應(yīng)用有限元優(yōu)化設(shè)計球磨機回轉(zhuǎn)體端蓋錐角角度

胡子林　劉萬華　劉剛

摘 要：球磨機設(shè)計過程中回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)強度，是否能滿足生產(chǎn)要求，是球磨機設(shè)計的關(guān)鍵。利用ANSYS有限元軟件，對Φ5.5×8.5m溢流型球磨機回轉(zhuǎn)體在其他參數(shù)不變的情況下，回轉(zhuǎn)體端蓋錐角角度不同時回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)強度的變化，對比分析結(jié)果，得到最合理的回轉(zhuǎn)體端蓋錐角角度。

關(guān)鍵詞：球磨機；回轉(zhuǎn)體端蓋錐角；有限元方法

中圖分類號：TD453 文獻標識碼：A

現(xiàn)代球磨機發(fā)展越來越向大型化方向發(fā)展，在選礦工藝流程中球磨機是一種非常重要的機械設(shè)備。尤其回轉(zhuǎn)體（由筒體、進出端蓋組成）是球磨機主體部件，回轉(zhuǎn)體強度決定回轉(zhuǎn)體在實際使用時的效果。球磨機回轉(zhuǎn)體由兩個滑動軸承支撐，可以將回轉(zhuǎn)體及其支撐簡化成簡支梁。在載荷不變的情況下，支撐點距離的變化，會改變簡支梁力的分布。隨著球磨機回轉(zhuǎn)體端蓋錐角角度的變化，支撐球磨機回轉(zhuǎn)體的兩個滑動軸承的距離也會變化，從而改變球磨機回轉(zhuǎn)體受力分布?；剞D(zhuǎn)體受力分布的變化，會影響回轉(zhuǎn)體的可靠性以及回轉(zhuǎn)體的壽命，所以球磨機回轉(zhuǎn)體強度的好壞直接影響到磨機的正常運行。有限元理論的出現(xiàn)，ANSYS有限元軟件的開發(fā)和應(yīng)用，為球磨機這種古老的機械設(shè)備帶來了新的春天。ANSYS軟件可以將我們要研究的對像和它所處的工作環(huán)境放到一起去計算，這種計算更接近實際。計算結(jié)果亦更接近實際，而且可以將計算結(jié)果清晰的顯示給研究人員，是一個強大的計算軟件。本文主要論述了運用有限元法和ANSYS軟件，對Φ5.5×8.5m溢流型球磨機回轉(zhuǎn)體在其他參數(shù)不變的情況下，不同的回轉(zhuǎn)體端蓋錐角角度對回轉(zhuǎn)體危險部位應(yīng)力的影響，從而得到最優(yōu)的回轉(zhuǎn)體端蓋錐角角度。

1.建立有限元模型

ANSYS有限元軟件具有豐富的接口，可以將在各種三維軟件中的建模導(dǎo)入到ANSYS中進行有限元分析。同時ANSYS有限元軟件中前處理功能，也可依據(jù)點-線-面-體的原則建模型。Φ5.5×8.5m溢流型球磨機回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，所以有限元分析用模型是在Solidwork中建成，然后導(dǎo)入ANSYS中進行后續(xù)處理。因為此分析為靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析?；剞D(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)及受載又具有對稱性（無人孔門），故對整個模型沿軸切面剖分的1/2進行分析。

2.網(wǎng)格劃分

單元類型為SOLID45六面體單元，由于在以后的加載過程中需要對筒體內(nèi)壁施加非均勻的分布載荷，所以在圓周區(qū)域的載荷作用單元上，又建立了一層表面效應(yīng)單元SURF154，采用了掃略成體網(wǎng)格劃分方法，生成的球磨機回轉(zhuǎn)體有限元模型。

3.加載

當回轉(zhuǎn)體有限元模型完成之后，在其上進行約束和載荷的施加。

3.1 施加約束

支撐Φ5.5×8.5m溢流型球磨機回轉(zhuǎn)體的兩個滑動軸承，進料滑動軸承為自由端，出料滑動軸承為固定端。Φ5.5×8.5m溢流型球磨機回轉(zhuǎn)體自由端軸承除有兩個轉(zhuǎn)動自由度，還有一個沿軸向活動的自由度，固定端有兩個轉(zhuǎn)動自由度。Φ5.5×8.5m溢流型球磨機軸承的軸瓦面為120°，軸承壓力角為70°。在ANSYS中，建立約束時選取軸承與軸頸直接接觸的節(jié)點（沿圓周方向70°范圍內(nèi)），這些節(jié)點與中心節(jié)點通過BEAM188連接在一起。自由端釋放兩個轉(zhuǎn)動自由度和一個沿軸向移動的自由度，固定端釋放兩個轉(zhuǎn)動自由度。

3.2 施加載荷

作用在Φ5.5×8.5m溢流型球磨機回轉(zhuǎn)體上的載荷，主要有礦漿、磨礦介質(zhì)、大齒輪、襯板、回轉(zhuǎn)體自重。采用等效密度的方法簡化回轉(zhuǎn)體載荷。滿載靜止工況下，假設(shè)物料和磨礦介質(zhì)在回轉(zhuǎn)體內(nèi)是均勻分布的，對回轉(zhuǎn)體的正壓力類似于水壓力。正壓力施加到SURF154單元上，然后傳遞到回轉(zhuǎn)體上。在ANSYS中，滿載靜止工況的加載如圖1（回轉(zhuǎn)體載荷分布）所示。

3.3 分析結(jié)果

在球磨機回轉(zhuǎn)體其他技術(shù)參數(shù)不變的情況下利用有限元軟件，分別分析了端蓋錐角135°和150°時球磨機回轉(zhuǎn)體的應(yīng)力變化情況。圖2和圖3分別為端蓋錐角135°時球磨機回轉(zhuǎn)體的應(yīng)力分布云圖和端蓋錐角150°時球磨機回轉(zhuǎn)體的應(yīng)力分布云圖。從圖中可以看到端蓋錐角135°時球磨機回轉(zhuǎn)體的最大應(yīng)力為50.6MPa；端蓋錐角135°時球磨機回轉(zhuǎn)體的最大應(yīng)力為57.3MPa。所以在球磨機回轉(zhuǎn)體其他技術(shù)參數(shù)不變的情況，端蓋錐角135°的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)優(yōu)于端蓋錐角150°的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。端蓋錐角135°的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)安全系數(shù)更高。

結(jié)論

本文運用ANSYS對Φ5.5×8.5m溢流型球磨機回轉(zhuǎn)體在端蓋錐角135°時和端蓋錐角150°時回轉(zhuǎn)體的強度變化。對比球磨機回轉(zhuǎn)體其他參數(shù)不變，不同的端蓋錐角角度對回轉(zhuǎn)體強度的影響。從而得到最合理的端蓋錐角角度。為球磨機回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)和設(shè)計方法。

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