球磨机的回转体刚度和强度研究
摘要
在球磨机结构特点和形式的基础上，指出以往采用的经验强度计算方法的不足。建立了该球磨机基于ANSYS的有限元模型，得出回转体在满载静止、启动和正常工作三种工况下的应力和变形分析结果，并对其加以比较得出分布规律，提供了给定设计方案的结构应力和变形。
关键词：球磨机；回转体；钢度强度
球磨机回转体的强度和刚度直接影响到球磨机的使用寿命和传动装置各部件的运动精度。通常采的经验强度计算方法。是将球磨机筒体简化为简支梁，然后按平面弯曲和扭转组合变形来计算，由于筒体和端盖受力十分复杂及其自身结构特点，这种算法不能准确和全面地反映其应力和l变形规律为提高磨机的设计质量，本文采用有限单元法对某球磨机转体的强度和刚度进行了分析。提供了给定设计方案的结构变形和应力分布。
1、结构简介
某球磨机回转体结构如图1所示，筒体内径为5500mm，筒体他要8570mm，转速为13.7r/min，主电机功率为4500kw。电动机通过减速机及周边大齿轮减速传动，驱动筒体回转。筒体内部装有适当的磨碎介质一钢球，磨碎介质在离心力和摩擦力的作用下，被提升到一定的调试，呈抛落或汇落状态。被磨制的物料由给料口连续地进入筒体内部，被运动的磨矿介质所粉碎，并通过溢流和连续给料的力量将物料排出机外，以进行下一段工序的处理。
2、有限元模型
2.1 实体模型的建立
依据已知的结构数据在CATIA三维建模软件中生成中空轴、筒体以及大齿轮的实体模型。经装配 后得回转体的装 模型如图2所示 在建模过程中，去掉了螺纹孔、很小的倒角等小影响所关心的计算结果的要素 球磨机实体中的焊缝处在这里按连续处埋．这样可以节肯很多计算资源，也可以使关心的部分的计算结果更准确。
2.2 有限元模型的建立
2.2.1 单元类型的选择
将建好的装配模型导入ANSYS软件，选择三维实体单元Solid45划分网格。Solid45单元类型一般用于实体结构模型，有八个节点，每个节点有x.y.z三个方向的移动自由度。该单元有塑性、蠕变、鼓胀、应力刚化、大变形和大应变的性能。因此Solid45单元可以满足此计算的要求。
2.2.2 网格划分
采用回转扫略、拉伸、局部区域分割等 风格划分技术、保证每个零件实体的单元接近于正六面体，然后采用节点合并、耦合等技术将筒体各部分零件组装成整体。划分成的风格如图3所示。
3、边界条件
3.1 根据载荷不同，球磨机工况可分为三种：
(1)满载静止工况 载荷主要由回转体及介质和物料的自重构成；
(2)正常工作工况 载荷包括回转体及与筒体接触的介质和物料的自重、齿轮传动载荷及回转体离心载荷三部分；
(3)启动工况 载简由电机过载能力确定的齿轮传动极限载荷、同转体及介质和物料的自重构成。
3.2 正常工作工况下球磨机工作载荷的确定
(1)大齿轮的输入转矩是 T=313.072 875tm，由计算得到作用在大齿轮 的切向力 F1=7.278x105N，轴向力 Fa=6.687 6x10 N，径向力 ：2.6601x10 N。
(2)该球磨机满载正常工 作时物料重量为340t，钢球重量为60t，所以其正常工 作时介质总重为400t。但是由于在工作状态时有一些物料及钢球等存离心力和摩擦力的作用下．被提升到一定的高度后甩在空中，呈抛落或泄落状态．并不作用在筒体因此应计算出直接作用 筒体上的物料及钢球的重量由已知的球磨机筒体主要技术参数：筒体有效半径R=2.6425m．取考虑端盖斜度后的筒体K度L=10m，转速n=13.73r/min．破碎介质的松散比重y=4.65t/m。
3.3 满载静止工况下载荷确定
由于在实体建模时没有建立筒体及端盖的衬板，中空轴内部的衬套及固定环等，在施加重力载荷载荷时，需要把衬板的重量按等效密度加到筒体及端盖上，把中空轴内部的衬套和固定环等的重量按等效密度加到中空轴上（其所有材料的密度均为7850kg/m3）。等效的方法如下：
(1)筒体（包括对应的衬板）重量为147t，体积是9.4704m3，所以等效密度是15.522kg/m3；
(2)每个端盖（包括对应的衬板）重46.5t，体积是3.377m3，所以等效密度是13.770kg/m3；
(3)中空轴（包括固定环、进料衬套、出料衬套等）94t，体积是6.528m3，故其等效密码是14400kg/m3；
已知大齿轮的重量为52t，所以可以得出球磨机的结构重量为386t，它们的重力作用由旋回的重力加速度g=9.8m/s2确定。正常工作时回转体体两端按简支梁施加约束，其载荷及约束形式如图5所示。其余两种工况约束形式同正常工作工况。
4、结果分析
4.1 应力分析
对所得有限元模型 进行求解，得筒体在三种工况下的载荷 作用方向上回转体当量应力分布见图6。
从图6中可以清楚的看出，满载静止时大部分应力在11MPa左右，只有在筒体与端盖连接处的应力突然变大，且在进料端简体处的应力要大一些，筒体 应力为47.8MPa。正常工况， 应力值为35.3MPa。其位置在大齿轮的边缘载荷加载处，存筒体与右端盖(无齿轮一侧)的连接处的应力值为24.9MPa，与左端盖连接处的应力值为18MPa，其他位置的应力值很小。启动工况 应力值为106MPa，其位置存大齿轮的边缘载荷加载处附近。
筒体与端盖的材料是ZG20SiMn，屈服极限为300MPa，大齿轮的材料是ZG42GrMo，屈服极限是540Mpa，各工况的 应力值都小于相应材料的屈服极限，故在各工况下球磨机回转体强度均满足要求。
4.2 位移分析
从图7中可以清楚地看出，满载静止时筒体的 位移为1.682mm，正常工况下 位移为1.94mm，启动工况 位移值为3.103mm，其位置均在载荷作用方向筒体中心处。其余绝大部分变形量都很小，说明各工况下回转体的刚度足够。曲线图中曲线突变是由筒体与端盖连接处的结构突变引起的。
5、结论
(1)通过某球磨机进行有限元分析，得出该球磨机应力和变形分布规律，验证该球磨机的强度和刚度均符合要求。
(2)本文提出的有限元分析方法适用于同类磨机的强度和刚度分析。