。大型回转窑承载着物料的物理和化学转化过程，是整个生产流程得以顺畅进行的关键环节，对企业的生产效率、产品质量以及经济效益起着决定性作用。

滚圈和托轮作为大型回转窑的主要支承构件，在回转窑运行时处于牵引滚动接触状态，承担着支撑回转窑体、传递动力等重要任务。它们不仅要承受回转窑体自身的巨大重量，还要承受物料的重量以及在运行过程中产生的各种复杂作用力。然而，长期以来，由于对回转窑滚圈热态运行时的表面应力状态认识不足，导致滚圈和托轮的工作状况存在诸多隐患。滚圈的表面失效，如疲劳剥落和掉块，以及滚圈的疲劳开裂，已成为支承系统失效的主要形式。这些问题的出现，极易引发多种机械故障，甚至导致安全事故的发生。

从实际生产中的诸多案例可以明显看出支承构件故障带来的严重后果。例如在[具体工厂名称1]，因滚圈疲劳开裂未能及时发现和处理，导致回转窑在运行过程中突然出现剧烈晃动，不仅窑体内部的耐火材料大面积脱落，还使得正在进行的生产流程被迫中断。为了修复设备，企业不得不投入大量的人力、物力和时间，直接经济损失高达[X]万元，并且由于生产停滞，企业还面临着交付延迟的违约风险，间接经济损失难以估量。又如在[具体工厂名称2]，托轮的疲劳剥落致使回转窑运行不稳定，物料在窑内的煅烧不均匀，生产出的产品质量严重不达标，大量产品只能报废处理，给企业造成了重大的经济损失，同时也对企业的市场声誉产生了负面影响。

对大型回转窑支承构件滚动接触应力场和疲劳寿命进行深入研究，具有极其重要的意义。准确掌握滚动接触应力场的分布规律，能够为支承构件的设计提供更为精确的数据依据，有助于优化构件的结构设计，提高其承载能力和抗疲劳性能，从而有效预防故障的发生，保障回转窑的安全稳定运行。通过对疲劳寿命的研究，可以合理制定维护计划和更换周期，避免因支承构件过度使用而导致的突发故障，减少非计划停机时间，提高生产效率，降低企业的运营成本。这也有助于推动相关领域的技术进步，为大型回转窑的设计、制造和维护提供更加科学、可靠的理论支持，促进整个行业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外对大型回转窑支承构件滚动接触应力场和疲劳寿命的研究起步较早，取得了一系列具有重要价值的成果。在滚动接触应力场理论研究方面，Hertz早在19世纪就提出了经典的赫兹接触理论，为接触力学的发展奠定了坚实的基础。该理论基于弹性半空间假设，对两弹性体的接触问题进行了深入分析，推导出了接触应力和变形的计算公式。此后，众多学者在此基础上不断拓展和完善，针对不同的接触工况和材料特性，提出了更为复杂和精确的理论模型。例如，考虑材料非线性、接触表面粗糙度以及摩擦等因素对接触应力场的影响，使理论模型更加贴近实际工程应用。

在数值模拟方面，随着计算机技术的飞速发展，有限元方法成为研究滚动接触应力场的重要手段。国外学者利用有限元软件，如ANSYS、ABAQUS等，对回转窑支承构件进行了详细的建模和分析。通过建立精确的几何模型和合理的材料本构关系，模拟支承构件在不同载荷和工况下的应力分布情况。研究不同结构参数（如滚圈和托轮的尺寸、形状）以及工作条件（如转速、温度）对滚动接触应力场的影响规律，为支承构件的优化设计提供了有力的依据。例如，[国外学者姓名1]通过有限元模拟，深入研究了滚圈与托轮接触宽度对接触应力分布的影响，发现适当增加接触宽度可以有效降低接触应力峰值，提高支承构件的承载能力。[国外学者姓名2]利用有限元方法分析了温度场对滚动接触应力场的耦合作用，揭示了温度变化导致材料性能改变进而影响应力分布的机制。

在疲劳寿命研究方面，国外学者建立了多种疲劳寿命预测模型。基于Miner线性累积损伤理论，结合材料的S-N曲线，提出了相应的疲劳寿命计算方法。考虑到实际工况中载荷的随机性和复杂性，引入了概率统计方法，对疲劳寿命进行可靠性分析。开展了大量的实验研究，通过疲劳试验获取材料的疲劳性能参数，验证和改进疲劳寿命预测模型。如[国外学者姓名3]通过对回转窑支承构件材料进行疲劳试验，建立了考虑多轴应力状态的疲劳寿命预测模型，该模型在实际应用中取得了较好的预