基于有限元法的球磨機(jī)筒體模態(tài)分析

基于有限元法的球磨機(jī)筒體模態(tài)分析

研磨機(jī)的磨礦過(guò)程是一項(xiàng)復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，也是旋轉(zhuǎn)莖的意外振動(dòng)。在對(duì)球磨機(jī)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(shí)采用有限元和試驗(yàn)兩種方法對(duì)φ3200mm×3600mm球磨機(jī)進(jìn)行分析,通過(guò)數(shù)據(jù)比較,使分析結(jié)果更加合理、可靠。1巴氏合金滑動(dòng)軸的承上在球磨機(jī)的筒體上安裝有一個(gè)直徑大于筒體直徑的大齒輪,電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器與小齒輪連接,小齒輪與大齒輪進(jìn)行嚙合,從而帶動(dòng)球磨機(jī)筒體運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)行磨礦作業(yè),而機(jī)器的工作筒體是支撐在兩端的巴氏合金滑動(dòng)軸承上。筒體內(nèi)部裝有適量的磨礦介質(zhì)——鋼球,當(dāng)球磨機(jī)筒體以規(guī)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),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?yàn)a落狀態(tài)。被磨制的物料由給料口連續(xù)地進(jìn)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(shí)的沖擊力和運(yùn)動(dòng)時(shí)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(guò)筒體中心垂直向下作用;與筒體一起作圓周運(yùn)動(dòng)的破碎介質(zhì)和物料的重力;作拋物線運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)和物料落下后對(duì)筒體的沖擊力;此外還有齒輪傳動(dòng)的嚙合力等。2關(guān)于桶體振動(dòng)的金元模擬2.1建立實(shí)體模型針對(duì)φ3200mm×3600mm型球磨機(jī),建模采用三維實(shí)體單元。為了不使分析過(guò)于復(fù)雜,且保證所需的計(jì)算精度,對(duì)筒體進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化,特作如下假設(shè):(1)鋼球的運(yùn)動(dòng)狀況完全相似;(2)軸承支座視為剛性;(3)球與筒壁無(wú)相對(duì)滑動(dòng),且撞擊力不考慮滑動(dòng)摩擦力。依據(jù)已知數(shù)據(jù)在Pro/E中建立筒體實(shí)體模型。在建模過(guò)程中,去掉不影響計(jì)算結(jié)果的因素,球磨機(jī)筒體中的焊縫處按連續(xù)處理?；谕搀w結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和計(jì)算機(jī)的配置,將建好的筒體模型導(dǎo)入AN-SYS軟件,選擇三維實(shí)體單元Solid45,并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。所分析的球磨機(jī)筒體的網(wǎng)格數(shù)量經(jīng)過(guò)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(gè)單元,32107個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖1所示。2.2回轉(zhuǎn)體模態(tài)分析模態(tài)分析屬于動(dòng)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(gòu)成,它由自身結(jié)構(gòu)決定,與外部載荷無(wú)關(guān)。在對(duì)回轉(zhuǎn)體進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),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(jìn)料端為活動(dòng)滑履支承,即允許有軸向位移。對(duì)出料端支承,在滑環(huán)與托瓦接觸處,約束節(jié)點(diǎn)的全部自由度;對(duì)進(jìn)料端支承,在滑環(huán)與托瓦接觸處,除軸向移動(dòng)自由度外,約束節(jié)點(diǎn)的其他自由度。2.3固有頻率和振型采用三維實(shí)體單元,求得球磨機(jī)筒體的固有頻率和振型。由于球磨機(jī)的工作轉(zhuǎn)速較低,在此僅求前6階固有頻率和振型。球磨機(jī)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(jī)固有頻率遠(yuǎn)大于其工作頻率;從球磨機(jī)前6階振型可以看出,球磨機(jī)中部結(jié)構(gòu)較弱,剛性較差,應(yīng)加強(qiáng)。為一步驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性,還需通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。3試驗(yàn)中，圓磨機(jī)筒體固有頻率3.1對(duì)振動(dòng)的模態(tài)分析試驗(yàn)利用沖擊力錘激勵(lì)被測(cè)筒體,通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)裝置,得到被測(cè)筒體的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào),同時(shí)記錄力錘的激勵(lì)信號(hào),通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析,可以顯示被測(cè)件的振動(dòng)模態(tài)特性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩種分析方法互相驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí),筒體安裝在原有機(jī)器上,拆除不必要的附件,測(cè)點(diǎn)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(yàn)頻段內(nèi),確保所關(guān)注的結(jié)構(gòu)點(diǎn)都在所選的測(cè)量點(diǎn)之中。測(cè)試采集系統(tǒng)為CRAS系統(tǒng),模態(tài)試驗(yàn)簡(jiǎn)圖如圖3所示。3.2散化處理(1)根據(jù)筒體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),以及試驗(yàn)結(jié)果的精確性等方面對(duì)節(jié)點(diǎn)選取和節(jié)點(diǎn)部位的要求,將試件做離散化處理,用有限多個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)代替整個(gè)連續(xù)結(jié)構(gòu)。(2)確定節(jié)點(diǎn)后,把各節(jié)點(diǎn)按幾何結(jié)構(gòu)連線,建立幾何模型。根據(jù)實(shí)際情況,將筒體分成11個(gè)圓環(huán),每個(gè)圓環(huán)有12個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為11×12個(gè),用348條線將節(jié)點(diǎn)連起來(lái)構(gòu)成筒體模型。(3)測(cè)量設(shè)置,對(duì)不必測(cè)量的節(jié)點(diǎn)模態(tài)進(jìn)行必要的定義。3.3固有頻率分析試驗(yàn)測(cè)得的筒體的各階固有頻率如表1和圖4所示。試驗(yàn)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(duì)值變化最大達(dá)1.213Hz,發(fā)生在第6階固有頻率;固有頻率的最大變化率達(dá)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(jī)筒體前6階固有頻率,與試驗(yàn)分析得到的球磨機(jī)筒體前6階固有頻率值變