溢流型球磨機(jī)受力分析

張玉寶 邢智

摘 要：對寶山公司選礦廠大型溢流型球磨機(jī)的工況進(jìn)行靜態(tài)分析，創(chuàng)建不同工作轉(zhuǎn)速下各自的瞬時(shí)模型，分析不同工況下的受力情況，得出有利于分析實(shí)際工況的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)負(fù)荷已經(jīng)遠(yuǎn)大于設(shè)備額定負(fù)荷，格子型球磨機(jī)的初始數(shù)據(jù)已不再適合新的工況任務(wù)要求，結(jié)合實(shí)際情況分析得出有利于提高生產(chǎn)效率的設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：溢流型球磨機(jī)；建模；筒體；靜力分析

溢流型球磨機(jī)是根據(jù)經(jīng)典的粉碎理論和破碎力學(xué)設(shè)計(jì)的，溢流型球磨機(jī)的工作原理是同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪，小齒輪再驅(qū)動(dòng)大齒圈帶動(dòng)球磨機(jī)筒體旋轉(zhuǎn)，筒體中的礦石物料與磨礦介質(zhì)鋼球在筒體內(nèi)做拋物運(yùn)動(dòng)，在筒體內(nèi)產(chǎn)生沖擊作用而砸碎礦石，使物料礦石達(dá)到成品粒度要求。在溢流型球磨機(jī)的使用過程中，筒體內(nèi)壁的錳鋼或磁性襯板，會(huì)有一定幾率發(fā)生裂紋并漏礦，造成生產(chǎn)流程的突然中斷，導(dǎo)致比較嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。因此，需要對筒體的受力進(jìn)行實(shí)用性分析。

1 建立不同球磨機(jī)轉(zhuǎn)速的模型

1.1 溢流型球磨機(jī)內(nèi)鋼球物料拋離點(diǎn)和下落點(diǎn)位置的確定

考慮到載荷加載方便，在建立模型時(shí)，應(yīng)方便地選擇模型上的負(fù)載面積。分析旋轉(zhuǎn)磨機(jī)筒體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。磨機(jī)模型的建立分兩步驟，第一步，在 （β到α+90度）范圍內(nèi)，建立球磨機(jī)物料和鋼球的拋物運(yùn)動(dòng)區(qū)域。第二步，在（α+90）度到（360度β）范圍內(nèi)， 建立球磨機(jī)物料和鋼球的研磨粉碎區(qū)域，再將二個(gè)分體模型通過布爾命令中的面粘結(jié)命令，粘成一個(gè)球磨機(jī)筒體的整體模型。

這樣建模后，在后面載荷加載過程中，能夠快速把負(fù)載加到研磨區(qū)域內(nèi)。物料和磨礦介質(zhì)隨筒體一起旋轉(zhuǎn)，上升到合力為零的高度位置后，物料和鋼球拋出。

圖1 為筒體內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

1.2 有限元模型的建立

建立多個(gè)模型，來分析不同轉(zhuǎn)速下的受力情況。本文的模型多而且是簡單模型，在增強(qiáng)運(yùn)算結(jié)果的精度的同時(shí)，還要減小分析的難度，假設(shè)以下條件：（1）筒體兩側(cè)是推力軸承且剛性足夠，可作為剛性支撐；（2）物料和鋼球的拋物運(yùn)動(dòng)，在與軸向垂直的各個(gè)截面上完全相同；（3）鋼球與襯板之間，鋼球與鋼球之間無相對運(yùn)動(dòng)；球磨機(jī)為鑄鋼件，彈性模量E=2.01×1011Pa。有限元單元為solid106單元。

2 對球磨機(jī)筒體施加負(fù)載

在有限元結(jié)構(gòu)的分析中，集中荷載通常是將荷載施加到梁、桿和彈簧等不連續(xù)模型的一種方法。采用殼單元的連續(xù)模型，平面單元和三維實(shí)體單元等，施加集中載荷，意味著會(huì)有應(yīng)力奇異，但在靜態(tài)分析中，如果你不在乎的應(yīng)力集中荷載在節(jié)點(diǎn)，根據(jù)Saint Venant原理，可以用來代替靜態(tài)負(fù)載等效集中荷載分布加在模型，雖然有在負(fù)荷附近的本地特性的影響，但對整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能影響不是很大，本文將集中載荷轉(zhuǎn)化為表面載荷并加載到模型。

在球磨機(jī)筒體襯板上的作用力有： 球磨機(jī)的重力，磨機(jī)內(nèi)一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的礦石鋼球的重量及離心力； 此外還有做拋物運(yùn)動(dòng)的礦石鋼球落下后對筒體襯板的沖擊力。

3 力學(xué)分析計(jì)算和結(jié)果

分別對各個(gè)模型進(jìn)行負(fù)載加載，先進(jìn)行預(yù)處理器中的計(jì)算。完成后，再進(jìn)行后處理器的加載計(jì)算，最后得出等效位移云圖，等效應(yīng)力云圖。對所得出的云圖的內(nèi)容和數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出球磨機(jī)的最大應(yīng)變和最大應(yīng)力的點(diǎn)。

通過分析，得知球磨機(jī)有兩個(gè)主要形變的區(qū)域，筒體的下部是最突出的，應(yīng)力集中的位置在上半部分出現(xiàn)，因?yàn)橥搀w的兩個(gè)端面的自由被約束，所以壓力先在這個(gè)環(huán)上出現(xiàn)。由于限制了筒體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以外，所有的自由度，實(shí)際情況與計(jì)算結(jié)果相同。從圖中2可以看出，填充率在0.3 時(shí)，不同轉(zhuǎn)速曲線的值出現(xiàn)最低值，越高轉(zhuǎn)速曲線的應(yīng)變數(shù)值越小，所有應(yīng)變數(shù)值都不很高。當(dāng)填充率為0.5時(shí)，

圖2 各轉(zhuǎn)速填充率DMX結(jié)果值

各個(gè)轉(zhuǎn)速曲線的應(yīng)變數(shù)值都有所增加。同時(shí)，應(yīng)變數(shù)值不會(huì)受轉(zhuǎn)速變化的影響，基本上保持在一個(gè)范圍內(nèi)，這時(shí)球磨機(jī)是比較穩(wěn)定的。當(dāng)填充率為0.4和0.6時(shí)，應(yīng)變數(shù)值沒有特定的變化規(guī)律，且波動(dòng)很大。在實(shí)際的調(diào)速過程中，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論分析

1）根據(jù)計(jì)算結(jié)果的分析得出：球磨機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度越高，應(yīng)力越大；礦石鋼球充填的越多，應(yīng)力越大。計(jì)算數(shù)據(jù)符合實(shí)際操作。在靜力分析結(jié)果中，位移小于實(shí)際變形值，應(yīng)力值大于實(shí)際應(yīng)力。

2）強(qiáng)度校核，構(gòu)成球磨機(jī)筒體的材料是鑄鋼材質(zhì)，該材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度δ為500MPa，安全系數(shù)n為1.1。因此，球磨機(jī)筒體構(gòu)成材料的允許應(yīng)力是[δ]=δ/1.1=454MPa 。最大允許應(yīng)力δmax =305MPa<[δ]所以球磨機(jī)筒體具有足夠的強(qiáng)度。

3）應(yīng)力集中關(guān)鍵部位分析，從得出分析結(jié)果看，如果筒體的應(yīng)力集中，很可能是在偏離點(diǎn)靠下一些的位置。這部分需要加強(qiáng)剛性，通過采取一些措施來。從計(jì)算結(jié)果來看，在相同速度下，隨著填充率的增加，應(yīng)力略有下降，然后逐漸增大。隨著速度的增加，應(yīng)力隨填充率的增加而逐漸增大。

5 結(jié)論

（1）填充率為0.3時(shí)，要保證運(yùn)行速度要低于19轉(zhuǎn)/分鐘，防止壓力過大，但0.3的填充率時(shí)為最小應(yīng)變狀態(tài)，所有球磨機(jī)運(yùn)行在17轉(zhuǎn)/分鐘，效率較高，比較理想。

（2）當(dāng)物料填充率為0.5時(shí)，各轉(zhuǎn)速的應(yīng)變數(shù)值不是最大值，而且整體值高。此時(shí)，設(shè)備負(fù)荷較重。給礦量過大的情況往往會(huì)發(fā)生。建議在這種狀態(tài)下運(yùn)行以增加生產(chǎn)能力。

（3）當(dāng)材料填充率為0.2時(shí)，雖然應(yīng)力應(yīng)變小，但生產(chǎn)率太低，應(yīng)盡量避免這種情況。