溢流型球磨機受力分析

張玉寶 邢智

摘 要：對寶山公司選礦廠大型溢流型球磨機的工況進行靜態分析，創建不同工作轉速下各自的瞬時模型，分析不同工況下的受力情況，得出有利于分析實際工況的數據，現場實際生產負荷已經遠大于設備額定負荷，格子型球磨機的初始數據已不再適合新的工況任務要求，結合實際情況分析得出有利于提高生產效率的設備參數數據。

關鍵詞：溢流型球磨機；建模；筒體；靜力分析

溢流型球磨機是根據經典的粉碎理論和破碎力學設計的，溢流型球磨機的工作原理是同步電動機驅動小齒輪，小齒輪再驅動大齒圈帶動球磨機筒體旋轉，筒體中的礦石物料與磨礦介質鋼球在筒體內做拋物運動，在筒體內產生沖擊作用而砸碎礦石，使物料礦石達到成品粒度要求。在溢流型球磨機的使用過程中，筒體內壁的錳鋼或磁性襯板，會有一定幾率發生裂紋并漏礦，造成生產流程的突然中斷，導致比較嚴重的生產事故。因此，需要對筒體的受力進行實用性分析。

1 建立不同球磨機轉速的模型

1.1 溢流型球磨機內鋼球物料拋離點和下落點位置的確定

考慮到載荷加載方便，在建立模型時，應方便地選擇模型上的負載面積。分析旋轉磨機筒體的運動規律。磨機模型的建立分兩步驟，第一步，在 （β到α+90度）范圍內，建立球磨機物料和鋼球的拋物運動區域。第二步，在（α+90）度到（360度β）范圍內， 建立球磨機物料和鋼球的研磨粉碎區域，再將二個分體模型通過布爾命令中的面粘結命令，粘成一個球磨機筒體的整體模型。

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

圖1 為筒體內物料的運動規律

1.2 有限元模型的建立

建立多個模型，來分析不同轉速下的受力情況。本文的模型多而且是簡單模型，在增強運算結果的精度的同時，還要減小分析的難度，假設以下條件：（1）筒體兩側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動，在與軸向垂直的各個截面上完全相同；（3）鋼球與襯板之間，鋼球與鋼球之間無相對運動；球磨機為鑄鋼件，彈性模量E=2.01×1011Pa。有限元單元為solid106單元。

2 對球磨機筒體施加負載

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

在球磨機筒體襯板上的作用力有： 球磨機的重力，磨機內一起做旋轉運動的礦石鋼球的重量及離心力； 此外還有做拋物運動的礦石鋼球落下后對筒體襯板的沖擊力。

3 力學分析計算和結果

分別對各個模型進行負載加載，先進行預處理器中的計算。完成后，再進行后處理器的加載計算，最后得出等效位移云圖，等效應力云圖。對所得出的云圖的內容和數據進行對比分析，得出球磨機的最大應變和最大應力的點。

通過分析，得知球磨機有兩個主要形變的區域，筒體的下部是最突出的，應力集中的位置在上半部分出現，因為筒體的兩個端面的自由被約束，所以壓力先在這個環上出現。由于限制了筒體旋轉運動以外，所有的自由度，實際情況與計算結果相同。從圖中2可以看出，填充率在0.3 時，不同轉速曲線的值出現最低值，越高轉速曲線的應變數值越小，所有應變數值都不很高。當填充率為0.5時，

圖2 各轉速填充率DMX結果值

各個轉速曲線的應變數值都有所增加。同時，應變數值不會受轉速變化的影響，基本上保持在一個范圍內，這時球磨機是比較穩定的。當填充率為0.4和0.6時，應變數值沒有特定的變化規律，且波動很大。在實際的調速過程中，系統會進入不穩定狀態。

4 結論分析

1）根據計算結果的分析得出：球磨機的旋轉速度越高，應力越大；礦石鋼球充填的越多，應力越大。計算數據符合實際操作。在靜力分析結果中，位移小于實際變形值，應力值大于實際應力。

2）強度校核，構成球磨機筒體的材料是鑄鋼材質，該材質的抗拉強度δ為500MPa，安全系數n為1.1。因此，球磨機筒體構成材料的允許應力是[δ]=δ/1.1=454MPa 。最大允許應力δmax =305MPa<[δ]所以球磨機筒體具有足夠的強度。

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

5 結論

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

（2）當物料填充率為0.5時，各轉速的應變數值不是最大值，而且整體值高。此時，設備負荷較重。給礦量過大的情況往往會發生。建議在這種狀態下運行以增加生產能力。

（3）當材料填充率為0.2時，雖然應力應變小，但生產率太低，應盡量避免這種情況。