应用有限元优化设计球磨机回转体端盖锥角角度

胡子林　刘万华　刘刚

摘 要：球磨机设计过程中回转体结构强度，是否能满足生产要求，是球磨机设计的关键。利用ANSYS有限元软件，对Φ5.5×8.5m溢流型球磨机回转体在其他参数不变的情况下，回转体端盖锥角角度不同时回转体结构强度的变化，对比分析结果，得到最合理的回转体端盖锥角角度。

关键词：球磨机；回转体端盖锥角；有限元方法

中图分类号：TD453 文献标识码：A

现代球磨机发展越来越向大型化方向发展，在选矿工艺流程中球磨机是一种非常重要的机械设备。尤其回转体（由筒体、进出端盖组成）是球磨机主体部件，回转体强度决定回转体在实际使用时的效果。球磨机回转体由两个滑动轴承支撑，可以将回转体及其支撑简化成简支梁。在载荷不变的情况下，支撑点距离的变化，会改变简支梁力的分布。随着球磨机回转体端盖锥角角度的变化，支撑球磨机回转体的两个滑动轴承的距离也会变化，从而改变球磨机回转体受力分布。回转体受力分布的变化，会影响回转体的可靠性以及回转体的寿命，所以球磨机回转体强度的好坏直接影响到磨机的正常运行。有限元理论的出现，ANSYS有限元软件的开发和应用，为球磨机这种古老的机械设备带来了新的春天。ANSYS软件可以将我们要研究的对像和它所处的工作环境放到一起去计算，这种计算更接近實际。计算结果亦更接近实际，而且可以将计算结果清晰的显示给研究人员，是一个强大的计算软件。本文主要论述了运用有限元法和ANSYS软件，对Φ5.5×8.5m溢流型球磨机回转体在其他参数不变的情况下，不同的回转体端盖锥角角度对回转体危险部位应力的影响，从而得到最优的回转体端盖锥角角度。

1.建立有限元模型

ANSYS有限元软件具有丰富的接口，可以将在各种三维软件中的建模导入到ANSYS中进行有限元分析。同时ANSYS有限元软件中前处理功能，也可依据点-线-面-体的原则建模型。Φ5.5×8.5m溢流型球磨机回转体结构相对复杂，所以有限元分析用模型是在Solidwork中建成，然后导入ANSYS中进行后续处理。因为此分析为静态结构分析。回转体结构及受载又具有对称性（无人孔门），故对整个模型沿轴切面剖分的1/2进行分析。

2.网格划分

单元类型为SOLID45六面体单元，由于在以后的加载过程中需要对筒体内壁施加非均匀的分布载荷，所以在圆周区域的载荷作用单元上，又建立了一层表面效应单元SURF154，采用了扫略成体网格划分方法，生成的球磨机回转体有限元模型。

3.加载

当回转体有限元模型完成之后，在其上进行约束和载荷的施加。

3.1 施加约束

支撑Φ5.5×8.5m溢流型球磨机回转体的两个滑动轴承，进料滑动轴承为自由端，出料滑动轴承为固定端。Φ5.5×8.5m溢流型球磨机回转体自由端轴承除有两个转动自由度，还有一个沿轴向活动的自由度，固定端有两个转动自由度。Φ5.5×8.5m溢流型球磨机轴承的轴瓦面为120°，轴承压力角为70°。在ANSYS中，建立约束时选取轴承与轴颈直接接触的节点（沿圆周方向70°范围内），这些节点与中心节点通过BEAM188连接在一起。自由端释放两个转动自由度和一个沿轴向移动的自由度，固定端释放两个转动自由度。

3.2 施加载荷

作用在Φ5.5×8.5m溢流型球磨机回转体上的载荷，主要有矿浆、磨矿介质、大齿轮、衬板、回转体自重。采用等效密度的方法简化回转体载荷。满载静止工况下，假设物料和磨矿介质在回转体内是均匀分布的，对回转体的正压力类似于水压力。正压力施加到SURF154单元上，然后传递到回转体上。在ANSYS中，满载静止工况的加载如图1（回转体载荷分布）所示。

3.3 分析结果

在球磨机回转体其他技术参数不变的情况下利用有限元软件，分别分析了端盖锥角135°和150°时球磨机回转体的应力变化情况。图2和图3分别为端盖锥角135°时球磨机回转体的应力分布云图和端盖锥角150°时球磨机回转体的应力分布云图。从图中可以看到端盖锥角135°时球磨机回转体的最大应力为50.6MPa；端盖锥角135°时球磨机回转体的最大应力为57.3MPa。所以在球磨机回转体其他技术参数不变的情况，端盖锥角135°的回转体结构优于端盖锥角150°的回转体结构。端盖锥角135°的回转体结构安全系数更高。

结论

本文运用ANSYS对Φ5.5×8.5m溢流型球磨机回转体在端盖锥角135°时和端盖锥角150°时回转体的强度变化。对比球磨机回转体其他参数不变，不同的端盖锥角角度对回转体强度的影响。从而得到最合理的端盖锥角角度。为球磨机回转体结构设计提供了理论依据和设计方法。

参考文献

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