石灰乳加药箱箱盖疲劳强度分析.pdf

第 29 卷增刊 1 2020 年 6 月 中 国 矿 业 CHINA MINING MAGAZINE Vol . 29 ， Suppl 1 June 2020 收稿日期 2020‐03‐20 责任编辑 宋菲 第一作者简介 严凡涛（1981 － ） ， 男 ， 湖北天门人 ， 硕士 ， 工程师 ， 从 事矿物加工设备研究 。 引用格式 严凡涛 ， 李传伟 . 石灰乳加药箱箱盖疲劳强度分析［J］ . 中 国矿业 ，2020 ，29 （S1 ） 542‐544 ，550 .doi 10 .12075／j .issn .1004‐ 4051 . 2020 . S1 . 022 石灰乳加药箱箱盖疲劳强度分析 严凡涛1 ， 2 ， 3，李传伟1 ， 2 ， 3 （1 .矿冶科技集团有限公司 ，北京 102628 ； 2 .矿冶过程自动控制技术国家重点实验室 ，北京 102628 ； 3 .矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室 ，北京 102628） 摘 要 针对石灰乳加药箱箱盖的受力情况 ， 利用有限元分析软件对其进行疲劳强度分析 。 根据分析结 果 ， 理论证明箱盖在受脉动循环变应力的情况下 ， 其结构强度完全满足使用要求 。 该分析结果为将来箱盖 进行优化设计提供了理论依据 。 关键词 箱盖 ；疲劳强度 ；安全系数 ；脉冲循环应力 中图分类号 TD463 文献标识码 A 文章编号 1004‐4051（2020）S1‐0542‐03 Fatigue strength analysis for box cover of lime milk reagent feeder box YAN Fantao1 ， 2 ， 3，LI Chuanwei1 ， 2 ， 3 （1 .BGRIMM Technology Group ，Beijing 102628 ，China ； 2 .State Key Laboratory of Mining Process of Automation Control Technology ，Beijing 102628 ，China ； 3 .Beijing Key Laboratory of Mining Process of Automation Control Technology ，Beijing 102628 ，China） Abstract According to the force of box cover for the lime milk reagent feeder box ， the fatigue strength of box cover is analyzed by finite element analysis software . Based on the analysis result ， it is proved theorized theoretically that the strength of box cover meets the using requirements completely in the pulsating cyclic stress . At the same time ， the result offers a theoretic basis for the optimization design of the box cover in the future . Keywords box cover ；fatigue strength ；safety factor ；pulsating cyclic stress 石灰乳由生石灰加水生成 ， 常用于金属选矿工 艺中 。 如在浮选过程中 ， 调节矿浆 pH 值 ， 影响硫代 化合物类捕收剂的作用活性 ， 抑制非目的矿物 、 活化 目的矿物 、沉淀矿浆中对浮选有害的重金属离子 等 ［1］ 。 石灰乳加药箱作为对石灰乳进行添加的常用 机构 ， 其核心部件之一为石灰乳加药箱箱盖 。 气动 阀固定在石灰乳加药箱箱盖上 ， 周期性的对加药箱 箱盖施加外力 ， 导致箱盖可能出现疲劳破坏 ， 轻则直 接影响加药精度 ， 重则造成生产事故 ， 因此 ， 对箱盖 的疲劳分析和寿命估计越来越受选矿厂的重视 。 基 于此 ， 本文简要叙述了加药箱箱盖在受到周期性外 力情况下 ， 对箱盖进行疲劳分析 ， 获取疲劳安全系数 及使用寿命等相关数据 ， 为箱盖的结构优化提供理 论基础 。 1 石灰乳加药箱组成和工作原理 石灰乳加药箱由箱体 、箱盖 、支架 、气动阀 、阀 杆 、 阀嘴 、 堵头等组成 ， 其结构图如图 1 所示 ， 其中 ， 气动阀固定在箱盖上 ， 气动阀活塞杆连接阀杆 ， 阀杆 端部配置堵头 ， 阀嘴固定在箱体上 。 工作原理为 石 灰乳通过输送泵进入箱体 ， 箱体中间有溢流口 ， 石灰 乳液面高于溢流口时 ， 多余的石灰乳从溢流口流出 ， 从而保证箱体内石灰乳液面高度稳定 ； 气动阀控制 阀杆上下移动 ， 当气动阀打开时 ， 阀杆上升 ， 堵头和 阀嘴分离 ， 石灰乳通过阀嘴流到加药点 ， 气动阀关闭 时 ， 堵头堵塞阀嘴 ， 从而阻止石灰乳流至加药点 ； 由 于石灰乳加药箱液面稳定 ， 确保其加药点的出口流 量恒定 ， 通过控制气动阀通断的时间 ， 最终实现对加 药点的准确加药 。 增刊 1严凡涛 ，等 石灰乳加药箱箱盖疲劳强度分析 图 1 石灰乳加药箱结构图 Fig . 1 Structure of lime milk reagent feeder box 2 石灰乳加药箱箱盖的受力分析 当石灰乳加药箱停止加药时 ， 气动阀活塞杆伸 出 ， 阀嘴和堵头接触形成密封 ， 堵塞阀嘴 。 此时 ， 石 灰乳加药箱箱盖受气动阀 、阀杆及堵头的重力 G1， 约 29 . 4 N ； 自身重力 G2， 约 666 N ； 阀嘴对气动阀的 反作用力 F ， 约为 2 10 5 N ， 大小等于气动阀通气时 施加的压力 ； 箱体对箱盖的支撑力 N 。 考虑到气动阀均匀分布于箱体表面 ， 取其中 1 套气动阀作用的箱盖进行受力分析 ， 受力图如图 2 所示 。 当石灰乳加药箱开始加药时 ， 气动阀活塞杆缩 回 ， 阀嘴和堵头接触形成间隙 ， 此时 ， 石灰乳加药箱 箱盖受气动阀 、阀杆及堵头的重力 G1， 自身重力 G2， 以及箱体对箱盖的支撑力 N 。 考虑到反作用力 F远远大于重力 G1和 G2， 忽略重力的影响 ， 此时 ， 箱盖在加药的 1 个周期内 ， 所受到的力近似为脉冲 循环载荷 。 其脉动特性如图 3 所示 。 3 疲劳强度分析 机械零件在交变应力作用下 ， 经过一段时间后 在局部高应力区形成微裂纹 ， 微裂纹组件扩展以至 最后断裂的现象称为疲劳破坏 。 据统计 ， 在机械零 件和构件的断裂事故中有 80％ 属于疲劳破坏 ［2］ ， 因 此 ， 对工艺设备进行疲劳强度分析很有必要 ， 不仅可 以了解设备的受力疲劳情况 ， 还可以预防减少生产 事故的发生 。 同时根据疲劳分析结果 ， 为今后进行 优化设计 ， 提高机械的疲劳强度提供理论依据 ［3］ 。 3 . 1 箱盖模型的建立 由于气动阀沿箱盖均匀分布 ， 导致箱盖的受力 也均匀分布 ， 在进行有限元分析时 ， 为减少网格划分 数量 ， 降低结果分析时间 ， 对箱盖的外形尺寸进行简 化 ， 均分成 1／16 。 为便于施加载荷 ， 对模型表面进 行切割 ， 划分好的模型如图 4 所示 。 3 . 2 设置材料参数 箱盖材料为 Q235A ， 其弹性模量为 2 . 06 图 2 停止加药时箱盖的受力图 Fig . 2 Force diagram of box cover while stopping feeding reagent 图 3 箱盖受周期性脉动循环载荷图 Fig . 3 Periodic and pulsating cyclic load for box cover 图 4 箱盖模型 Fig . 4 Box cover model 10 11 Pa ， 泊松比为 0 . 28 ， 密度为 7 . 85 10 3 kg／m 3 ， 根据经验公式 ， 在脉动循环应力作用下 ， 其疲劳极限 为 177 MPa ， 许用安全系数为 1 . 5 ［2］ 。 3 . 3 网格划分 设置网格形状为四面体 ， 单元尺寸为 5 mm 。 在施加载荷处 ， 对网格密度进行加密 。 利用网格划 分软件进行自动网格划分 。 模型划分网格后如图 5 所示 。 345 中 国 矿 业第 29 卷 3 . 4 添加载荷和约束 根据箱盖的受力特点 ， 施加阀嘴对箱盖的反作 用力 F ， 为 0 . 5 MPa ； 添加箱盖自身的重力 G ， 以及箱 盖边缘固定在箱体上的约束 ， 其受力图如图 6 所示。 图 5 网格划分 Fig . 5 Meshing 图 6 箱盖加载 Fig . 6 Box cover loading 3 . 5 结果分析 疲劳强度分析是在静应力分析完成后进行 ， 对 箱盖施加 1 次载荷 ， 其应力云图和沿竖直方向的应 变云图如图 7 和图 8 所示 。 分析应力云图 ， 其最大 应力为 100 . 2 MPa ， 分布于固定箱盖的边缘处 ； 其最 大应变为 1 . 389 mm ， 处为箱盖中间 。 箱盖的最大 应力与最大应变与箱盖在现场实际使用时实测的受 力和变形比较吻合 ， 计算结果有比较高的可信度 。 在静应力分析完成后进行疲劳强度分析 ， 设置 载荷类型为脉动载荷 ，LR ＝ 0 ， 循环次数为 1 10 7 ， 相关联的参数为上述已经分析过的静态分析 ， 定义 计算交替应力的手段为对等应力（von Mises） ， 平均 应力纠正为 Gerber ， 疲劳强度缩减因子为 1 ， 结果选 项为整个模型 。 获得箱盖在 1 10 7 次循环载荷作 用下的生命总数图解如图 9 所示 ， 安全系数图解如 图 10 所示 。 图 7 等效应力云图 Fig . 7 Equivalent stress cloud 图 8 竖直方向应变云图 Fig . 8 Strain cloud in the vertical direction 图 9 生命总数图解 Fig . 9 Whole life 图 10 安全系数图 Fig . 10 Safety factor distribution cloud 从计算结果可知 ， 在施加 1 次载荷作用下 ， 等效 应力最大 100 . 2 MPa ， 应变为 1 . 389 mm ， 在施加 1 10 7 脉动循环载荷作用下 ，最小生命周期为 10 11 ， 远大于设计设计的循环 10 6 次 ， 故该零件完全 满足在循环 10 6 次脉冲载荷的情况下 ， 不会出现破 坏 ； 疲劳安全系数为 4 . 124 ， 远大于许用安全系数 1.5 ， 也满足疲劳强度要求 ［4］ 。 由此可以看出 ， 箱盖 的结构设计是安全的 ， 完全满足使用要求 。 4 结 语 本文利用有限元分析软件对石灰乳加药箱箱盖进 行了疲劳强度分析 ， 得到箱盖的生命总图和安全系数 图 ， 通过对比箱盖的使用寿命和许用安全系数 ， 得知该 箱盖的结构强度完全满足使用要求且有较大富余 ， 该 理论数据为将来箱盖的优化设计提供了参考。 （下转第 550 页） 445 中 国 矿 业第 29 卷 4 运行效果 真空水喷射机组高压洗涤系统投入使用后实现 了全年不停电 、 不降电下进行清槽作业 ， 真正实现了 连续生产 ， 对产能的提升做出了巨大贡献 。 全年 0 ＃ 锌品级率达到 100％ ， 直流电单耗大幅下降 ， 达到国 内领先水平 ， 实现了阳极泥再利用 ， 大大降低制液段 锰粉的投入 。 5 结 语 槽子大型化后 ， 传统的清槽方式已经满足不了 生产的需求 ， 必须结合生产实际不断创新和优化 ， 经 过不断摸索试验总结 ， 真空喷射机组并联多点清槽 经过实践证明是成功的 。 不仅解决了困扰湿法冶炼 多年的电解清槽难题 ， 同时真正实现了电解的连续 生产 ， 大大提高了技术经济指标 ， 减少了环境污染 。 此清槽方式是大型生产清槽很好的选择 。 参考文献 ［ 1 ］ 彭容秋 . 锌冶金学［M］ . 长沙 中南大学出版社 ， 2005 . ［ 2 ］ 杨大锦 ， 朱华山 ， 陈加希 . 湿法提锌工艺与技术［M ］ . 北京 冶 金工业出版社 ， 2006 . ［ 3 ］ 邱竹贤 . 有色金属冶金学［M ］ . 北京 冶金工业出版社 ， 1988 . ［ 4 ］ 董润忠 . 锌电解不横电真空掏槽的运用［J］ . 有色矿冶 ， 2004 ， 20（3） 66‐67 ， 80 . 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