選礦工程矩形常壓容器強(qiáng)度分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)探究

岳士睿

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對礦物資源的消耗量逐漸增加，選礦工程得到高度重視。在選礦工藝中，通常采用緩沖箱、儲(chǔ)罐、溜槽等完成運(yùn)輸、儲(chǔ)存等工作，其中使用頻率最高的便是矩形結(jié)構(gòu)。本文將采用Solid Works軟件建模，對模塊進(jìn)行有限元分析，并分析矩形常壓容器的靜力學(xué)原理，從分析結(jié)果中可知，加強(qiáng)筋與耳座之間的連接方式，能夠有效控制容器的重量，為容器優(yōu)化提供了極大的參考作用。

關(guān)鍵詞：選礦工程；矩形常壓容器；強(qiáng)度；優(yōu)化設(shè)計(jì)

在以往的選礦工程中，只是單純的對矩形常壓容器的壁厚進(jìn)行計(jì)算，沒有考慮到外載荷、容器形式對設(shè)備強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，在實(shí)際選礦工程的應(yīng)用中，需要通過查圖的方式，對壁厚應(yīng)力、撓度等相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，準(zhǔn)確性難以得到切實(shí)保障，而采用有限元法則能夠?qū)?fù)雜的強(qiáng)度分析問題簡單化，使結(jié)構(gòu)形式、各項(xiàng)參數(shù)變得更加明確，從而使設(shè)計(jì)效率得到顯著提升。

1選礦工程案例

本文以某選礦工程中的浮選車間總尾礦箱結(jié)構(gòu)為例，對該矩形結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究。已知，該礦箱的基本參數(shù)為：長度為2500mm、寬度為1000mm、高度為2000mm，材料使用的是Q235。該容器主要用途為礦漿緩沖槽，根據(jù)具體的工程狀況可能會(huì)滿漿，密度為1.9t/m3。本文后續(xù)的研究均在其處于滿漿的前提下進(jìn)行，對容器的內(nèi)部壓力進(jìn)行計(jì)算。在箱體壁板中，實(shí)際厚度包括名義厚度、鋼板厚度負(fù)偏差、腐蝕裕度等，本文的研究以名義厚度為準(zhǔn)，構(gòu)建模型進(jìn)行分析。

2矩形常壓容器的有限元分析

2.1加強(qiáng)筋的經(jīng)濟(jì)性

在NB/T47003標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在對容器壁厚進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)在剛度校核不合格的前提下，增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，而沒有探討加強(qiáng)筋的使用對強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。事實(shí)上，加強(qiáng)筋的引入必然會(huì)影響到容器的強(qiáng)度，因此需要在此基礎(chǔ)上采用有限元法，在需要提升強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，對增加壁厚或者增加加強(qiáng)筋兩種方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比研究。

加強(qiáng)筋對強(qiáng)度的影響、截面膜量之間呈現(xiàn)正比例關(guān)系，為了最大限度控制加強(qiáng)筋對最終結(jié)果產(chǎn)生的干擾，則需要盡可能的使用截面模量偏小的加強(qiáng)筋，其截面尺寸最終選擇為8mm×50mm。為了更好的分析和研究，需要對模型進(jìn)行精簡和優(yōu)化，使其對結(jié)果產(chǎn)生的干擾進(jìn)一步減小。引入Solid Works軟件進(jìn)行建模，分別在壁厚、加強(qiáng)筋數(shù)量均不同的情況下構(gòu)建模型，同時(shí)加載相同的載荷，獲取到對應(yīng)的應(yīng)力值。

測試結(jié)果表明：當(dāng)壁厚為8mm時(shí)，在無加強(qiáng)筋的情況下，殼體的最大應(yīng)力為197/MPa，在有加強(qiáng)筋的情況下，最大應(yīng)力為164/MPa，加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力為201/MPa；當(dāng)壁厚為10mm時(shí)，在無加強(qiáng)筋的情況下，殼體的最大應(yīng)力為130/MPa，在有加強(qiáng)筋的情況下，最大應(yīng)力為92/MPa，加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力為137/MPa；當(dāng)壁厚為12mm時(shí)，在無加強(qiáng)筋的情況下，殼體的最大應(yīng)力為94/MPa，在有加強(qiáng)筋的情況下，最大應(yīng)力為71/MPa，加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力為101/MPa；由此可見，結(jié)構(gòu)均能夠充分滿足強(qiáng)度要求。將加強(qiáng)筋引入以后，殼體的應(yīng)力值不斷的下降，并且加強(qiáng)筋的應(yīng)力只是略超過無加強(qiáng)筋情況下的殼體應(yīng)力，并且較為集中。本次研究的工程模型中，箱體總重為1500kg左右，壁厚每增加2mm，則箱體重量提升259kg，而增設(shè)加強(qiáng)筋的作用只有48kg，能夠節(jié)約14%的材料，且能夠呈現(xiàn)出十分良好的剛度與強(qiáng)度。因此，適應(yīng)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性較為顯著。

2.2容器連接方式

在選礦工程中，通常情況下采用的連接形式是將底板放置在平臺(tái)上，與耳座相互連接。為了盡可能減少加強(qiáng)筋對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的干擾，采用有限元模型將加強(qiáng)筋去除，當(dāng)耳座較為靠上時(shí)，則有以下幾種連接方式：

方案一：將容器處于平臺(tái)表面，固定好底板，最大壓力位于側(cè)壁板與底板的連接位置，且應(yīng)力數(shù)值為130MPa，最大位移距離為1.2mm；

方案二，將土建梁與耳座連接，最大壓力位于側(cè)壁板與耳座的連接位置，且應(yīng)力數(shù)值為96MPa，最大位移距離為0.5mm；側(cè)壁板與底板間的最大應(yīng)力為45MPa；

針對兩種連接方式進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)上存在差異，使兩種方案中的最大應(yīng)力不盡相同。在方案一中，由于底板與平面固定，受到箱體自重影響使側(cè)壁板的底部應(yīng)力增加，加之受內(nèi)部壓力的影響，底部的應(yīng)力值更大；在方案二中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在耳座附近，且較為集中，對周圍應(yīng)力的影響較弱，側(cè)壁板底部產(chǎn)生的應(yīng)力與方案一相比較小，因此總體來看變形較小。因此，采用方案二的方式進(jìn)行連接，能夠使容器強(qiáng)度、剛度等參數(shù)得到有效的改善與優(yōu)化。

2.3外載荷對容器強(qiáng)度的影響

在選礦工程中，矩形容器主要作用在于緩沖與儲(chǔ)存，需要接入其他管道，由此產(chǎn)生力矩。載荷是在選礦工程中，外界管道彎矩與管道軸向間的拉伸力，分別對排礦管不受載荷、排礦管受載荷且容器較窄、排礦管受載荷容器較寬三種情況進(jìn)行有限元分析：

情況一：箱體中的最大應(yīng)力位于寬側(cè)底部，數(shù)值為132MPa，排礦管根部應(yīng)力不夠集中；

情況二：箱體中的最大應(yīng)力位于寬側(cè)底部，數(shù)值為135MPa，排礦管根部應(yīng)力集中，數(shù)值為30MPa；

情況三：箱體中的最大應(yīng)力位于寬側(cè)底部與排礦管間，數(shù)值為180MPa；受到排礦管底部集中區(qū)域的最大應(yīng)力影響，使最大應(yīng)力數(shù)值得到顯著提升。

3結(jié)論

通過本文的研究可知，將加強(qiáng)筋引入到選礦工藝中，能夠有效提升強(qiáng)度，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性；耳座連接形式的選擇能夠使剛度、強(qiáng)度得到明顯提升；外載荷與內(nèi)壓相比，對箱體強(qiáng)度的影響較小；采用有限元法對選礦工程的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，能夠更加清楚直觀，計(jì)算效率更高，能夠?yàn)檫x礦設(shè)計(jì)提供更多幫助。

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