MLS3626型立式辊磨机磨盘改进

郝翌轩

摘 要：通过个别客户现场出现的问题，本文运用 ANSYS 有限元分析软件对磨盘进行强度分析、疲劳分析等步骤，再根据分析所得的结果，对原有磨盘的设计其进行优化，从而使磨盘的性能更加稳定。

关键词：磨盘；疲劳分析；优化设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.010

1 背景介绍

我公司自上个世纪六十年代开发立式辊磨机以来，一直保存国内领先水平，各种型号立式辊磨机累计销量数千台，其中MLS3626型号销量最高。销量众多难免个别用户现场出现问题，近五年内有两台立式辊磨机的磨盘出现了开裂现象，我们在查找质量问题原因的同时，也从设计的角度分析，是否存在设计方面的漏洞，进而考虑是否有更好的方案。

2 优化思路

使用Ansys有限元分析软件为工具，对磨盘进行强度分析、疲劳分析及优化设计，具体思路如下所示：

（1）首先对磨盘进行初步分析，通过计算磨盘运行时所受到的载荷，加载到磨盘的模型上，通过软件分析磨盘的应力分布及形变状况，可以初步观察磨盘的应力集中的位置、大小及形变量等情况，为下一步分析提供参考依据。

（2）然后对磨盘进行疲劳分析，由于磨盘受到周期性载荷的作用，磨盘的疲劳寿命受到影响，在磨盘具有应力集中的情况下，疲劳寿命减少得更为明显，通过寻找疲劳寿命薄弱的地方，从而进行避免和改进，这样可以明确优化的目标。

（3）明确优化目标之后，先对磨盘的结构作合理改进，再使用软件的优化分析功能对新结构进行优化分析，之后根据分析的结果再次调整磨盘的结构，最终得出完善的设计。

3 磨盘的有限元分析步骤

有使用有限元分析软件对磨盘进行分析，需要以下步骤：

3.1 建立磨盘三维模型

根据MLS3626立磨磨盘的尺寸，建立磨盘的三维模型。为了使研究方便，对磨盘模型进行了一系列简化。

3.2 模型划分网格

将前面建立好的磨盘三维模型进行网格划分，将磨盘离散为合理的组合单元，网格形状为四面体结构，有限元模型单元数421921，节点数677725。

3.3 模型材料特性的分析

根据MLS3626磨盘的材料属性，在软件里添加相应的参数，主要参数如下表：

3.4 模型限元分析计算

通過计算得出磨盘的受力情况，将所得数值在ANSYS中加载到模型中，保证计算结果精确以便尽量使磨盘的仿真能贴合实际。根据工况加载到磨盘的受力区域，之后进行分析，得出磨盘的应力图和形变图。

3.5 有限元分析后处理

由图1 MLS3626磨盘座位移云图和图2 MLS3626磨盘座等效应力云图中的结果，我们可以确定磨盘受力和形变的情况，然后根据所得结果进一步进行疲劳分析、拓扑优化等步骤。

磨机工作时，磨盘是不断转动的，磨机的磨辊在加载装置的作用下，施加碾压力作用在物料上，并且该力由物料传递给磨盘。这样磨盘循环转动，磨辊的碾压力便在磨盘上碾压一圈，因此磨盘受到周期性循环应力。首先计算出MLS3626磨盘受力的循环次数，然后在计算磨盘的最大使用寿命、疲劳敏感性及损伤等相关数据与曲线[1]。

根据前面输入的材料的特性，利用软件可以得出磨盘材料的循环次数与变交应力的对应关系曲线，如图3所示。

运用 ANSYS 分析软件的疲劳分析功能——fatigue tool对磨盘进行疲劳分析。相关参数设置为：疲劳强度因子为 0.8，比例因子为 0.005。根据立磨的运行原理，磨盘的受力会不断变化，所以在分析疲劳敏感性时，定义一个最小基本载荷变化幅度为50%和一个最大基本载荷变化幅度为300%的两个交互应力。通过软件计算可得到以下结果[1]：

由计算结果可以看出，MLS3626磨盘整体寿命稳定，绝大部分寿命均为2e7 h，约为2200多年，而极少数的位置出现寿命锐减的现象，最小处达1.3e5，约为15年左右，寿命减少的位置均出现在T型槽与螺栓孔交汇处。根据疲劳损坏特性知，疲劳破坏产生都是从一些微小的“疲劳源”发起，逐渐向外扩散，从而出现裂纹，此现象可能就是造成极个别磨盘座开裂的原因。虽然磨盘使用年限未达到理论年限，但由于现场的许多不确定性因素，例如地表震动、物料特性、加工精度等等，可能造成意外现象的出现。

为了减少意外情况的出现，现对磨盘进行改进，参照矿渣磨的磨盘固定方式，将磨盘上的T型槽去掉，采用上下压紧的衬板固定方式。 通过对新型磨盘的疲劳特性分析，新型磨盘整体寿命均为2e7，无波动，证明磨盘改进良好 。

根据有限元分析结果，比较之前的磨盘，最大形变基本不变，由原来的5.23e-4降低至4.64e-4，而最大应力明显减小由原来的4.46e+7降低至3.47e+7，说明原磨盘最大应力处已经被消除，且具有一定“减肥”空间。因此利用软件的优化功能，对此模型进行结构优化。

结构优化设计是在满足约束条件下按预定目标求出最优方案的设计方法，目的是得出经济合理的设计方案。本文首先采用拓扑优化，目的是在磨盘受到相应载荷和约束的情况下，减少磨盘的外形尺寸并尽可能的保持磨盘的应力和形变的变化量尽量小，从而减轻磨盘的重量，使磨盘的结构经济且合理。

优化结果如下图所示：

根据优化结果，重新对磨盘座进行改进，再进行优化尺寸，最终得到结果如图：

优化结果前后对比：

4 结论

通过上面分析，可以得出结论：原有MLS3626磨盘完全符合设计要求。但为减小意外发生的可能性，提高使用寿命，对磨盘进行有限元分析，其主要目的：一是寻找磨盘开裂原因；二是进行优化设计，从而更好的提高我们的磨机质量。

参考文献：

[1]梅逢意.立式辊磨机磨盘的动态分析与优化[D].江西理工大学，2012：18-22.

[2]和春梅，杨晓杰.预粉磨立磨磨盘有限元分析[J].中国水泥， 2010（06）：58.