球磨機(jī)是目前陶瓷工業(yè)中廣泛使用的一種粉磨機(jī)械，目前我國可生產(chǎn)的間歇式球磨機(jī)有1、1.5、8、15、20、30噸／次加料的，其技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。正在開發(fā)的有40、60、80、100噸／次加料的。盡管我國的陶瓷球磨機(jī)已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但仍然缺乏大型球磨機(jī)的自主設(shè)計(jì)制造能力，一方面是大噸位球磨機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸大，載荷分布復(fù)雜；另一方面是缺乏先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段。
球磨機(jī)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算（簡(jiǎn)體壁厚確定，加強(qiáng)筋板布置等）往往采用類比方法或憑經(jīng)驗(yàn)，如在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)將球磨機(jī)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，按平面彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形來計(jì)算，顯然這一簡(jiǎn)化是非常粗略的。其原因有以下幾個(gè)方面：(1)球磨機(jī)直徑和筒體長(zhǎng)度相差不大，不符合簡(jiǎn)支梁的假設(shè)（梁長(zhǎng)比橫截面最大尺寸大5倍以上）；(2)球磨機(jī)簡(jiǎn)體部分是一種（包括端蓋）板殼結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力應(yīng)變行為比較復(fù)雜；(3)簡(jiǎn)體部分開有進(jìn)料孔、出料孔和襯板孔（裝橡膠襯板的有），可能引起應(yīng)力集中，只有作較精細(xì)的計(jì)算后才能得出孔附近的應(yīng)力分布。因而傳統(tǒng)的球磨機(jī)設(shè)計(jì)都偏向于保守，強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工況需要，有很大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，然而這個(gè)儲(chǔ)備量的多少很少有人作過分析，也役有任何經(jīng)驗(yàn)，工人只是通過不斷的實(shí)踐，甚至付出一定的代價(jià)才能改進(jìn)設(shè)計(jì)，顯然這不能滿足日益發(fā)展的工業(yè)需求。因此，運(yùn)用先進(jìn)的手段來縮短設(shè)計(jì)周期，開發(fā)新產(chǎn)品等已成巋然。這也有利于企業(yè)節(jié)約產(chǎn)品成本，創(chuàng)造最大的經(jīng)濟(jì)利益。
有限元法是近幾十年發(fā)展起來的一種數(shù)值逼近方法，它的理論日益成熟。為方便廣大工程技術(shù)人員和科研人員的使用，如今已形成應(yīng)用于各行各業(yè)的專用和通用的商業(yè)化有限元軟件。這些軟件具有強(qiáng)大的前后處理功能，可以非常方便的得到各種數(shù)據(jù)。
本文就是利用有限元方法，采用ansys軟件對(duì)球磨機(jī)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。分析模型采用參數(shù)化方法建立，不僅可以用于30噸陶瓷球磨機(jī)的校核、優(yōu)化，還可以用于其它裝料噸位的一系列球磨機(jī)分析，以及新產(chǎn)品的開發(fā)等等，使生產(chǎn)廠家獲取最大經(jīng)濟(jì)效益。
2建模
本文所針對(duì)的是裝料30噸／每次的間歇式陶瓷襯板球磨機(jī)。整機(jī)裝重108噸，轉(zhuǎn)速12轉(zhuǎn)／分，筒體直徑3.4m，簡(jiǎn)體長(zhǎng)度6.35m，簡(jiǎn)體璧厚0.018m(沒有包括襯板在內(nèi))。筒體有三個(gè)直徑0.574m的進(jìn)料孔，兩個(gè)直徑為0.3m的出料孔。結(jié)構(gòu)如簡(jiǎn)圖1。
2.1模型簡(jiǎn)化假設(shè)條件
為使問題不過于復(fù)雜，同時(shí)保證計(jì)算精度，合理的簡(jiǎn)化假設(shè)將有助于提高計(jì)算效率，故作如下假設(shè)：
a)所有的焊縫處不允許出現(xiàn)裂縫、虛焊等焊接缺陷；
b)兩端軸承座部件有足夠的剛度，視為剛性支座；
c)進(jìn)料口和出料口的堵頭與進(jìn)料口之間有間隙，因此把進(jìn)料口和出料口視為空孔；
d)兩端的軸視為三維實(shí)體。
2.2建立參數(shù)化有限元模型
根據(jù)以上假設(shè)以及球磨機(jī)自身的軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并充分考慮載荷工況。建立模型時(shí)作了如下兩點(diǎn)處理：一，球磨機(jī)在工作時(shí)是處于平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)的，載荷變化緩幔，故作為靜態(tài)問題處理，模型以球磨機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)中進(jìn)料口在上，出料口在下時(shí)的危險(xiǎn)狀態(tài)建立；二，不建立陶瓷球磨機(jī)的襯板模型，一方面是襯板截面形狀不一，難以建立與突際相符的模型，另一方面是襯板是磨礦過程中逐漸磨損的部件，沒有確定的厚度，這里僅將襯板的重力作用考慮進(jìn)去，即將其重量轉(zhuǎn)化到簡(jiǎn)體的密度上去來等效重量。
運(yùn)用ansys中的APDL語言實(shí)現(xiàn)建模全過程，建模步驟如下：
a)定義參數(shù)。根據(jù)球磨機(jī)的平面圖紙，將所有尺寸設(shè)為參數(shù)，共定義了25個(gè)，主要參數(shù)有筒體的厚度(參數(shù)thkl)、蓋板的厚度(thk2)、支板厚度(thk3)、筋板厚度(thk4)、軸徑(Rl)、軸徑圓弧(R2)等。
b)建立實(shí)體模型。在定義參數(shù)的基礎(chǔ)上通過一系列旋轉(zhuǎn)、復(fù)制、布爾運(yùn)算建立的球磨機(jī)三維實(shí)體模型如圖2。
c)生成有限元模型。
整個(gè)模型看作三維實(shí)體軸與板殼組成的結(jié)構(gòu)，故選用了ansys單元庫中功能強(qiáng)大的殼單元she1163和體單元solid92。其中簡(jiǎn)體和筋板、蓋板等用殼單元，軸用三維實(shí)體單元，殼單元與體單元連接采用多點(diǎn)約束方程法(MPC)實(shí)現(xiàn)，連接處殼上定義為接觸單元175，軸上定義為目標(biāo)單元170。根據(jù)有限元中劃分網(wǎng)格越多計(jì)算精度越高的原則，并充分考慮計(jì)算機(jī)的軟硬條件，劃分網(wǎng)格得殼單元有23561個(gè)，實(shí)體單元有7822個(gè)，接觸單元有768個(gè)，目標(biāo)單元有1608個(gè)，總共單元數(shù)33759介，節(jié)點(diǎn)數(shù)為37513個(gè)，得離散化有限元模型如圖3。
3載荷計(jì)算及加載
實(shí)際工況中的載荷主要包括：自身重量；筒體內(nèi)的水、物料、研磨體等的重力和離心力；轉(zhuǎn)動(dòng)過程中研磨體作拋物運(yùn)動(dòng)下落時(shí)對(duì)簡(jiǎn)體的沖擊力；皮帶輪作用力。
自身重量通過程序中加慣性力的方式模擬：輸入單元材料特性的密度7800 kg/m3，輸入加速度g=9.8m/s2；
研磨體的沖擊力一直是球磨機(jī)載荷計(jì)算中難以處理的部分，但對(duì)于陶瓷球磨機(jī)主要采用的是研磨體瀉落式的工作狀態(tài)，其主要作用是研磨，沖擊作用不是主要的，即使存在部分的沖擊，也難以傳遞到簡(jiǎn)體，故此處不予考慮。
下面計(jì)算簡(jiǎn)體內(nèi)的水、物料、研磨體等的重力和離心力以及皮帶輪的作用力：
a)重力計(jì)算
一般取筒體一截面為研究對(duì)象。由于球磨機(jī)工作時(shí)筒體內(nèi)是球、料和水三者混合的，我們認(rèn)為理想的狀況是混合均勻
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0.18MPa。對(duì)軸與簡(jiǎn)體進(jìn)行再校核，過程與優(yōu)化前一樣，校核結(jié)果如表4。
由表3、4可以看出，nj＞1.3，nn＞1.3，其靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿足要求，但較優(yōu)化前安全系數(shù)已降低，球磨機(jī)各部位應(yīng)力雖都有所增加，但各參數(shù)值較優(yōu)化前均有減少，經(jīng)圓整后，筒體厚度由優(yōu)化前的18mm可減為14mm，蓋板基本不變，支板和筋板厚度均由優(yōu)化前的22mm減為18mm，軸徑由優(yōu)化前的140mm減為130mm，材料的總體積由原來的2.2796m3減為1.728m3，大大節(jié)約了材料。目前生產(chǎn)廠家已接受簡(jiǎn)體尺寸改為14mm的優(yōu)化，考慮到筋板、蓋板和支板處是焊接的，從工藝的角度難以保證焊接質(zhì)量，故仍然采用原來的尺寸。
7結(jié)論
(1)建立了30噸陶瓷球磨機(jī)的參數(shù)化有限元模型，可以通過改變相應(yīng)圖紙參數(shù)方便地進(jìn)行其它裝料噸位球磨機(jī)的模型建立以及分析，便于球磨機(jī)產(chǎn)品的系列化分析以及新產(chǎn)品的開發(fā)。
(2)根據(jù)有限元分析及強(qiáng)度校核，表明生產(chǎn)產(chǎn)家設(shè)計(jì)制造的30噸陶瓷襯板球磨機(jī)軸和簡(jiǎn)體達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求，且強(qiáng)度儲(chǔ)備較大。
(3)在安全系數(shù)得到保證的前提下進(jìn)行優(yōu)化分析，得到了最優(yōu)化方案，簡(jiǎn)體厚度可改為14mm，兩端筋板、變板厚度可改為18mm，大大節(jié)約了材料，節(jié)省了成本。
(4)證明了采用有限元分析手段進(jìn)行強(qiáng)度校核，優(yōu)化設(shè)計(jì)，甚至縮短開發(fā)周期，研制新產(chǎn)品都是可行的。
三門峽富通新能源銷售球磨機(jī)、雷蒙磨、雷蒙磨配件、雷蒙磨粉機(jī)等機(jī)械設(shè)備。
