球磨機轉子吊具設計及有限元分析

摘要：球磨機轉子是分瓣結構，在用戶現場與球磨滾筒進行連接，需要分瓣進行臥式安裝，轉子的吊運存在困難，需設計出合適的吊具來吊運分瓣轉子，吊裝時的安全尤為重要，因此吊具的結構設計和力學性能的優化成為關鍵，本文在傳統設計方法的基礎上，利用Solidworks和Ansys分別對吊具進行參數化設計和有限元分析，根據分析的情況，優化吊具的結構，最終實現了吊具的結構優化，滿足了吊運的安全要求。

關鍵詞：分瓣轉子? 吊具? 結構優化? 有限元分析

前言：

云南錫業公司磨機改造項目，需更換電機，但磨機的滾筒不能拆卸（滾筒相當于常規電機的轉軸），因此，電機定子、轉子需設計成分瓣結構，才能保證轉子安裝到滾筒上，其中上下部分定子都設計有吊耳，能滿足現場安裝吊運要求，轉子是永磁結構，整個轉子由三瓣組成，不能直接用吊索吊運轉子，需設計專用吊具來吊運分瓣轉子，而且需吊運分瓣轉子成臥狀態（轉子軸線水平），才能保證轉子順利安裝到滾筒上。

1.吊具結構簡介

分瓣轉子結構示意圖見圖1，整個轉子由三瓣組成。為保證電機轉子安全、順利的安裝到滾筒上，需設計一副能吊運轉子水平的專用吊具，在吊具設計過程中還需對吊具的強度和剛度進行分析，在滿足起吊安全需要的同時，也要減輕吊具自身的重量，便于操作。

根據安裝的需要，結合分瓣轉子的結構特點，吊具的起吊位置必須在分瓣轉子的外側，而且吊點需設計在重心線上，才能保證分瓣轉子水平。所以將吊具設計成C型結構，吊具結構示意圖見圖2所示，本吊具的額定載荷按分瓣轉子的重量進行設計，吊具上部設計有3個吊耳孔，圖示右邊的吊耳孔是用于吊具自身吊運用，保證吊具自身水平，便于安裝到分瓣轉子上;中間的吊耳孔是用于吊運轉子用，吊耳孔的位置設計在分瓣轉子和吊具的綜合質心線上，可保證將分瓣轉子吊運水平;考慮電機轉子和吊具的制造誤差，左邊設計了一個吊耳，主吊耳孔左右兩邊都有吊耳孔，根據實際吊運的需要，選擇一個用于吊運時調節轉子水平，吊運分瓣轉子的示意圖見圖3。因轉子是永磁結構，有很強的磁性能，在C型吊具內側安裝有兩塊不銹鋼板，用于隔磁，便于吊具的安裝和拆卸。

2.參數化設計

在進行吊具設計過程中，按照圖4的思路進行設計，吊具方案確定后，結合分瓣轉子的結構特點和安裝要求，確定吊具的安裝尺寸，利用材料力學知識初估結構尺寸，計算吊具的強度，并根據計算結果調整尺寸，使得吊具滿足強度要求，從而確定基本尺寸;再利用SolidWorks建立吊具的三維模型，并倒入ANSYS Workbench進行有限元分析，若分析的強度、剛度不滿足要求，則修改吊具尺寸;若分析結果滿足要求，則確定各零部件具體尺寸，完成整個吊具的設計。利用參數化設計吊具與傳統設計方法相比，能更優化吊具的結構，避免不必要的浪費，而且可減少設計周期，提高效率。

3. ANSYS Workbench有限元分析

ANSYS Workbench是ANSYS公司提出的一種新的仿真環境。采用SolidWorks建立吊具模型，再導入到ANSYS Workbench中，對吊具進行強度、剛度的分析。

3.1吊具參數

3.1.1吊具材料參數

吊具的材料為 Q355，在常溫下的屈服極限為355MPa，彈性模量為2.1XPa，泊松比取0.3，密度為7800kg/。

3.1.2吊具起吊工況

吊具按3t的載荷進行設計，按吊具和被吊工件的綜合質心在吊具中間的吊耳孔的中心線上，即一個吊點起吊。

3.2吊具有限元網格劃分

吊具主要由鋼板焊接而成，選擇吊具主結構劃分粗網格，在焊縫連接處進行網格細化處理，吊具共劃分了4576個單元，2134個節點，劃分有限元網格后的模型如圖5所示。

3.3吊具分析結果

靜力分析是工程設計人員經常使用的一種分析手段，它主要是計算固定的載荷在結構上所引起的應力和應變等。對吊具的結構進行靜力學分析，主要是計算分析其結構的靜強度和靜剛度。

從圖6可以看出吊具的最大應力值為143.8MPa，大于需用應力值，不能滿足要求，需對吊具進行優化。將吊具兩側的板厚度由20mm改為了25mm。

優化后重新進行應力分析，分析結果如圖7和圖8所示，從圖7吊具應力云圖可以得到吊具的最大應力為114.6MPa，最大應力值小于許用應力。從圖8吊具變形云圖，可以得到吊具的最大變形為1.06mm。根據分析，吊具的強度和剛度符合設計要求。

4.結論

該吊具解決了沒有合適吊點的分瓣轉子的吊運問題，操作方便。而且通過SolidWorks和ANSYS軟件并結合吊具實際使用工況，對吊具結構進行靜力學分析，得出吊具在靜態下的應力云圖和變形云圖，為吊具的安全性提供了依據。防止分瓣轉子吊運和安裝過程中安全事故的發生。

參考文獻

【1】吳宗澤? ? ?機械零件設計手冊? ?機械工業出版社

【2】楊伯源? ? ?材料力學? 北京工業出版社

【3】尹成湖? ? ?材料力學? 北京工業出版社

【4】張朝暉? ? ? ANSYS工程應用范例入門與提高? ? 清華大學出版社

作者簡介：賀昭榮（1982-），男，湖南常寧人，本科，學士學位，工程師，主要從事電機產品工藝研究和吊索具設計工作。