MLS3626型立式輥磨機磨盤改進

郝翌軒

摘 要：通過個別客戶現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，本文運用 ANSYS 有限元分析軟件對磨盤進行強度分析、疲勞分析等步驟，再根據(jù)分析所得的結果，對原有磨盤的設計其進行優(yōu)化，從而使磨盤的性能更加穩(wěn)定。

關鍵詞：磨盤；疲勞分析；優(yōu)化設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.010

1 背景介紹

我公司自上個世紀六十年代開發(fā)立式輥磨機以來，一直保存國內領先水平，各種型號立式輥磨機累計銷量數(shù)千臺，其中MLS3626型號銷量最高。銷量眾多難免個別用戶現(xiàn)場出現(xiàn)問題，近五年內有兩臺立式輥磨機的磨盤出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，我們在查找質量問題原因的同時，也從設計的角度分析，是否存在設計方面的漏洞，進而考慮是否有更好的方案。

2 優(yōu)化思路

使用Ansys有限元分析軟件為工具，對磨盤進行強度分析、疲勞分析及優(yōu)化設計，具體思路如下所示：

（1）首先對磨盤進行初步分析，通過計算磨盤運行時所受到的載荷，加載到磨盤的模型上，通過軟件分析磨盤的應力分布及形變狀況，可以初步觀察磨盤的應力集中的位置、大小及形變量等情況，為下一步分析提供參考依據(jù)。

（2）然后對磨盤進行疲勞分析，由于磨盤受到周期性載荷的作用，磨盤的疲勞壽命受到影響，在磨盤具有應力集中的情況下，疲勞壽命減少得更為明顯，通過尋找疲勞壽命薄弱的地方，從而進行避免和改進，這樣可以明確優(yōu)化的目標。

（3）明確優(yōu)化目標之后，先對磨盤的結構作合理改進，再使用軟件的優(yōu)化分析功能對新結構進行優(yōu)化分析，之后根據(jù)分析的結果再次調整磨盤的結構，最終得出完善的設計。

3 磨盤的有限元分析步驟

有使用有限元分析軟件對磨盤進行分析，需要以下步驟：

3.1 建立磨盤三維模型

根據(jù)MLS3626立磨磨盤的尺寸，建立磨盤的三維模型。為了使研究方便，對磨盤模型進行了一系列簡化。

3.2 模型劃分網(wǎng)格

將前面建立好的磨盤三維模型進行網(wǎng)格劃分，將磨盤離散為合理的組合單元，網(wǎng)格形狀為四面體結構，有限元模型單元數(shù)421921，節(jié)點數(shù)677725。

3.3 模型材料特性的分析

根據(jù)MLS3626磨盤的材料屬性，在軟件里添加相應的參數(shù)，主要參數(shù)如下表：

3.4 模型限元分析計算

通過計算得出磨盤的受力情況，將所得數(shù)值在ANSYS中加載到模型中，保證計算結果精確以便盡量使磨盤的仿真能貼合實際。根據(jù)工況加載到磨盤的受力區(qū)域，之后進行分析，得出磨盤的應力圖和形變圖。

3.5 有限元分析后處理

由圖1 MLS3626磨盤座位移云圖和圖2 MLS3626磨盤座等效應力云圖中的結果，我們可以確定磨盤受力和形變的情況，然后根據(jù)所得結果進一步進行疲勞分析、拓撲優(yōu)化等步驟。

磨機工作時，磨盤是不斷轉動的，磨機的磨輥在加載裝置的作用下，施加碾壓力作用在物料上，并且該力由物料傳遞給磨盤。這樣磨盤循環(huán)轉動，磨輥的碾壓力便在磨盤上碾壓一圈，因此磨盤受到周期性循環(huán)應力。首先計算出MLS3626磨盤受力的循環(huán)次數(shù)，然后在計算磨盤的最大使用壽命、疲勞敏感性及損傷等相關數(shù)據(jù)與曲線[1]。

根據(jù)前面輸入的材料的特性，利用軟件可以得出磨盤材料的循環(huán)次數(shù)與變交應力的對應關系曲線，如圖3所示。

運用 ANSYS 分析軟件的疲勞分析功能——fatigue tool對磨盤進行疲勞分析。相關參數(shù)設置為：疲勞強度因子為 0.8，比例因子為 0.005。根據(jù)立磨的運行原理，磨盤的受力會不斷變化，所以在分析疲勞敏感性時，定義一個最小基本載荷變化幅度為50%和一個最大基本載荷變化幅度為300%的兩個交互應力。通過軟件計算可得到以下結果[1]：

由計算結果可以看出，MLS3626磨盤整體壽命穩(wěn)定，絕大部分壽命均為2e7 h，約為2200多年，而極少數(shù)的位置出現(xiàn)壽命銳減的現(xiàn)象，最小處達1.3e5，約為15年左右，壽命減少的位置均出現(xiàn)在T型槽與螺栓孔交匯處。根據(jù)疲勞損壞特性知，疲勞破壞產生都是從一些微小的“疲勞源”發(fā)起，逐漸向外擴散，從而出現(xiàn)裂紋，此現(xiàn)象可能就是造成極個別磨盤座開裂的原因。雖然磨盤使用年限未達到理論年限，但由于現(xiàn)場的許多不確定性因素，例如地表震動、物料特性、加工精度等等，可能造成意外現(xiàn)象的出現(xiàn)。

為了減少意外情況的出現(xiàn)，現(xiàn)對磨盤進行改進，參照礦渣磨的磨盤固定方式，將磨盤上的T型槽去掉，采用上下壓緊的襯板固定方式。 通過對新型磨盤的疲勞特性分析，新型磨盤整體壽命均為2e7，無波動，證明磨盤改進良好 。

根據(jù)有限元分析結果，比較之前的磨盤，最大形變基本不變，由原來的5.23e-4降低至4.64e-4，而最大應力明顯減小由原來的4.46e+7降低至3.47e+7，說明原磨盤最大應力處已經(jīng)被消除，且具有一定“減肥”空間。因此利用軟件的優(yōu)化功能，對此模型進行結構優(yōu)化。

結構優(yōu)化設計是在滿足約束條件下按預定目標求出最優(yōu)方案的設計方法，目的是得出經(jīng)濟合理的設計方案。本文首先采用拓撲優(yōu)化，目的是在磨盤受到相應載荷和約束的情況下，減少磨盤的外形尺寸并盡可能的保持磨盤的應力和形變的變化量盡量小，從而減輕磨盤的重量，使磨盤的結構經(jīng)濟且合理。

優(yōu)化結果如下圖所示：

根據(jù)優(yōu)化結果，重新對磨盤座進行改進，再進行優(yōu)化尺寸，最終得到結果如圖：

優(yōu)化結果前后對比：

4 結論

通過上面分析，可以得出結論：原有MLS3626磨盤完全符合設計要求。但為減小意外發(fā)生的可能性，提高使用壽命，對磨盤進行有限元分析，其主要目的：一是尋找磨盤開裂原因；二是進行優(yōu)化設計，從而更好的提高我們的磨機質量。

參考文獻：

[1]梅逢意.立式輥磨機磨盤的動態(tài)分析與優(yōu)化[D].江西理工大學，2012：18-22.

[2]和春梅，楊曉杰.預粉磨立磨磨盤有限元分析[J].中國水泥， 2010（06）：58.