基于ANSYS立磨机螺旋搅拌机构的分析与优化.pdf

7 2 。 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第3 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ，j ．i s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 1 4 ．0 3 ．0 1 8 基于A N S Y S 立磨机螺旋搅拌机构的分析与优化 何建成，卢世杰，周宏喜，袁树礼，孙小旭 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘 要在实验室试验确定立磨机工况基础上，基于有限元分析软件A N s Y s 对某K 【脚立式螺旋搅拌磨机螺旋搅拌机 构进行了分析和优化，使螺旋底板最大应力降低约6 0 ％，强度大大增加，为螺旋搅拌结构设计提供了理论参考和技术支持。 关键词立磨机；螺旋搅拌机构；有限元分析 中图分类号’r D 4 5 3 ．9 ；T H l 2 2文献标志码A 文章编号1 6 7 l 9 4 9 2 2 0 1 4 0 3 - 0 0 r 7 2 0 4 A n a l y S i sa n do l 啦n I i 黯廿o no fv ．强晾 a lS 髓r r i 呜M 珊’s A N S Y S 丑卫t 凡伽c ，l e 叼，L U 瓿批，z 日D U 日D 咧，n 阴Ⅳ鼢础，J s U Ⅳ胁 蚴琏9 ＆规e n 以冗鳃e 甜娩j 砖￡托H 钯D 厂施，l 均珊试胁t c I z h l 毽y ，j E l e 辨叼如仍6 D ，C 汔讥彩 A b s 劬c t C o n s i d e r i n g t l l e w o r k i n gc o n d i t i o n so fv e n i c a l8 t i r r i n gI I l i Um 鹊t er 】e dt l l 】f o u g ht 1 1 e 瑚 o r a t o r y t e s t s ，s p i r a ls t i Ⅱi n gm e c h a n i s mo faK L Mv e n i c a ls t i 而n gI I l i Uw a sa n a 】畹e d 蚰do p t i m i z e db a s e do nt l l e 6 n i t ee l e m e n la 1 1 a l y s j ss o f t w 脚．eA N S Y S ，t l l em a x i m u ms t r e 鹪j sr e d u c e db y6 } ％，肋dt l l es t r e n a t 1 1i sg 田阴d y e n h a n c e d ．T h es t u d i e sc o u l dp m v i d et h e o r e t i c a lr e f e r e n c e 舭dt e c h n i c a ls u p p o r tf 缸t l l e 肌a l y s i s 觚dd e s i g no f t I l es p i r a ls t i Ⅱi n gs t r u c t u r e ． K e yw o r d s v e r t i c a ls t i Ⅱe dI I l i U ；s p i r a ls t i r T i n gm e c h 觚i s m ；f i n i t ee l e 瑚I e n ta M l y s i s 我国矿产资源日趋贫、细、杂，亟需高效细磨 设备实现有用矿物的充分单体解离，加强对难选微 细粒矿物的回收，提高资源综合利用。国外垄断细 磨装备技术并对我国实行技术封锁，我国自有细磨 装备技术水平较低，细磨设备已成为制约矿产资源 综合利用的“瓶颈”。高效立式螺旋搅拌磨机是细 磨设备的发展方向，可实现选矿厂高效节能生产， 有助于促进节约型社会和绿色矿山的建设[ 心】。 国内立式螺旋搅拌磨机 文中简称立磨机 起 步较晚，结构设计过程中多是模仿国外已有机型相 关结构，对立磨机详细工况、不同工况下磨机具体 受力情况及各结构件的强度、刚度等缺乏足够试验 和有效分析。一方面造成所设计结构不能与功率最 佳匹配，另一方面因缺乏足够的设计依据而阻碍 K L M 等立磨机完全自主国产化、系列化、大型化 进程。 单独通过试验确定设备结构形式和具体参数， 耗费大量人力、物力、财力和时间，且不具有可重 复性。随着现代计算机技术的发展，基于实验室或 工业试验基础上，联合利用计算机C A D 和C A E 等 技术将很好地解决这些问题。 1 立式磨机工作原理 立磨机工作原理图[ ，] 见图1 ，螺旋轴低速旋转 时，在离心力、重力、摩擦力的共同作用下，磨矿 介质 钢球 与矿粒间产生有序的运动循环。 在螺旋叶片表面，磨矿介质螺旋式上升；在筒 体内壁与螺旋叶片的外缘间磨矿介质则螺旋式下 降。微观上，矿粒和磨矿介质受力的不均匀性形成 动态的速度差和受力变化，造成矿粒被强力挤压、 研磨，矿粒之间存在受力折断、微剪切、劈碎等综 合现象，从而实现矿物颗粒的高效粉磨。 在工作过程中，磨矿介质与物料充分接触、充 实度高，磨矿介质之间及磨矿介质与筒体内部、螺 目北京市科技计划资助项目 D 1 2 1 1 0 0 0 0 1 3 1 2 0 0 1 期2 0 1 4 _ 0 1 2 3修回日期2 0 1 4 _ 0 3 一1 9 介何建成 1 9 8 6 一 ，男，山东莱芜人，博士，工程师，主要从事选矿及磨矿设备设计优化等方面研究。 万方数据 2 0 1 4 年第3 期何建成等基于A N s Y s 立磨机螺旋搅拌机构的分析与优化 图1立式细磨设备工作原理图 F i g ．1W o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo fV e n i c a l s t i r r i n gm i l l 旋轴之间的碰撞少，整个运动部件宏观上受力平 衡，因此设备基础受力很小；在螺旋叶片的分级及 输送作用下 类似于螺旋分级机 ，达到细度要求 的合格物料先于未合格物料运动至溢流口，从而在 设备内部实现了粗略分级，减少了过磨；根据产品 质直接接触，容易磨损和损坏，其强度和刚度直接 关系到整个磨机工作的可靠性、寿命和使用率。螺 旋衬板需要很好的耐磨性能，螺旋底板焊接在下部 轴上，带动整个螺旋搅拌机构运转，需要具有很好 的强度。 图3 螺旋搅拌机构及连接剖面视图 F i g ．3S p i r a ls t i I T i n gm e c h a n i s ma n dac m s s s e c t i o nv i e wo ft h ec o n n e c t i o n l T 型螺栓；2 螺旋衬板；3 螺旋底板；4 螺旋垫片；5 螺母 的粒度要求，也可附带分级装置，控制返砂量。 2 立磨机结构组成 3 传动机构的有限元分析 如图2 所示，立磨机结构件主要包括电机装 置、减速机、减速机支架、轴承座、上部轴组件、 筒体部件、下部轴组件和衬板。其中，电机装置、 减速机和上下部轴组成立磨机传动系统；减速机支 架、轴承座、筒体部件组成其辅助支撑系统。 上部轴组件 下部轴组件 衬板 电机装置 减速机 减速机支架 轴承座 筒体部件 图2 立式磨机结构示意图 F i g ．2 S t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo fv e r t i c a l s “耐n gm i U 如图3 所示，下部轴组件中螺旋搅拌机构主要 有螺旋衬板、螺旋底板以及连接两者的T 型螺栓和 垫片构成。作为立磨机磨矿执行机构，跟矿浆和介 传统机械设计中，螺旋搅拌结构没有标准强度 计算方法，只能对其进行近似简化，导致计算缺乏 足够准确性。 有限元法 F E M ，F i n i t eE l e m e n tM e t h o d 是 一种为求得偏微分方程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，是一种行之有效的工程分析手段[ 4 - 。 本文采用有限元分析软件A N S Y Sr 5 ] 对某 K L M 立磨机传动机构上下部轴进行分析和优化。 3 ．1 三维建模及简化 A N s Y s 本身三维建模功能比较复杂，不易操 作，但其与s o l i d w o r k s 等三维建模软件有着很好的 交互接口，因此本文应用S o l i d w o r k s 对传动机构主 要构件进行建模。建模过程中，对模型中影响有限 元网格质量但是对强度影响不大的倒角、圆角、螺 栓孑L 等细小特征进行简化，简化后模型见图4 。 图4 三维简化模型 F i g ．4 T h r e ed i m e n s i o n a ls i m p l i f i e dm o d e l 万方数据 7 4 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第3 期 3 ．2 有限元网格划分 综合考虑计算精度与计算速度，上部轴和下部 轴尺寸相对较大，网格尺寸设置为5 0m m ，螺旋 底板相对较薄，网格尺寸设置为2 5m m 。上下部 轴利用六面体网格，螺旋底板利用四面体网格进行 划分，共计3 6 43 4 9 个节点，1 7 32 6 3 个单元体。 3 ．3 添加约束和加载 图5 所示为小型立磨机实验室试验，通过检测 电机电流，确定立磨机运行工况主要包括启动工况 和额定工况，各机构载荷情况与介质充填率关系密 切。立磨机最恶劣工况为最大充填率启动工况，文 中称之为满载启动工况。 图5 立磨机试验运行图 F i g ．5 T e s t o p e r a f i n gp h o t oo f V e n i c a ls t i r r i n gm i U 据此，对所建模型施加约束及载荷见图6 。A 处电机轴输入端，添加圆柱约束，切向固定、轴向 和径向自由；B 处轴承支撑端面，轴向固定；C 处 调心滚子轴承安装面，径向固定；D 处滑动轴承安 装面，径向固定；由图6 可以看出在一定充填率下 立磨机内矿物与介质分布基本均匀，因此在E 处 旋转底板上表面，均匀施加轴向作用力；F 处螺旋 底板表面，施加电机输入转矩；G 设定重力方向。 约束A 、B 、c 、D 及重力G 在所有工况下都 是一致的，满载启动工况时，E 处螺旋底板最大轴 向力为4 0 0k N ；F 处电机启动扭矩 图6 约束及加载示意图 F i g ．6 S c h e m a t i cd i a g m mo fc o n s t r a i n t sa n dl o a d s 见图7 ，上部轴最大应力1 9 4 ．6 2M P a ；下部轴最大 应力1 3 4 ．5 9M P a ，相对较低 低于选用材料的屈 服强度 ，但螺旋底板与下部轴焊接处及临近部位 应力水平很高，最大应力达到21 1 7 ．5M P a 。 a 整体应力分布b 螺旋底板应力分布 c 上部轴应力分布d 下部轴应力分布 图7 应力校核结果 r ⋯班乒竽 F i g ．7 R e s u l l so f S t r e ⋯h e c k i n g ．警 ，卜皇l 机篓亭扭矩，产过载系数，P -4 螺旋搅拌机构优化 电机功率，n 一电机转速。 带人相关参数得丁⋯ 51 28 8 2N m 。 3 ．4 校核结果及分析 满载启动工况，上下部轴及螺旋底板应力分布 螺旋底板初始设计截面见图8 a ，为一5 9 5 2 5 的矩形，但根据有限元分析结果，其与下部轴焊接 处及临近部位应力水平高，存在严重应力集中现 万方数据 2 0 1 4 年第3 期何建成等基于A N S Y S 立磨机螺旋搅拌机构的分析与优化 7 5 象，需要进行优化改进。根据螺旋底板应力分布情 况，分别按照图8 b 所示梯形截面、图8 c 所示阶梯 截面两种方案进行改进优化。 5 9 5 罱【[ 二二二[ ] a 矩形截面方案 5 9 5 导[ b 梯形截面方案 5 9 5 c 阶梯截面力案 图8 螺旋底板截面设计方案 F i g ．8D e s i g ns e h e m eo ft h es p i r a lb o t t o mb o a r d s e c t i o n 利用A N S Y S 对两种方案进行分析，应力校核 结果见表l 。 对比表1 所示三种方案分析结果，三种方案上 部轴、下部轴应力变化不大，基本一致。但螺旋底 板应力变化很大，梯形截面方案、阶梯截面方案与矩 形方案相比，最大应力分别下降6 4 ．1 1 ％、6 2 ．0 6 ％， 为8 0 0M P a 左右，均能满足强度要求，截面积即 重量分别增大4 0 ％、2 1 ．5 ％。 阶梯方案与梯形方案相比，最大应力相差不 大，但重量更轻，更重要的是其螺旋连接面截面为 表1三种方案校核结果 T a b l e1 C h e c k i n gr e s u l t s o ft h r e ep r o g r a m s 平面，加工方便，利于螺旋衬板的安装，因此最终 采用阶梯方案。 5结论 在实验室试验基础上，基于有限元分析实现了 对螺旋搅拌机构的分析优化，螺旋底板最大应力降 低6 0 ％以上，重量仅增加2 0 ％左右，大大延长了 其使用寿命和可靠性。提供了一种立磨机螺旋搅拌 机构计算机仿真与分析方法。 参考文献 [ 1 ] 吴任欧．立式搅拌磨机的研究与应用进展[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 l l z 1 7 9 8 1 ． [ 2 ] 卢世杰，韩登峰，周宏喜，等．立式螺旋磨矿技术在选 矿中的发展与应用[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 1 z 1 9 0 一9 5 ． [ 3 ] 严金中．立磨机磨矿原理的探讨[ J ] ．矿冶工程，1 9 9 8 ，1 8 1 2 7 3 0 ． [ 4 ] D a v i dvH ．有限元分析基础[ M ] ．重庆重庆大学出版 社．2 0 0 7 2 1 0 ． [ 5 ] 李兵，何正嘉，陈雪峰．A N s Y sw 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 8 2 8 - 4 3 ． 万方数据