基于有限元法的球磨機筒體模態(tài)分析

基于有限元法的球磨機筒體模態(tài)分析

研磨機的磨礦過程是一項復雜的物理和化學過程，也是旋轉莖的意外振動。在對球磨機筒體的模態(tài)分析中，人們通常使用理論模擬分析。筆者試圖同時采用有限元和試驗兩種方法對φ3200mm×3600mm球磨機進行分析,通過數(shù)據(jù)比較,使分析結果更加合理、可靠。1巴氏合金滑動軸的承上在球磨機的筒體上安裝有一個直徑大于筒體直徑的大齒輪,電動機通過減速器與小齒輪連接,小齒輪與大齒輪進行嚙合,從而帶動球磨機筒體運轉而進行磨礦作業(yè),而機器的工作筒體是支撐在兩端的巴氏合金滑動軸承上。筒體內(nèi)部裝有適量的磨礦介質(zhì)——鋼球,當球磨機筒體以規(guī)定的轉速旋轉時,磨礦介質(zhì)在離心力和摩擦力的作用下,被提升到一定的高度,呈拋落或瀉落狀態(tài)。被磨制的物料由給料口連續(xù)地進入筒體內(nèi)部,被磨礦介質(zhì)粉碎,并借助溢流和連續(xù)給料的力量將物料排出。物料的磨碎主要是靠鋼球落下時的沖擊力和運動時的磨剝。作用在筒體上的力有:筒體(包括襯板和大齒輪)的重力,它是通過筒體中心垂直向下作用;與筒體一起作圓周運動的破碎介質(zhì)和物料的重力;作拋物線運動的介質(zhì)和物料落下后對筒體的沖擊力;此外還有齒輪傳動的嚙合力等。2關于桶體振動的金元模擬2.1建立實體模型針對φ3200mm×3600mm型球磨機,建模采用三維實體單元。為了不使分析過于復雜,且保證所需的計算精度,對筒體進行合理的簡化,特作如下假設:(1)鋼球的運動狀況完全相似;(2)軸承支座視為剛性;(3)球與筒壁無相對滑動,且撞擊力不考慮滑動摩擦力。依據(jù)已知數(shù)據(jù)在Pro/E中建立筒體實體模型。在建模過程中,去掉不影響計算結果的因素,球磨機筒體中的焊縫處按連續(xù)處理?；谕搀w結構的對稱性和計算機的配置,將建好的筒體模型導入AN-SYS軟件,選擇三維實體單元Solid45,并進行網(wǎng)格劃分。所分析的球磨機筒體的網(wǎng)格數(shù)量經(jīng)過幾次試算,綜合考慮各方面因素,有限元模型最終確定含有98060個單元,32107個節(jié)點,如圖1所示。2.2回轉體模態(tài)分析模態(tài)分析屬于動態(tài)分析中的固有特性分析,固有特性由固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)構成,它由自身結構決定,與外部載荷無關。在對回轉體進行模態(tài)分析時,僅需施加自由度約束即可。筒體兩端用滑履支承:出料端為固定滑履支承;進料端為活動滑履支承,即允許有軸向位移。對出料端支承,在滑環(huán)與托瓦接觸處,約束節(jié)點的全部自由度;對進料端支承,在滑環(huán)與托瓦接觸處,除軸向移動自由度外,約束節(jié)點的其他自由度。2.3固有頻率和振型采用三維實體單元,求得球磨機筒體的固有頻率和振型。由于球磨機的工作轉速較低,在此僅求前6階固有頻率和振型。球磨機筒體前6階固有頻率值如表1所列,振型如圖2所示。由模態(tài)分析可知,球磨機固有頻率遠大于其工作頻率;從球磨機前6階振型可以看出,球磨機中部結構較弱,剛性較差,應加強。為一步驗證有限元分析的準確性,還需通過試驗進行驗證。3試驗中，圓磨機筒體固有頻率3.1對振動的模態(tài)分析試驗利用沖擊力錘激勵被測筒體,通過模態(tài)試驗裝置,得到被測筒體的振動響應信號,同時記錄力錘的激勵信號,通過計算機對信號進行分析,可以顯示被測件的振動模態(tài)特性,進而實現(xiàn)兩種分析方法互相驗證。試驗時,筒體安裝在原有機器上,拆除不必要的附件,測點數(shù)量及布置要保證所有模態(tài)的基本特征及互相間的區(qū)別能夠明確顯示在試驗頻段內(nèi),確保所關注的結構點都在所選的測量點之中。測試采集系統(tǒng)為CRAS系統(tǒng),模態(tài)試驗簡圖如圖3所示。3.2散化處理(1)根據(jù)筒體結構的特點,以及試驗結果的精確性等方面對節(jié)點選取和節(jié)點部位的要求,將試件做離散化處理,用有限多個節(jié)點來代替整個連續(xù)結構。(2)確定節(jié)點后,把各節(jié)點按幾何結構連線,建立幾何模型。根據(jù)實際情況,將筒體分成11個圓環(huán),每個圓環(huán)有12個節(jié)點,節(jié)點個數(shù)為11×12個,用348條線將節(jié)點連起來構成筒體模型。(3)測量設置,對不必測量的節(jié)點模態(tài)進行必要的定義。3.3固有頻率分析試驗測得的筒體的各階固有頻率如表1和圖4所示。試驗得到的固有頻率與有限元分析得到的固有頻率略有不同,絕對值變化最大達1.213Hz,發(fā)生在第6階固有頻率;固有頻率的最大變化率達2.67%,同樣發(fā)生在第6階固有頻率。4固有頻率與振型的模態(tài)分析基于有限元的球磨機筒體前6階固有頻率,與試驗分析得到的球磨機筒體前6階固有頻率值變