球磨機的回轉體剛度和強度研究

摘要

在球磨機結構特點和形式的基礎上，指出以往采用的經驗強度計算方法的不足。建立了該球磨機基于ANSYS的有限元模型，得出回轉體在滿載靜止、啟動和正常工作三種工況下的應力和變形分析結果，并對其加以比較得出分布規律，提供了給定設計方案的結構應力和變形。

關鍵詞：球磨機；回轉體；鋼度強度

球磨機回轉體的強度和剛度直接影響到球磨機的使用壽命和傳動裝置各部件的運動精度。通常采的經驗強度計算方法。是將球磨機筒體簡化為簡支梁，然后按平面彎曲和扭轉組合變形來計算，由于筒體和端蓋受力十分復雜及其自身結構特點，這種算法不能準確和全面地反映其應力和l變形規律為提高磨機的設計質量，本文采用有限單元法對某球磨機轉體的強度和剛度進行了分析。提供了給定設計方案的結構變形和應力分布。

1、結構簡介

某球磨機回轉體結構如圖1所示，筒體內徑為5500mm，筒體他要8570mm，轉速為13.7r/min，主電機功率為4500kw。電動機通過減速機及周邊大齒輪減速傳動，驅動筒體回轉。筒體內部裝有適當的磨碎介質一鋼球，磨碎介質在離心力和摩擦力的作用下，被提升到一定的調試，呈拋落或匯落狀態。被磨制的物料由給料口連續地進入筒體內部，被運動的磨礦介質所粉碎，并通過溢流和連續給料的力量將物料排出機外，以進行下一段工序的處理。

2、有限元模型

2.1 實體模型的建立

依據已知的結構數據在CATIA三維建模軟件中生成中空軸、筒體以及大齒輪的實體模型。經裝配 后得回轉體的裝 模型如圖2所示 在建模過程中，去掉了螺紋孔、很小的倒角等小影響所關心的計算結果的要素 球磨機實體中的焊縫處在這里按連續處埋．這樣可以節肯很多計算資源，也可以使關心的部分的計算結果更準確。

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 單元類型的選擇

將建好的裝配模型導入ANSYS軟件，選擇三維實體單元Solid45劃分網格。Solid45單元類型一般用于實體結構模型，有八個節點，每個節點有x.y.z三個方向的移動自由度。該單元有塑性、蠕變、鼓脹、應力剛化、大變形和大應變的性能。因此Solid45單元可以滿足此計算的要求。

2.2.2 網格劃分

采用回轉掃略、拉伸、局部區域分割等 風格劃分技術、保證每個零件實體的單元接近于正六面體，然后采用節點合并、耦合等技術將筒體各部分零件組裝成整體。劃分成的風格如圖3所示。

3、邊界條件

3.1 根據載荷不同，球磨機工況可分為三種：

(1)滿載靜止工況 載荷主要由回轉體及介質和物料的自重構成；

(2)正常工作工況 載荷包括回轉體及與筒體接觸的介質和物料的自重、齒輪傳動載荷及回轉體離心載荷三部分；

(3)啟動工況 載簡由電機過載能力確定的齒輪傳動極限載荷、同轉體及介質和物料的自重構成。

3.2 正常工作工況下球磨機工作載荷的確定

(1)大齒輪的輸入轉矩是 T=313.072 875tm，由計算得到作用在大齒輪 的切向力 F1=7.278x105N，軸向力 Fa=6.687 6x10 N，徑向力 ：2.6601x10 N。

(2)該球磨機滿載正常工 作時物料重量為340t，鋼球重量為60t，所以其正常工 作時介質總重為400t。但是由于在工作狀態時有一些物料及鋼球等存離心力和摩擦力的作用下．被提升到一定的高度后甩在空中，呈拋落或泄落狀態．并不作用在筒體因此應計算出直接作用 筒體上的物料及鋼球的重量由已知的球磨機筒體主要技術參數：筒體有效半徑R=2.6425m．取考慮端蓋斜度后的筒體K度L=10m，轉速n=13.73r/min．破碎介質的松散比重y=4.65t/m。

3.3 滿載靜止工況下載荷確定

由于在實體建模時沒有建立筒體及端蓋的襯板，中空軸內部的襯套及固定環等，在施加重力載荷載荷時，需要把襯板的重量按等效密度加到筒體及端蓋上，把中空軸內部的襯套和固定環等的重量按等效密度加到中空軸上（其所有材料的密度均為7850kg/m³）。等效的方法如下：

(1)筒體（包括對應的襯板）重量為147t，體積是9.4704m³，所以等效密度是15.522kg/m³；

(2)每個端蓋（包括對應的襯板）重46.5t，體積是3.377m³，所以等效密度是13.770kg/m³；

(3)中空軸（包括固定環、進料襯套、出料襯套等）94t，體積是6.528m³，故其等效密碼是14400kg/m³；

已知大齒輪的重量為52t，所以可以得出球磨機的結構重量為386t，它們的重力作用由旋回的重力加速度g=9.8m/s²確定。正常工作時回轉體體兩端按簡支梁施加約束，其載荷及約束形式如圖5所示。其余兩種工況約束形式同正常工作工況。

4、結果分析

4.1 應力分析

對所得有限元模型 進行求解，得筒體在三種工況下的載荷 作用方向上回轉體當量應力分布見圖6。

從圖6中可以清楚的看出，滿載靜止時大部分應力在11MPa左右，只有在筒體與端蓋連接處的應力突然變大，且在進料端簡體處的應力要大一些，筒體 應力為47.8MPa。正常工況， 應力值為35.3MPa。其位置在大齒輪的邊緣載荷加載處，存筒體與右端蓋(無齒輪一側)的連接處的應力值為24.9MPa，與左端蓋連接處的應力值為18MPa，其他位置的應力值很小。啟動工況 應力值為106MPa，其位置存大齒輪的邊緣載荷加載處附近。

筒體與端蓋的材料是ZG20SiMn，屈服極限為300MPa，大齒輪的材料是ZG42GrMo，屈服極限是540Mpa，各工況的 應力值都小于相應材料的屈服極限，故在各工況下球磨機回轉體強度均滿足要求。

4.2 位移分析

從圖7中可以清楚地看出，滿載靜止時筒體的 位移為1.682mm，正常工況下 位移為1.94mm，啟動工況 位移值為3.103mm，其位置均在載荷作用方向筒體中心處。其余絕大部分變形量都很小，說明各工況下回轉體的剛度足夠。曲線圖中曲線突變是由筒體與端蓋連接處的結構突變引起的。

5、結論

(1)通過某球磨機進行有限元分析，得出該球磨機應力和變形分布規律，驗證該球磨機的強度和剛度均符合要求。

(2)本文提出的有限元分析方法適用于同類磨機的強度和剛度分析。