有限元法在球磨机结构研究中的应用

导读:其它比较早的还有李振华应用SPA5有限元程序进行间歇式球磨机筒体的强度分析，得到了筒体的径向和环向位移以及静态、动态状况下的环向和径向应力分布状态；齐纪渝，杨企秦等对筒式磨煤机衬板进行了有限元应力分析，成功实现了小型衬板小型化改造；还有陈黎明、李小东等对球磨机筒体建立了有限元模型，并对球磨机筒体进行了三维有限元分析以及剩余的预测研究；王藏柱、杨晓红等对球磨机端盖强度和动应力进行了有限元分析，并给出了新端盖的安全系数和端盖动应力的变化规律；吴晓元、陈忠基、朱希玲等利用有限元法分析得出了球磨机压轴承油膜内的速度分布情况和压力分布情况，油膜的承载能力等，为进一步进行轴承参数优化设计奠定了基础。

有限元法在球磨机结构研究中的应用 今天我们就来给大家介绍一下有限元法在球磨机结构研究中的应用，球磨机的发展已经有100余年的历史，而有限元不支是近几十年才得以逐渐应用的。

因此，球磨机的研究已经积累起一定的传统方法和经验。

如在结构设计上，传统的设计方法是采用比例放大技术，即在实验室设计小型的球磨机进行试验，试验成功后再按比例放大尺寸来制造大型的球磨机。

这种方法的缺点是不能准确了解个部分的应力分布情况，因而不容易暴露极限问题，从而可能造成事故。

目前这种方法已经越来越不能适应球磨机大型化趋势的要求。

随着有限元分析技术和能力的发展，球磨机应用分析技术在过去10~15年里有了引人注目的变化。

这一迅速发展已使得能对球磨机三维有限元模型进行球磨机分析。

采用这一模型有如下优点： 1、可以很好的直观表示磨机结构，并指出模型的准确性和可靠性； 2、可以直接显示球磨机形变和比较分析形变图形和希望值的差别 3、可以直观显示球磨机圆周上的应力。

因为关键是确定应力范围而不是最大应力值，所以了解评估球磨机圆周上的应力变化就非常重要了； 4、能够细致地将非轴对称结构（如人孔和径向连接）模型化，这比二维对称模型具有更高的准确性和可靠性； 5、能够进行非线性分析，以研究螺栓联接、插口等处的特殊行为。

ANI公司在分析的基础上还进行了广泛的球磨机现场监测，将应变仪数据与分析结果相比较，以修正模型技术，从而保证了球磨机在大型化后仍保持分析的正确性。

我国已基本实现了陶瓷球磨机的国产化，且有向大型化方向的发展趋势，但一个重要的制约因素就是我国球磨机的自主设计仍然停留在很初级的阶段，传统的设计是将筒体简化为筒支梁等，这种设计实际上是不准确的。

因此用这种方法进行大型产品的设计开发是不可行的。

随着有限元软件进行分析来验证设计或者进行设计，进而缩短产品开发周期，节约人力物力。

实践表明，利用有限元分析应用于球磨机上可行的并且国内已有关的研究工作，但比较完全的系列化的研究未见有相关报导。

如罗贤海、冯浩、冯景华等人采用大型通用有限元软件ANSYS对14吨球磨机进行了应力计算，得到了球磨机的变形及应力分布，指出了危险截面位置及应力大小，其分析结果表明了球磨机的强度分析不能简单的用梁模型，球磨机有较大的强度储备，可进一步对壁厚进行优化。

高兴岐等建立了大型球磨机半外圈滚动轴承三维模型，并对其进行了接触问题有限元分析，求解出了滚动轴承的接触应力和变形。

周敬宣、王方明、何锃等采用随机有限元求解球磨机结构动力响应，在对球磨机结构及激励力建立简化模型的基础上，计算球磨机结构的动力位移响应。

结果表明，对于大型复杂结果，振动特性为宽频带振动，利用摄动随机有限元方法能准确地反映系统的实际行为，从而获得较好的预测效果。

其它比较早的还有李振华应用SPA5有限元程序进行间歇式球磨机筒体的强度分析，得到了筒体的径向和环向位移以及静态、动态状况下的环向和径向应力分布状态；齐纪渝，杨企秦等对筒式磨煤机衬板进行了有限元应力分析，成功实现了小型衬板小型化改造；还有陈黎明、李小东等对球磨机筒体建立了有限元模型，并对球磨机筒体进行了三维有限元分析以及剩余的预测研究；王藏柱、杨晓红等对球磨机端盖强度和动应力进行了有限元分析，并给出了新端盖的安全系数和端盖动应力的变化规律；吴晓元、陈忠基、朱希玲等利用有限元法分析得出了球磨机压轴承油膜内的速度分布情况和压力分布情况，油膜的承载能力等，为进一步进行轴承参数优化设计奠定了基础。

以上报导的研究中，仅作了局部结构上的研究和对整机进行了研究，但只针对于特定的14吨级别球磨机。

他们的研究对我们具有重要的借鉴意义。

而有关球磨机的结构优化分析至今未见有相关报导。

尤其是筒体的壁厚，我国几十种规格球磨机的筒体由于制造厂家的不同，筒体的壁厚不与规格大小成比例，有相同规格而壁厚不同的，也有规格虽小而壁厚反而比大规格更大的，这不但浪费了材料，还增加了动力消耗，故对其进行优化具有非常重要的意义。

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球磨机衬板结构的研究现状

球磨机衬板结构的研究现状 球磨机衬板的作用主要是保护筒体不被磨损，故衬板的结构一般都比较简单。

球磨机的衬板种类很多，就安装部位可分为：端（磨头）衬板、筒体衬板、磨门衬板；联接方式可分：螺栓孔衬板、无螺栓孔（镶嵌式）衬板；按其功能可分：螺栓孔衬板、无螺栓孔（镶嵌式）衬板；按其功能可分：普通衬板、分级衬板等；也可以按上述的衬板材质分类。

目前一般按表面形状分，有平滑和非平滑两类衬板，非平滑形衬板是根据经验对平滑形衬板进行设计改进的。

其中非平滑衬板主要有：波形衬板、平凸形衬板、阶梯形衬板、长条形衬板和沟槽衬板等。

由于球磨机磨球的运动状态决定了磨矿效率高低，故国内外对磨球的运动状态研究的比较多，而对衬板结构对磨球运动状态的影响，这方面研究的比较少。

在上个世纪末，Mclvor和Vemreulne等人提出了阶梯型衬板的提升条高度和面角对最外层磨球的运动状态有着很重要的影响：随后https://www.flowerba.com/又在理论上就梯形衬板提升条结构对最外层磨球的影响做了很详细的研究，并提出了自己的一套衬板提升条的设计理论。

https://www.flowerba.com/使用离散元素分析法DEM（Disceret Element Method）对提升条的各个参数，磨球运动状态以及冲击能量做了非常详细的研究，并使用三维DEM对球磨机内磨球的运动状态进行了三维动态分析，这为提升条的设计理论依据又做了进一步的研究。

随着DEM在工程领域的应用，现已广泛用于磨矿的介质运动建模，而且二维DEM和三维DEM在介质运动中已经普遍推广，并建立了一些相关的数学模型和计算机分析软件。

目前梯形衬板的设计原理已经研究的相当成熟，梯形衬板在国外主要应用在金属矿山的大型自磨机和半自磨机上。

而在国内金属矿山上使用的主要是波形衬板，但波形衬板还没有理论设计依据，而且国内的波形衬板完全是靠经验方法设计的。

由于设计没有科学依据，故这种波形衬板在使用时并未发挥到最佳状态。

现在广泛应用的一类衬板是沟槽衬板，它是奥地利Voest-AIPine公司向全世界推广的节能衬板，沟槽衬板是按照面心立方密排结构的原子密排原理来设计衬板的结构参数，目前在各国的磨矿生产行业都显示出了良好的节能效果，在国内已广泛使用在水泥球磨机上。

但是沟槽衬板设计并没有考虑到磨球运动最佳状态，只考虑了磨球的密排性。

国此该设计方案也不是最佳的，在生产实践中衬板的设计应该以磨球的运动状态达到最佳为依据。

但是沟槽衬板的设计并不是定型、通用万能的，其结构形式应根据球磨机的工艺条件做相应的设计才能取得理想的效果。

还有在粉磨比表面积要求高的物料时，它更能显示其优越性。

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球磨机运动学研究的方法及内容

球磨机运动学研究的方法及内容 本文主要采用理论分析研究的方法。

理论研究主要是磨球的运动学分析，因为最外层磨球介质的运动曲线是所有磨球运动曲线的外包络线，它决定了其它磨球的运动范围。

同时衬板的磨损量是与衬板和最外层磨球的相对滑动量有关的，尤其在上升区，村板的磨损就取决于磨球与衬板的相对滑动量。

故本文先通过磨球运动的理论分析，再来提出衬板结构参数设计的依据，并采用有限元分析软件ANSYS建模对衬板所受冲击磨损的过程进行了分析。

为此，本文主要研究以下几个方面内容： (1)查阅大量文献，综合叙述了球磨机结构、工作原理、发展现状以及对球磨机磨矿理论研究目标难点做了详细了概述。

(2)在理论上分析磨球的受力情况及在筒内的运动状念情况，重点分析在圆周运动及抛落运动状态时的运动轨迹并得出运动轨迹方程。

分析了磨球的冲击特性、冲击角度、冲击位置、冲击能量等：分析磨球的自转速度，并证明磨球与衬板问是存在相对滑动的。

对球磨机衬板的设计提供一些参数和理论上的指导。

(3)球磨机衬板形状发展及衬板受力状况，从衬板的结构、受力状况、衬板的设计依据依据衬板表面参数的确定依次进行了分析，并通过分析研究建立了一个计算衬板近似寿命的模型。

(4)用理论计算的方法确定球磨机中磨球的冲击特性，然后用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对球磨机磨球冲击过程进行仿真分析，并对冲击过程的时间历程图表进行分析说明。

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