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摘 要:对宝山公司选矿厂大型溢流型球磨机的工况进行静态分析,创建不同工作转速下各自的瞬时模型,分析不同工况下的受力情况,得出有利于分析实际工况的数据,现场实际生产负荷已经远大于设备额定负荷,格子型球磨机的初始数据已不再适合新的工况任务要求,结合实际情况分析得出有利于提高生产效率的设备参数数据。
关键词:溢流型球磨机;建模;筒体;静力分析
溢流型球磨机是根据经典的粉碎理论和破碎力学设计的,溢流型球磨机的工作原理是同步电动机驱动小齿轮,小齿轮再驱动大齿圈带动球磨机筒体旋转,筒体中的矿石物料与磨矿介质钢球在筒体内做抛物运动,在筒体内产生冲击作用而砸碎矿石,使物料矿石达到成品粒度要求。在溢流型球磨机的使用过程中,筒体内壁的锰钢或磁性衬板,会有一定几率发生裂纹并漏矿,造成生产流程的突然中断,导致比较严重的生产事故。因此,需要对筒体的受力进行实用性分析。
1 建立不同球磨机转速的模型
1.1 溢流型球磨机内钢球物料抛离点和下落点位置的确定
考虑到载荷加载方便,在建立模型时,应方便地选择模型上的负载面积。分析旋转磨机筒体的运动规律。磨机模型的建立分两步骤,第一步,在 (β到α+90度)范围内,建立球磨机物料和钢球的抛物运动区域。第二步,在(α+90)度到(360度β)范围内, 建立球磨机物料和钢球的研磨粉碎区域,再将二个分体模型通过布尔命令中的面粘結命令,粘成一个球磨机筒体的整体模型。
这样建模后,在后面载荷加载过程中,能够快速把负载加到研磨区域内。物料和磨矿介质随筒体一起旋转,上升到合力为零的高度位置后,物料和钢球抛出。
图1 为筒体内物料的运动规律
1.2 有限元模型的建立
建立多个模型,来分析不同转速下的受力情况。本文的模型多而且是简单模型,在增强运算结果的精度的同时,还要减小分析的难度,假设以下条件:(1)筒体两侧是推力轴承且刚性足够,可作为刚性支撑;(2)物料和钢球的抛物运动,在与轴向垂直的各个截面上完全相同;(3)钢球与衬板之间,钢球与钢球之间无相对运动;球磨机为铸钢件,弹性模量E=2.01×1011Pa。有限元单元为solid106单元。
2 对球磨机筒体施加负载
在有限元结构的分析中,集中荷载通常是将荷载施加到梁、杆和弹簧等不连续模型的一种方法。采用壳单元的连续模型,平面单元和三维实体单元等,施加集中载荷,意味着会有应力奇异,但在静态分析中,如果你不在乎的应力集中荷载在节点,根据Saint Venant原理,可以用来代替静态负载等效集中荷载分布加在模型,虽然有在负荷附近的本地特性的影响,但对整个结构的性能影响不是很大,本文将集中载荷转化为表面载荷并加载到模型。
在球磨机筒体衬板上的作用力有: 球磨机的重力,磨机内一起做旋转运动的矿石钢球的重量及离心力; 此外还有做抛物运动的矿石钢球落下后对筒体衬板的冲击力。
3 力学分析计算和结果
分别对各个模型进行负载加载,先进行预处理器中的计算。完成后,再进行后处理器的加载计算,最后得出等效位移云图,等效应力云图。对所得出的云图的内容和数据进行对比分析,得出球磨机的最大应变和最大应力的点。
通过分析,得知球磨机有两个主要形变的区域,筒体的下部是最突出的,应力集中的位置在上半部分出现,因为筒体的两个端面的自由被约束,所以压力先在这个环上出现。由于限制了筒体旋转运动以外,所有的自由度,实际情况与计算结果相同。从图中2可以看出,填充率在0.3 时,不同转速曲线的值出现最低值,越高转速曲线的应变数值越小,所有应变数值都不很高。当填充率为0.5时,
图2 各转速填充率DMX结果值
各个转速曲线的应变数值都有所增加。同时,应变数值不会受转速变化的影响,基本上保持在一个范围内,这时球磨机是比较稳定的。当填充率为0.4和0.6时,应变数值没有特定的变化规律,且波动很大。在实际的调速过程中,系统会进入不稳定状态。
4 结论分析
1)根据计算结果的分析得出:球磨机的旋转速度越高,应力越大;矿石钢球充填的越多,应力越大。计算数据符合实际操作。在静力分析结果中,位移小于实际变形值,应力值大于实际应力。
2)强度校核,构成球磨机筒体的材料是铸钢材质,该材质的抗拉强度δ为500MPa,安全系数n为1.1。因此,球磨机筒体构成材料的允许应力是[δ]=δ/1.1=454MPa 。最大允许应力δmax =305MPa<[δ]所以球磨机筒体具有足够的强度。
3)应力集中关键部位分析,从得出分析结果看,如果筒体的应力集中,很可能是在偏离点靠下一些的位置。这部分需要加强刚性,通过采取一些措施来。从计算结果来看,在相同速度下,随着填充率的增加,应力略有下降,然后逐渐增大。随着速度的增加,应力随填充率的增加而逐渐增大。
5 结论
(1)填充率为0.3时,要保证运行速度要低于19转/分钟,防止压力过大,但0.3的填充率时为最小应变状态,所有球磨机运行在17转/分钟,效率较高,比较理想。
(2)当物料填充率为0.5时,各转速的应变数值不是最大值,而且整体值高。此时,设备负荷较重。给矿量过大的情况往往会发生。建议在这种状态下运行以增加生产能力。
(3)当材料填充率为0.2时,虽然应力应变小,但生产率太低,应尽量避免这种情况。
关键词:溢流型球磨机;建模;筒体;静力分析
溢流型球磨机是根据经典的粉碎理论和破碎力学设计的,溢流型球磨机的工作原理是同步电动机驱动小齿轮,小齿轮再驱动大齿圈带动球磨机筒体旋转,筒体中的矿石物料与磨矿介质钢球在筒体内做抛物运动,在筒体内产生冲击作用而砸碎矿石,使物料矿石达到成品粒度要求。在溢流型球磨机的使用过程中,筒体内壁的锰钢或磁性衬板,会有一定几率发生裂纹并漏矿,造成生产流程的突然中断,导致比较严重的生产事故。因此,需要对筒体的受力进行实用性分析。
1 建立不同球磨机转速的模型
1.1 溢流型球磨机内钢球物料抛离点和下落点位置的确定
考虑到载荷加载方便,在建立模型时,应方便地选择模型上的负载面积。分析旋转磨机筒体的运动规律。磨机模型的建立分两步骤,第一步,在 (β到α+90度)范围内,建立球磨机物料和钢球的抛物运动区域。第二步,在(α+90)度到(360度β)范围内, 建立球磨机物料和钢球的研磨粉碎区域,再将二个分体模型通过布尔命令中的面粘結命令,粘成一个球磨机筒体的整体模型。
这样建模后,在后面载荷加载过程中,能够快速把负载加到研磨区域内。物料和磨矿介质随筒体一起旋转,上升到合力为零的高度位置后,物料和钢球抛出。
图1 为筒体内物料的运动规律
1.2 有限元模型的建立
建立多个模型,来分析不同转速下的受力情况。本文的模型多而且是简单模型,在增强运算结果的精度的同时,还要减小分析的难度,假设以下条件:(1)筒体两侧是推力轴承且刚性足够,可作为刚性支撑;(2)物料和钢球的抛物运动,在与轴向垂直的各个截面上完全相同;(3)钢球与衬板之间,钢球与钢球之间无相对运动;球磨机为铸钢件,弹性模量E=2.01×1011Pa。有限元单元为solid106单元。
2 对球磨机筒体施加负载
在有限元结构的分析中,集中荷载通常是将荷载施加到梁、杆和弹簧等不连续模型的一种方法。采用壳单元的连续模型,平面单元和三维实体单元等,施加集中载荷,意味着会有应力奇异,但在静态分析中,如果你不在乎的应力集中荷载在节点,根据Saint Venant原理,可以用来代替静态负载等效集中荷载分布加在模型,虽然有在负荷附近的本地特性的影响,但对整个结构的性能影响不是很大,本文将集中载荷转化为表面载荷并加载到模型。
在球磨机筒体衬板上的作用力有: 球磨机的重力,磨机内一起做旋转运动的矿石钢球的重量及离心力; 此外还有做抛物运动的矿石钢球落下后对筒体衬板的冲击力。
3 力学分析计算和结果
分别对各个模型进行负载加载,先进行预处理器中的计算。完成后,再进行后处理器的加载计算,最后得出等效位移云图,等效应力云图。对所得出的云图的内容和数据进行对比分析,得出球磨机的最大应变和最大应力的点。
通过分析,得知球磨机有两个主要形变的区域,筒体的下部是最突出的,应力集中的位置在上半部分出现,因为筒体的两个端面的自由被约束,所以压力先在这个环上出现。由于限制了筒体旋转运动以外,所有的自由度,实际情况与计算结果相同。从图中2可以看出,填充率在0.3 时,不同转速曲线的值出现最低值,越高转速曲线的应变数值越小,所有应变数值都不很高。当填充率为0.5时,
图2 各转速填充率DMX结果值
各个转速曲线的应变数值都有所增加。同时,应变数值不会受转速变化的影响,基本上保持在一个范围内,这时球磨机是比较稳定的。当填充率为0.4和0.6时,应变数值没有特定的变化规律,且波动很大。在实际的调速过程中,系统会进入不稳定状态。
4 结论分析
1)根据计算结果的分析得出:球磨机的旋转速度越高,应力越大;矿石钢球充填的越多,应力越大。计算数据符合实际操作。在静力分析结果中,位移小于实际变形值,应力值大于实际应力。
2)强度校核,构成球磨机筒体的材料是铸钢材质,该材质的抗拉强度δ为500MPa,安全系数n为1.1。因此,球磨机筒体构成材料的允许应力是[δ]=δ/1.1=454MPa 。最大允许应力δmax =305MPa<[δ]所以球磨机筒体具有足够的强度。
3)应力集中关键部位分析,从得出分析结果看,如果筒体的应力集中,很可能是在偏离点靠下一些的位置。这部分需要加强刚性,通过采取一些措施来。从计算结果来看,在相同速度下,随着填充率的增加,应力略有下降,然后逐渐增大。随着速度的增加,应力随填充率的增加而逐渐增大。
5 结论
(1)填充率为0.3时,要保证运行速度要低于19转/分钟,防止压力过大,但0.3的填充率时为最小应变状态,所有球磨机运行在17转/分钟,效率较高,比较理想。
(2)当物料填充率为0.5时,各转速的应变数值不是最大值,而且整体值高。此时,设备负荷较重。给矿量过大的情况往往会发生。建议在这种状态下运行以增加生产能力。
(3)当材料填充率为0.2时,虽然应力应变小,但生产率太低,应尽量避免这种情况。