郝翌軒

摘 要：通過個(gè)別客戶現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問題，本文運(yùn)用 ANSYS 有限元分析軟件對(duì)磨盤進(jìn)行強(qiáng)度分析、疲勞分析等步驟，再根據(jù)分析所得的結(jié)果，對(duì)原有磨盤的設(shè)計(jì)其進(jìn)行優(yōu)化，從而使磨盤的性能更加穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：磨盤；疲勞分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.010

1 背景介紹

我公司自上個(gè)世紀(jì)六十年代開發(fā)立式輥磨機(jī)以來，一直保存國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，各種型號(hào)立式輥磨機(jī)累計(jì)銷量數(shù)千臺(tái)，其中MLS3626型號(hào)銷量最高。銷量眾多難免個(gè)別用戶現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問題，近五年內(nèi)有兩臺(tái)立式輥磨機(jī)的磨盤出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，我們?cè)诓檎屹|(zhì)量問題原因的同時(shí)，也從設(shè)計(jì)的角度分析，是否存在設(shè)計(jì)方面的漏洞，進(jìn)而考慮是否有更好的方案。

2 優(yōu)化思路

使用Ansys有限元分析軟件為工具，對(duì)磨盤進(jìn)行強(qiáng)度分析、疲勞分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體思路如下所示：

（1）首先對(duì)磨盤進(jìn)行初步分析，通過計(jì)算磨盤運(yùn)行時(shí)所受到的載荷，加載到磨盤的模型上，通過軟件分析磨盤的應(yīng)力分布及形變狀況，可以初步觀察磨盤的應(yīng)力集中的位置、大小及形變量等情況，為下一步分析提供參考依據(jù)。

（2）然后對(duì)磨盤進(jìn)行疲勞分析，由于磨盤受到周期性載荷的作用，磨盤的疲勞壽命受到影響，在磨盤具有應(yīng)力集中的情況下，疲勞壽命減少得更為明顯，通過尋找疲勞壽命薄弱的地方，從而進(jìn)行避免和改進(jìn)，這樣可以明確優(yōu)化的目標(biāo)。

（3）明確優(yōu)化目標(biāo)之后，先對(duì)磨盤的結(jié)構(gòu)作合理改進(jìn)，再使用軟件的優(yōu)化分析功能對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，之后根據(jù)分析的結(jié)果再次調(diào)整磨盤的結(jié)構(gòu)，最終得出完善的設(shè)計(jì)。

3 磨盤的有限元分析步驟

有使用有限元分析軟件對(duì)磨盤進(jìn)行分析，需要以下步驟：

3.1 建立磨盤三維模型

根據(jù)MLS3626立磨磨盤的尺寸，建立磨盤的三維模型。為了使研究方便，對(duì)磨盤模型進(jìn)行了一系列簡(jiǎn)化。

3.2 模型劃分網(wǎng)格

將前面建立好的磨盤三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將磨盤離散為合理的組合單元，網(wǎng)格形狀為四面體結(jié)構(gòu)，有限元模型單元數(shù)421921，節(jié)點(diǎn)數(shù)677725。

3.3 模型材料特性的分析

根據(jù)MLS3626磨盤的材料屬性，在軟件里添加相應(yīng)的參數(shù)，主要參數(shù)如下表：

3.4 模型限元分析計(jì)算

通過計(jì)算得出磨盤的受力情況，將所得數(shù)值在ANSYS中加載到模型中，保證計(jì)算結(jié)果精確以便盡量使磨盤的仿真能貼合實(shí)際。根據(jù)工況加載到磨盤的受力區(qū)域，之后進(jìn)行分析，得出磨盤的應(yīng)力圖和形變圖。

3.5 有限元分析后處理

由圖1 MLS3626磨盤座位移云圖和圖2 MLS3626磨盤座等效應(yīng)力云圖中的結(jié)果，我們可以確定磨盤受力和形變的情況，然后根據(jù)所得結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行疲勞分析、拓?fù)鋬?yōu)化等步驟。

磨機(jī)工作時(shí)，磨盤是不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的，磨機(jī)的磨輥在加載裝置的作用下，施加碾壓力作用在物料上，并且該力由物料傳遞給磨盤。這樣磨盤循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，磨輥的碾壓力便在磨盤上碾壓一圈，因此磨盤受到周期性循環(huán)應(yīng)力。首先計(jì)算出MLS3626磨盤受力的循環(huán)次數(shù)，然后在計(jì)算磨盤的最大使用壽命、疲勞敏感性及損傷等相關(guān)數(shù)據(jù)與曲線[1]。

根據(jù)前面輸入的材料的特性，利用軟件可以得出磨盤材料的循環(huán)次數(shù)與變交應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，如圖3所示。

運(yùn)用 ANSYS 分析軟件的疲勞分析功能——fatigue tool對(duì)磨盤進(jìn)行疲勞分析。相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：疲勞強(qiáng)度因子為 0.8，比例因子為 0.005。根據(jù)立磨的運(yùn)行原理，磨盤的受力會(huì)不斷變化，所以在分析疲勞敏感性時(shí)，定義一個(gè)最小基本載荷變化幅度為50%和一個(gè)最大基本載荷變化幅度為300%的兩個(gè)交互應(yīng)力。通過軟件計(jì)算可得到以下結(jié)果[1]：

由計(jì)算結(jié)果可以看出，MLS3626磨盤整體壽命穩(wěn)定，絕大部分壽命均為2e7 h，約為2200多年，而極少數(shù)的位置出現(xiàn)壽命銳減的現(xiàn)象，最小處達(dá)1.3e5，約為15年左右，壽命減少的位置均出現(xiàn)在T型槽與螺栓孔交匯處。根據(jù)疲勞損壞特性知，疲勞破壞產(chǎn)生都是從一些微小的“疲勞源”發(fā)起，逐漸向外擴(kuò)散，從而出現(xiàn)裂紋，此現(xiàn)象可能就是造成極個(gè)別磨盤座開裂的原因。雖然磨盤使用年限未達(dá)到理論年限，但由于現(xiàn)場(chǎng)的許多不確定性因素，例如地表震動(dòng)、物料特性、加工精度等等，可能造成意外現(xiàn)象的出現(xiàn)。

為了減少意外情況的出現(xiàn)，現(xiàn)對(duì)磨盤進(jìn)行改進(jìn)，參照礦渣磨的磨盤固定方式，將磨盤上的T型槽去掉，采用上下壓緊的襯板固定方式。 通過對(duì)新型磨盤的疲勞特性分析，新型磨盤整體壽命均為2e7，無波動(dòng)，證明磨盤改進(jìn)良好 。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，比較之前的磨盤，最大形變基本不變，由原來的5.23e-4降低至4.64e-4，而最大應(yīng)力明顯減小由原來的4.46e+7降低至3.47e+7，說明原磨盤最大應(yīng)力處已經(jīng)被消除，且具有一定“減肥”空間。因此利用軟件的優(yōu)化功能，對(duì)此模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿足約束條件下按預(yù)定目標(biāo)求出最優(yōu)方案的設(shè)計(jì)方法，目的是得出經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。本文首先采用拓?fù)鋬?yōu)化，目的是在磨盤受到相應(yīng)載荷和約束的情況下，減少磨盤的外形尺寸并盡可能的保持磨盤的應(yīng)力和形變的變化量盡量小，從而減輕磨盤的重量，使磨盤的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)且合理。

優(yōu)化結(jié)果如下圖所示：

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，重新對(duì)磨盤座進(jìn)行改進(jìn)，再進(jìn)行優(yōu)化尺寸，最終得到結(jié)果如圖：

優(yōu)化結(jié)果前后對(duì)比：

4 結(jié)論

通過上面分析，可以得出結(jié)論：原有MLS3626磨盤完全符合設(shè)計(jì)要求。但為減小意外發(fā)生的可能性，提高使用壽命，對(duì)磨盤進(jìn)行有限元分析，其主要目的：一是尋找磨盤開裂原因；二是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而更好的提高我們的磨機(jī)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]梅逢意.立式輥磨機(jī)磨盤的動(dòng)態(tài)分析與優(yōu)化[D].江西理工大學(xué)，2012：18-22.

[2]和春梅，楊曉杰.預(yù)粉磨立磨磨盤有限元分析[J].中國(guó)水泥， 2010（06）：58.