资源描述：
２ ０ ２ ０年第５期有色金属（ 选矿部分） 收稿日期２ ０ ２ ０ - ０ ８ - ０ ４ 基金项目 国家自然科学基金资助项目（５ １ ６ ７ ４ ０ ３ ４） ； 科技部创新方法工作专项（２ ０ １ ７ Ｉ Ｍ ０ ６ ０ ２ ０ ０） 作者简介 何建成（１ ９ ８ ６－） ， 男， 博士， 高级工程师， 主要从事磨矿及选矿技术与装备研究。Ｅ - ｍ ａ ｉ ｌｈ ｅ ｊ ｉ ａ ｎ ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ＠ｂ ｇ ｒ ｉ ｍｍ ． ｃ ｏ ｍ d o i1 0 . 3 9 6 9／j . i s s n . 1 6 7 1 - 9 4 9 2 . 2 0 2 0 . 0 5 . 0 1 7 ６ ８ ０ｍ ３浮选机关键结构仿真分析 何建成１ ， ２， 沈政昌１，２， 韩登峰１，２， 廖伯承３， 苏辉财３， 牛 萌４ （ １ ．矿冶科技集团有限公司， 北京１ ０ ０ １ ６ ０； ２ ．北矿机电科技有限责任公司， 北京１ ０ ０ １ ６ ０； ３ ．江西铜业集团有限公司 德兴铜矿， 江西 德兴３ ３ ４ ２ ０ ０； ４ ．天津市天河计算机技术有限公司， 天津３ ０ ０ ４ ５ ７） 摘 要介绍了６ ８ ０ｍ ３大型浮选机的结构组成及工作原理， 分析了主轴、 叶轮、 定子等关键结构的作用工况。采用基于 有限元的计算机仿真分析方法对不同工况条件下的主轴、 叶轮、 定子的应力、 应变及变形情况进行了分析， 得到主轴、 叶轮及 定子的强度设计安全系数分别为３ ． ２ ４、３ ． ３ ８和３ ． ９ ５； 叶轮下缘处最大变形为１ ． ９ ６ｍｍ， 占叶轮定子间隙设计值的１ ． ３％； 启动 工况下定子顶部最大变形量达到６ ． ８ ３ｍｍ； 主轴及叶轮前１ ０阶固有频率与主轴叶轮旋转频率相差较大， 不存在共振风险。研 究工作为６ ８ ０ｍ３浮选机关键结构的进一步优化提供了依据。 关键词６ ８ ０ｍ ３浮选机； 有限元； 强度； 刚度； 模态 中图分类号Ｔ Ｄ ４ ５ ６ 文献标志码Ａ 文章编号１ ６ ７ １ - ９ ４ ９ ２（２ ０ ２ ０）０ ５ - ０ ０ ９ １ - ０ ７ S i m u l a t i o nA n a l y s i so fK e yS t r u c t u r eo f ６ ８ ０m ３F l o t a t i o nM a c h i n e ＨＥＪ i a n c h e n g 1，2， ＳＨＥＮＺ h e n g c h a n g 1，2， ＨＡＮＤ e n g f e n g 1，2， Ｌ Ｉ Ａ ＯＢ o c h e n g ３， Ｓ ＵＨ u i c a i ３， Ｎ Ｉ ＵＭ e n g ４ （ 1 ． Ｂ Ｇ Ｒ Ｉ ＭＭ Ｔ e c h n o l o g yＧ r o u p，Ｂ e i j i n g1 ０ ０ 1 ６ ０，Ｃ h i n a； 2 ． Ｂ Ｇ Ｒ Ｉ ＭＭ Ｍ a c h i n e r y＆ Ａ u t o m a t i o nＴ e c h n o l o g yＣ o ．，Ｌ t d ．，Ｂ e i j i n g1 ０ ０ 1 ６ ０，Ｃ h i n a； ３ ． Ｊ i a n g x iＣ o p p e rＣ o m p a n yＬ i m i t e dＤ e x i n gＣ o p p e rＭ i n e，Ｄ e x i n g３ ３ ４ 2 ０ ０，Ｊ i a n g x i，Ｃ h i n a； ４ ．Ｔ i a n j i nＴ i a n h eＣ o m p u t e rＴ e c h n o l o g yＣ o ．，Ｌ t d ．，Ｔ i a n j i n g３ ０ ０ ４ ５ ７，Ｃ h i n a） A b s t r a c tＴ ｈ ｅｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅａ ｎ ｄｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅｏ ｆ６ ８ ０ ｍ ３ｆ ｌ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅａ ｒ ｅｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄａ ｎ ｄｔ ｈ ｅ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓｏ ｆ ｔ ｈ ｅｋ ｅ ｙｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓｓ ｕ ｃ ｈａ ｓｍ ａ ｉ ｎｓ ｈ ａ ｆ ｔ，ｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒａ ｎ ｄｓ ｔ ａ ｔ ｏ ｒａ ｒ ｅａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ， ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎａ ｎ ｄｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｉ ｎｓ ｈ ａ ｆ ｔ，ｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒａ ｎ ｄｓ ｔ ａ ｔ ｏ ｒｕ ｎ ｄ ｅ ｒｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄｂ ｙｕ ｓ ｉ ｎ ｇｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ．Ｔ ｈ ｅｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓｏ ｆｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｉ ｎｓ ｈ ａ ｆ ｔ，ｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒａ ｎ ｄｓ ｔ ａ ｔ ｏ ｒ ｗ ｅ ｒ ｅ３ ． ２ ４，３ ． ３ ８ ａ ｎ ｄ３ ． ９ ５ｒ ｅ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ，ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍ ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｗ ｅ ｒｅ ｄ ｇ ｅｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒｗ ａ ｓ１ ． ９ ６ｍｍ，ａ ｃ ｃ ｏ ｕ ｎ ｔ ｉ ｎ ｇｆ ｏ ｒ１ ． ３％ｏ ｆ ｔ ｈ ｅｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｖ ａ ｌ ｕ ｅｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒｓ ｔ ａ ｔ ｏ ｒｃ ｌ ｅ ａ ｒ ａ ｎ ｃ ｅ ．Ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅｓ ｔ ａ ｒ ｔ - ｕ ｐｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｔ ｈ ｅｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｔ ｈ ｅｓ ｔ ａ ｔ ｏ ｒｔ ｏ ｐｒ ｅ ａ ｃ ｈ ｅ ｓ ６ ． ８ ３ｍｍ，ｔ ｈ ｅｆ ｉ ｒ ｓ ｔ１ ０ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｅ ｓｏ ｆｔ ｈ ｅｍ ａ ｉ ｎｓ ｈ ａ ｆ ｔａ ｎ ｄｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｌ ｙｆ ｒ ｏ ｍｔ ｈ ｅｒ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙｏ ｆ ｔ ｈ ｅｍ ａ ｉ ｎｓ ｈ ａ ｆ ｔ ｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ，ｓ ｏｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｉ ｓｎ ｏｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｒ ｉ ｓ ｋ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈｗ ｏ ｒ ｋｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｒ ｔ ｈ ｅ ｒｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｔ ｈ ｅｋ ｅ ｙｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｏ ｆ ６ ８ ０ｍ ３ｆ ｌ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ． K e yw o r d s６ ８ ０ｍ ３ｆ ｌ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ； ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ；ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ；ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ；ｍ ｏ ｄ ｅ 随着矿产资源的不断开采， 矿石呈现出贫、 细、 杂的特性， 一定程度上增加了矿产资源的利用难 度［ １］。大规模、 集约化开采成为保障经济价值的重 要发展方向， 随之而来的是采选设备的大型化。其 中， 浮选机作为目前应用最为广泛的选矿设备， 其大 型化的发展进程影响到整个选矿行业［ ２］。在大型浮 选设备国际竞争日趋激烈的环境下， 开发具有我国 自主知识产权的大型浮选机成为保障我国矿产资源 19 万方数据 有色金属（ 选矿部分） ２ ０ ２ ０年第５期 可持续健康发展的关键要素之一［ ３］。２ ０ １ ７年， 矿冶 科技集团成功研制了６ ８ ０ｍ ３大型浮选成套装备［４］， 并投入工业应用至今。浮选机作为现代选矿设备， 在设备、 控制和工艺特性方面都有着较高的要求， 其 中设备特性是浮选机大型化的关键， 在复杂工作环 境中关键组件的强度与刚度等机械性能在一定程度 上决定了整个浮选装备运行的可靠性与稳定性。 １ ６ ８ ０ｍ ３ 浮选机结构及工作原理 ６ ８ ０ｍ ３ 浮选机结构如图１所示， 主要包括 驱动 电机、 减速机、 槽体、 泡沫槽、 主轴、 定子和叶轮。其 中驱动电机连接减速机形成６ ８ ０ｍ ３ 浮选机的驱动 系统， 整个驱动系统由槽体支撑。在减速机的输出 端连接有主轴， 主轴下端安装叶轮， 定子安装在定子 支座上， 并在空间上与叶轮配合。 ６ ８ ０ｍ ３浮选机由电机驱动减速机带动主轴进行 旋转， 悬臂主轴下端装有叶轮。受到叶轮、 定子的作 用， 矿浆处于悬浮状态。鼓风机将低压空气通过中 空轴进入， 在叶轮处释放进入槽体， 随同叶轮的搅拌 将形成大量细小的气泡并分散到整个矿浆中。在浮 选药剂的作用下， 目的矿物与气泡发生碰撞并粘附 在气泡表面， 形成泡沫精矿产品， 未粘附的非目的矿 物则由浮选机尾矿排出［ ４］。 图１ ６ ８ ０ｍ ３浮选机结构及工作原理图 Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅａ ｎ ｄｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅｄ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍｏ ｆ ６ ８ ０ｍ ３ｆ ｌ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 主轴、 叶轮以及定子是影响浮选效果和承受载 荷的关键部件， 其中， 主轴与叶轮形成一个悬臂结 构， 直插入矿浆内部， 并通过主轴端中空结构通有高 温低压空气， 叶轮在搅拌过程中受到矿浆阻力和定 子稳流的影响， 受力状况复杂， 某些极端工况下甚至 会造成主轴断裂等故障； 叶轮和定子作为易损件， 容 易受到磨损和损坏， 需要定期更换。 大型浮选机叶轮和定子系统受力复杂， 借助传 统计算方法无法进行精确设计， 为了保证可靠性， 不 得不选择较高的安全系数， 致使设计冗余性高， 设备 笨重， 制造难度增加， 成本也大幅升高。有限元法 （ Ｆ ＥＭ，Ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅＥ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔＭ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ） 是一种为求解偏微 分方程初边值问题近似解的数值技术。它通过变分 方法， 使得误差函数达到最小值并产生稳定解。不 仅计算精度高， 而且能适应各种复杂形状， 是一种高 效的力学分析手段［ ５ - ６］。本文采用有限元法按照“ 建 模-网格划分-约束添加及载荷施加-结果分析” 的顺 序对６ ８ ０ｍ ３ 浮选机关键部件进行了强度、 刚度分 析， 在此基础上进行优化。 ２ 主轴、 叶轮受力及模态分析 2 . 1 模型简化及网格划分 有限元分析软件自带的建模功能一般仅适用于 简单模型建模， 对于复杂模型有难度， 为此本项目采 用专业的三维建模软件进行物理建模， 同时对模型 中影响有限元网格质量但是对强度影响不大的螺栓 孔等细小特征进行简化， 得到主轴和叶轮的简化模 型见图２。 图２ 搅拌主轴及叶轮简化模型 Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ - ｄ ｉ ｍ ｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｐ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄｍ ｏ ｄ ｅ ｌ 综合考虑计算精度与计算速度， 主轴尺寸相对 较大， 网格尺寸设置为４ ０ｍｍ， 而叶轮截面尺寸较 小， 网格尺寸设置为２ ０ｍｍ， 采用四面体与六面体网 格相结合的方法划分， 得到共计１１ ５ ２３ ３ ７个节点， ５ ３ １４ ３ ７个单元体。 2 . 2 约束及载荷施加 浮选机搅拌主轴及叶轮受力复杂， 通常受到重 力、 切向力、 扭矩及高温有压空气的压力等复合作 用。根据主轴叶轮受力及安装情况， 其工况主要有 四种， 分别为理想工况、 叶轮偏载工况、 主轴偏心工 况以及启动工况。 理想工况是指加工安装过程中叶轮没有偏心， 上下轴安装同轴度高， 基本没有偏差， 在额定功率输 29 万方数据 ２ ０ ２ ０年第５期何建成， 等 ６ ８ ０ｍ ３浮选机关键结构仿真分析 出条件以设定转速正常运转。此条件下搅拌主轴和 叶轮的重量约９０ ０ ０ｋ ｇ， 因重力产生的向下静载荷 约８ ８ｋ Ｎ。叶轮旋转过程中搅拌矿浆从叶轮区域射 出， 产生竖直向下的动载荷和切向力。据此， 对所建 模型施加约束及载荷见图３所示， 其中， 上下轴连接 面添加固定约束； 下部轴及叶轮上面添加竖直方向 载荷８ ８ｋ Ｎ； 由于矿浆射流造成的叶轮承受的径向 力为２ ８ｋ Ｎ； 轴内有高压热空气， 施加压强６ ５ｋ Ｐ ａ； 电机以额定扭矩输出动力条件下叶轮所受扭矩为 ５ ３０ ５ ６Ｎｍ， 折合单叶片受力１ ２０ ５ ８Ｎ。 图３ 约束及加载示意图 Ｆｉｇ．３ Ｓ ｃ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃｄ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｔ ｓａ ｎ ｄ ｌ ｏ ａ ｄ ｓ 理想工况条件下６ ８ ０ｍ ３ 浮选机搅拌主轴与叶轮的 应力分析如图４所示， 整个旋转部件中最大应力为 ４ １ ． ３ＭＰ ａ， 位于下部轴与叶轮连接处； 主轴最大应力 为１ １ ． １ＭＰ ａ， 位于主轴与法兰连接处； 叶轮处最大 应力２ ３ ． ８ＭＰ ａ， 位于主轴与叶轮连接处。 对整个旋转部件的变形量及应变进行分析， 结果 如图５所示， 叶轮下缘处变形最大， 达到１ ． １ ３ｍｍ。 搅拌主轴与叶轮连接处应变最大， 但其变形数值量 很小， 仅有０ ． ３ｍｍ／ｍ。 叶轮偏载工况条件下， 由于叶轮偏心会产生一 离心力作用于叶轮之上， 当其与矿浆射流造成的切 向力方向一致时， 叶轮所受切向力最大。６ ８ ０ｍ ３ 浮 选机设计过程中， 要求叶轮偏心距不超过２ ０ｍｍ， 按 照叶轮偏心距达到２ ０ｍｍ时计算， 其造成的离心力为 ３９ ５ ９Ｎ， 即叶轮所受到的最大径向力达到３ １９ ５ ９Ｎ， 其余约束及载荷均不变化。按照同样方法仿真得到 叶轮偏载工况条件下应力校核结果如图６所示。各最 大应力位置基本没有变化， 但数值均有所增大， 但增加 量很小 整个旋转部件中最大应力为４ ２ ． ４Ｍ Ｐ ａ， 主轴最 大应力为１ １ ． ３Ｍ Ｐ ａ， 叶轮处最大应力为２ ４ ． ６Ｍ Ｐ ａ。 图４ 理想工况条件下应力 Ｆ ｉ ｇ ． ４ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ 图５ 理想工况条件下应变与变形 Ｆ ｉ ｇ ． ５ Ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎａ ｎ ｄｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ 39 万方数据 有色金属（ 选矿部分） ２ ０ ２ ０年第５期 图６ 叶轮偏载工况条件下应力 Ｆ ｉ ｇ ． ６ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒｅ ｃ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ 叶轮偏载工况下整个旋转部件的变形量及应变 分析结果如图７所示， 叶轮下缘处变形最大， 达到 １ ． １ ７ｍｍ， 搅拌主轴与叶轮连接处应变最大， 基本维 持于０ ． ３ｍｍ／ｍ。 主轴偏心工况是指上下轴在安装过程中受加工 误差及安装精度影响， 搅拌主轴与减速机输出轴并 不同心， ６ ８ ０ｍ ３ 浮选机在设计过程中， 规定的上下轴 止口最大配合间隙为０ ． ２ ２ ６ｍｍ， 即上下轴偏心最大 许可值为０ ． １ ５ ８ｍｍ， 经计算在此条件下产生的偏心 力为１ ４ １Ｎ。为了校核极端情况下的应力应变值， 此 工况下认为主轴及叶轮偏心方向一致， 在主轴上施 加一与叶轮径向力方向相同的径向载荷１ ４ １Ｎ， 其余 约束及载荷均不变化。按照同样方法仿真得到主轴 偏心工况条件下应力校核结果如图８所示， 与叶轮偏 心工况相比各最大应力数值增加量仅有０ ． １Ｍ Ｐ ａ， 整 个旋转部件中最大应力为４ ２ ． ５ＭＰ ａ， 主轴最大应力 为１ １ ． ４ＭＰ ａ， 叶轮处最大应力为２ ４ ． ７ＭＰ ａ， 说明设 计所允许的安装间隙是合适的。 主轴偏心工况下整个旋转部件的变形量及应变分 析结果如图９所示， 叶轮下缘处变形最大为１ ． １ ７ｍ ｍ， 搅拌主轴与叶轮连接处应变最大为０ ． ３ｍｍ／ｍ， 与 叶轮偏心工况相比， 基本没有变化。 一般情况下， 浮选机停机检修或长时间停机时 都要求及时排除矿浆， 在停机时间不大于２ｈ的情 况下， 为了减少使用单位的工作量一般不要求排除 矿浆， 但此种条件下矿浆沉积会造成启动阻力增大， ６ ８ ０ｍ ３ 浮选机设计过程中， 要求电机启动扭矩为额定 扭矩的２倍， 因此有必要分析最恶劣工况条件下设备 启动时各部件受力情况， 即为主轴偏心条件下启动工 况。该工况条件下叶轮所受扭矩增大为１ ０ ６１ １ ２Ｎｍ， 其余约束及载荷均不变化。 按照同样方法仿真得到启动工况条件下应力校 核结果如图１ ０所示， 整个旋转部件中最大应力为 ７ １ ． ０ＭＰ ａ， 主轴最大应力为１ ８ ． １ ＭＰ ａ， 叶轮处最大 应力为３ ９ ． １ ＭＰ ａ。与叶轮偏心工况相比各最大应 力数值明显增加， 分别增大６ ７ ． １％、 ５ ８ ． ８％、５ ８ ． ３％。 图７ 叶轮偏载工况条件下变形与应变 Ｆ ｉ ｇ ． ７ Ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｎ ｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒｅ ｃ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ 49 万方数据 ２ ０ ２ ０年第５期何建成， 等 ６ ８ ０ｍ ３浮选机关键结构仿真分析 图８ 主轴偏心工况条件下应力 Ｆ ｉ ｇ ． ８ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎｓ ｈ ａ ｆ ｔ ｅ ｃ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ 图９ 叶轮偏载工况条件下变形与应变 Ｆ ｉ ｇ ． ９ Ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｎｓ ｈ ａ ｆ ｔ ｅ ｃ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ 图１ ０ 启动工况条件下应力 Ｆ ｉ ｇ ． １ ０ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎｓ ｈ ａ ｆ ｔ ｅ ｃ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ 59 万方数据 有色金属（ 选矿部分） ２ ０ ２ ０年第５期 启动工况下整个旋转部件的变形量及应变分析 结果如图１ １所示， 叶轮下缘处变形最大为１ ． ９ ６ｍｍ， 搅拌主轴与叶轮连接处应变最大为０ ． ５ ４ｍｍ／ｍ， 与 叶轮偏心工况相比， 分别增大６ ７ ． ５％、 ８ ０％。 １） 模态分析 ６ ８ ０ｍ ３ 浮选机作为一大型装备， 搅拌主轴和叶 轮是最为重要的旋转部件， 除了强度及刚度以外还 应考虑其频率和主振型等固有特性， 以判断其结构 有无薄弱环节， 是否存在共振可能。对主轴及叶轮 进行模态分析， 考察其固有频率， 得到其前１ ０阶固 有频率如表１所示。 ２） 校核结果及分析 强度影响着机械结构的可靠性与稳定性， 是机 械结构设计中的一个重要关注点， 一般用使用材料 屈服强度与应力的比值来表示所设计结构的安全系 数。启动工况为整个６ ８ ０ｍ ３ 浮选机设计的最恶劣 工况， 以受力状况最为恶劣的启动工况主轴叶轮连 接处应力最大， 以此计算主轴和叶轮的安全系数分 别为３ ． ２ ４和３ ． ３ ８， 其设计满足强度要求， 考虑的国 内材质的生产质量， 安全系数略大一些。在材料质 量有保障的条件下， 可对部分低应力区域做进一步 的结构优化和减重设计。 浮选机主轴为长悬轴结构， 叶轮与定子之间的 间隙影响着周边其余乃至整个浮选机内部的流场分 布， 因此其变形量也是一个重要关注点。启动工况 条件下， 叶轮下缘处变形达到１ ． ９ ６ｍｍ， 叶轮与定子 之间间隙设计值为１ ５ ０ｍｍ， 变形量占比１ ． ３％， 对其 影响很小。搅拌主轴与叶轮连接处应变最大， 但其 变形数值量很小， 仅有０ ． ５ ４ｍｍ／ｍ。从变形上看， 主轴和叶轮设计是安全可靠的。 ６ ８ ０ｍ ３ 浮选机主轴转速约为９ ０ｒ／ｍ ｉ ｎ， 频率约 １ ． ５Ｈ ｚ， 与 表１中 频 率 均 相 差 较 远， 不 存 在 共 振 风险。 ３） 定子受力分析 相对于搅拌主轴及叶轮， 定子受力工况简单一 些， 定子工况主要有两种， 一是理想工况， 二是启动 工况。 同样按照“ 建模-网格划分-约束添加及载荷施 加-结果分析” 的方法对定子进行应力、 变形及应变 分析， 理想工况下， 定子下端面固定， 单个叶片受力 为２２ １ １Ｎ， 启动工况下单个叶片受力加倍， 增大为 ４４ ２ ２Ｎ。得到两种工况下定子的应力、 变形及应变 校核结果如图１ ２所示。启动工况条件下应力、 变形 及应变基本为理想工况条件下的两倍， 最大应力位 于叶片根部为６ ０ ． ７ ２ ＭＰ ａ， 最大变形位于叶片顶部 为６ ． ８ ３ｍｍ， 最大应变位于叶片根部为０ ． ３ｍｍ／ｍ。 叶轮的安全系数为３ ． ９ ５， 满足设计强度要求， 但其变形 较大， 可以通过改变叶片截面形状的方式来减小变形。 图１ １ 启动工况条件下变形与应变 Ｆ ｉ ｇ ． １ １ Ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｎｓ ｈ ａ ｆ ｔ ｅ ｃ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ 表１ 主轴与叶轮前１ ０阶固有频率 Ｔ ａ ｂ ｌ ｅ１ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｅ ｓｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ１ ０ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｓｏ ｆｍ ａ ｉ ｎｓ ｈ ａ ｆ ｔ ａ ｎ ｄ ｉ ｍ ｐ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ 阶数 １２３４５６７８９１ ０ 频率／Ｈ ｚ １ ０ ． １ ６１ ０ ． １ ６３ ８ ． １ ９４ ３ ． ７ ０４ ３ ． ７ ４４ ５ ． ２ ８４ ８ ． ３ ３４ ８ ． ３ ６５ ６ ． ５ ７６ １ ． ９ ８ 69 万方数据 ２ ０ ２ ０年第５期何建成， 等 ６ ８ ０ｍ ３浮选机关键结构仿真分析 图１ ２ 两种工况条件下定子的应力、 变形及应变 Ｆ ｉ ｇ ． １ ２ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ，ｄ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎｏ ｆ ｓ ｔ ａ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎｔ ｗ ｏｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ３ 结论 有限元的计算机仿真分析方法用于复杂结构计 算时高效快捷， 以此方法对６ ８ ０ｍ ３ 浮选机主轴、 叶 轮及定子等关键结构进行强度及刚度分析， 在启动 工况下应力应变及变形最大， 主轴、 叶轮及定子强度 设计安全系数分别为３ ． ２ ４、 ３ ． ３ ８和３ ． ９ ５。叶轮下缘 处最大变形为１ ． ９ ６ｍｍ， 占叶轮定子间隙设计值的 １ ． ３％， 对流场分布影响较小； 启动工况下定子顶部 最大变形量达到６ ． ８ ３ｍｍ， 需要进一步优化。主轴 及叶轮前１ ０阶固有频率与主轴叶轮旋转频率相差 较大， 不存在共振风险。 参考文献 ［１］ Ｆ Ｕ Ｅ Ｒ Ｓ Ｔ Ｅ ＮＡＵ Ｍ Ｃ， Ｊ ＡＭＥ Ｓ ＯＮＧＪ，Ｙ Ｏ ＯＮＲ． Ｆ ｒ ｏ ｔ ｈ ｆ ｌ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａｃ ｅ ｎ ｔ ｕ ｒ ｙｏ ｆ ｉ ｎ ｎ ｏ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ［Ｍ］． Ｌ ｉ ｔ ｔ ｌ ｅ ｔ ｏ ｎ，Ｃ ｏ ｌ ｏ ｒ ａ ｄ ｏ， Ｕ Ｓ ＡＳ ｏ ｃ ｉ ｅ ｔ ｙｆ ｏ ｒＭ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ，Ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｌ ｕ ｒ ｇ ｙ，ａ ｎ ｄＥ ｘ ｐ ｌ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， Ｉ ｎ ｃ ．，２ ０ ０ ９． ［２］ ＴＲ ＫＴ，Ｇ Ｅ Ｒ Ｓ，ＧＮ Ｅ ＲＭＫ，ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍ ｅ ｎ ｔ ｓｉ ｎＦ ｌ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙＩ ＭＰ Ｃ Ｅ ｕ ｒ ａ ｓ ｉ ａ Ｃ ｏ ｎ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ［Ｃ］ ／ ／Ａ ｎ ｔ ａ ｌ ｙ ａ - Ｔ ｒ ｋ ｉ ｙ ｅ，２ ０ １ ９． ［３］ 沈政昌， 卢世杰， 杨丽君． ＫＹ Ｆ系列大型浮选机的研制 开发与应用［Ｊ］．有色金属， ２ ０ ０ ８，６ ０（４） １ １ ５ - １ １ ９． Ｓ ＨＥ ＮＺ ｈ ｅ ｎ ｇ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ，Ｌ ＵＳ ｈ ｉ ｊ ｉ ｅ，ＹＡＮＧＬ ｉ ｊ ｕ ｎ ． Ｒ＆Ｄａ ｎ ｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆＫＹ Ｆｌ ａ ｒ ｇ ｅｓ ｃ ａ ｌ ｅｆ ｌ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｃ ｅ ｌ ｌ ｓｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｂ Ｇ Ｒ Ｉ ＭＭ．Ｎ ｏ ｎ ｆ ｅ ｒ ｒ ｏ ｕ ｓ Ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｓ，２ ０ ０ ８，６ ０（４） １ １ ５ - １ １ ９． ［４］ 沈政昌， 杨义红， 韩登峰， 等． ６ ８ ０ｍ ３充气式机械搅拌浮 选机关键技术特点及其工业应用［Ｊ］．有色金属（ 选矿 部分） ， ２ ０ ２ ０（１） １ ０ ５ - １ １ ２． Ｓ ＨＥ Ｎ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ，ＹＡＮ Ｇ Ｙ ｉ ｈ ｏ ｎ ｇ，ＨＡＮ Ｄ ｅ ｎ ｇ ｆ ｅ ｎ ｇ， ｅ ｔ ａ ｌ ．Ｔ ｈ ｅ ｋ ｅ ｙ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆｔ ｈ ｅ６ ８ ０ ｍ ３ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｄ - ａ ｉ ｒｆ ｌ ｏ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｃ ｅ ｌ ｌ［ Ｊ］． Ｎ ｏ ｎ ｆ ｅ ｒ ｒ ｏ ｕ ｓＭ ｅ ｔ ａ ｌ ｓ（Ｍ ｉ ｎ ｅ ｒ ａ ｌＰ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇＳ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ） ，２ ０ ２ ０（１） １ ０ ５ - １ １ ２． ［５］ Ｄ ＡＶ Ｉ ＤＶ Ｈ．有限元分析基础［Ｍ］．重庆 重庆大学出 版社， ２ ０ ０ ７２ - １ ０． Ｄ Ａ Ｖ Ｉ Ｄ ＶＨ． Ｆ ｕ ｎ ｄ ａ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｏ ｆ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ［Ｍ］． Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇＣ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙＰ ｒ ｅ ｓ ｓ， ２ ０ ０ ７２ - １ ０． ［６］ 李兵， 何正嘉， 陈雪峰． ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ设计优化与 仿真［Ｍ］．北京 清华大学出版社， ２ ０ ０ ８２ ８ - ４ ３． Ｌ Ｉ Ｂ ｉ ｎ ｇ，ＨＥ Ｚ ｈ ｅ ｎ ｇ ｊ ｉ ａ，ＣＨＥ Ｎ Ｘ ｕ ｅ ｆ ｅ ｎ ｇ ．Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆＡ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ［Ｍ］． Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇＴ ｓ ｉ ｎ ｇ ｈ ｕ ａＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙＰ ｒ ｅ ｓ ｓ ， ２ ０ ０ ８２ ８ - ４ ３． 79 万方数据
展开阅读全文
