選礦工程矩形常壓容器強度分析及其優化設計探究

岳士睿

摘 要：隨著社會經濟的不斷發展，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、儲罐、溜槽等完成運輸、儲存等工作，其中使用頻率最高的便是矩形結構。本文將采用Solid Works軟件建模，對模塊進行有限元分析，并分析矩形常壓容器的靜力學原理，從分析結果中可知，加強筋與耳座之間的連接方式，能夠有效控制容器的重量，為容器優化提供了極大的參考作用。

關鍵詞：選礦工程；矩形常壓容器；強度；優化設計

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行計算，沒有考慮到外載荷、容器形式對設備強度產生的影響，在實際選礦工程的應用中，需要通過查圖的方式，對壁厚應力、撓度等相關系數進行計算，準確性難以得到切實保障，而采用有限元法則能夠將復雜的強度分析問題簡單化，使結構形式、各項參數變得更加明確，從而使設計效率得到顯著提升。

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構為例，對該矩形結構進行分析和研究。已知，該礦箱的基本參數為：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，根據具體的工程狀況可能會滿漿，密度為1.9t/m3。本文后續的研究均在其處于滿漿的前提下進行，對容器的內部壓力進行計算。在箱體壁板中，實際厚度包括名義厚度、鋼板厚度負偏差、腐蝕裕度等，本文的研究以名義厚度為準，構建模型進行分析。

2矩形常壓容器的有限元分析

2.1加強筋的經濟性

在NB/T47003標準中規定，在對容器壁厚進行選擇時，應在剛度校核不合格的前提下，增加加強筋結構，而沒有探討加強筋的使用對強度產生的影響。事實上，加強筋的引入必然會影響到容器的強度，因此需要在此基礎上采用有限元法，在需要提升強度的基礎上，對增加壁厚或者增加加強筋兩種方式的經濟性進行對比研究。

加強筋對強度的影響、截面膜量之間呈現正比例關系，為了最大限度控制加強筋對最終結果產生的干擾，則需要盡可能的使用截面模量偏小的加強筋，其截面尺寸最終選擇為8mm×50mm。為了更好的分析和研究，需要對模型進行精簡和優化，使其對結果產生的干擾進一步減小。引入Solid Works軟件進行建模，分別在壁厚、加強筋數量均不同的情況下構建模型，同時加載相同的載荷，獲取到對應的應力值。

測試結果表明：當壁厚為8mm時，在無加強筋的情況下，殼體的最大應力為197/MPa，在有加強筋的情況下，最大應力為164/MPa，加強筋的最大應力為201/MPa；當壁厚為10mm時，在無加強筋的情況下，殼體的最大應力為130/MPa，在有加強筋的情況下，最大應力為92/MPa，加強筋的最大應力為137/MPa；當壁厚為12mm時，在無加強筋的情況下，殼體的最大應力為94/MPa，在有加強筋的情況下，最大應力為71/MPa，加強筋的最大應力為101/MPa；由此可見，結構均能夠充分滿足強度要求。將加強筋引入以后，殼體的應力值不斷的下降，并且加強筋的應力只是略超過無加強筋情況下的殼體應力，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，而增設加強筋的作用只有48kg，能夠節約14%的材料，且能夠呈現出十分良好的剛度與強度。因此，適應加強筋結構的經濟性較為顯著。

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上，與耳座相互連接。為了盡可能減少加強筋對實驗結果產生的干擾，采用有限元模型將加強筋去除，當耳座較為靠上時，則有以下幾種連接方式：

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

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

針對兩種連接方式進行對比分析發現，由于結構上存在差異，使兩種方案中的最大應力不盡相同。在方案一中，由于底板與平面固定，受到箱體自重影響使側壁板的底部應力增加，加之受內部壓力的影響，底部的應力值更大；在方案二中，最大應力出現在耳座附近，且較為集中，對周圍應力的影響較弱，側壁板底部產生的應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行連接，能夠使容器強度、剛度等參數得到有效的改善與優化。

2.3外載荷對容器強度的影響

在選礦工程中，矩形容器主要作用在于緩沖與儲存，需要接入其他管道，由此產生力矩。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行有限元分析：

情況一：箱體中的最大應力位于寬側底部，數值為132MPa，排礦管根部應力不夠集中；

情況二：箱體中的最大應力位于寬側底部，數值為135MPa，排礦管根部應力集中，數值為30MPa；

情況三：箱體中的最大應力位于寬側底部與排礦管間，數值為180MPa；受到排礦管底部集中區域的最大應力影響，使最大應力數值得到顯著提升。

3結論

通過本文的研究可知，將加強筋引入到選礦工藝中，能夠有效提升強度，具有較強的經濟性；耳座連接形式的選擇能夠使剛度、強度得到明顯提升；外載荷與內壓相比，對箱體強度的影響較小；采用有限元法對選礦工程的各項參數進行計算，能夠更加清楚直觀，計算效率更高，能夠為選礦設計提供更多幫助。

參考文獻：

[1]初強.活性粉末混凝土（RPC）矩形渡槽槽身結構優化設計及穩定性研究[D].北京交通大學，2016.

[2]丁江寬.矩形頂管工作井圍護結構施工力學分析及優化設計[D].內蒙古科技大學，2014.