基于有限元法的球磨机筒体模态分析

基于有限元法的球磨机筒体模态分析

研磨机的磨矿过程是一项复杂的物理和化学过程，也是旋转茎的意外振动。在对球磨机筒体的模态分析中，人们通常使用理论模拟分析。笔者试图同时采用有限元和试验两种方法对φ3200mm×3600mm球磨机进行分析,通过数据比较,使分析结果更加合理、可靠。1巴氏合金滑动轴的承上在球磨机的筒体上安装有一个直径大于筒体直径的大齿轮,电动机通过减速器与小齿轮连接,小齿轮与大齿轮进行啮合,从而带动球磨机筒体运转而进行磨矿作业,而机器的工作筒体是支撑在两端的巴氏合金滑动轴承上。筒体内部装有适量的磨矿介质——钢球,当球磨机筒体以规定的转速旋转时,磨矿介质在离心力和摩擦力的作用下,被提升到一定的高度,呈抛落或泻落状态。被磨制的物料由给料口连续地进入筒体内部,被磨矿介质粉碎,并借助溢流和连续给料的力量将物料排出。物料的磨碎主要是靠钢球落下时的冲击力和运动时的磨剥。作用在筒体上的力有:筒体(包括衬板和大齿轮)的重力,它是通过筒体中心垂直向下作用;与筒体一起作圆周运动的破碎介质和物料的重力;作抛物线运动的介质和物料落下后对筒体的冲击力;此外还有齿轮传动的啮合力等。2关于桶体振动的金元模拟2.1建立实体模型针对φ3200mm×3600mm型球磨机,建模采用三维实体单元。为了不使分析过于复杂,且保证所需的计算精度,对筒体进行合理的简化,特作如下假设:(1)钢球的运动状况完全相似;(2)轴承支座视为刚性;(3)球与筒壁无相对滑动,且撞击力不考虑滑动摩擦力。依据已知数据在Pro/E中建立筒体实体模型。在建模过程中,去掉不影响计算结果的因素,球磨机筒体中的焊缝处按连续处理。基于筒体结构的对称性和计算机的配置,将建好的筒体模型导入AN-SYS软件,选择三维实体单元Solid45,并进行网格划分。所分析的球磨机筒体的网格数量经过几次试算,综合考虑各方面因素,有限元模型最终确定含有98060个单元,32107个节点,如图1所示。2.2回转体模态分析模态分析属于动态分析中的固有特性分析,固有特性由固有频率、振型等模态参数构成,它由自身结构决定,与外部载荷无关。在对回转体进行模态分析时,仅需施加自由度约束即可。筒体两端用滑履支承:出料端为固定滑履支承;进料端为活动滑履支承,即允许有轴向位移。对出料端支承,在滑环与托瓦接触处,约束节点的全部自由度;对进料端支承,在滑环与托瓦接触处,除轴向移动自由度外,约束节点的其他自由度。2.3固有频率和振型采用三维实体单元,求得球磨机筒体的固有频率和振型。由于球磨机的工作转速较低,在此仅求前6阶固有频率和振型。球磨机筒体前6阶固有频率值如表1所列,振型如图2所示。由模态分析可知,球磨机固有频率远大于其工作频率;从球磨机前6阶振型可以看出,球磨机中部结构较弱,刚性较差,应加强。为一步验证有限元分析的准确性,还需通过试验进行验证。3试验中，圆磨机筒体固有频率3.1对振动的模态分析试验利用冲击力锤激励被测筒体,通过模态试验装置,得到被测筒体的振动响应信号,同时记录力锤的激励信号,通过计算机对信号进行分析,可以显示被测件的振动模态特性,进而实现两种分析方法互相验证。试验时,筒体安装在原有机器上,拆除不必要的附件,测点数量及布置要保证所有模态的基本特征及互相间的区别能够明确显示在试验频段内,确保所关注的结构点都在所选的测量点之中。测试采集系统为CRAS系统,模态试验简图如图3所示。3.2散化处理(1)根据筒体结构的特点,以及试验结果的精确性等方面对节点选取和节点部位的要求,将试件做离散化处理,用有限多个节点来代替整个连续结构。(2)确定节点后,把各节点按几何结构连线,建立几何模型。根据实际情况,将筒体分成11个圆环,每个圆环有12个节点,节点个数为11×12个,用348条线将节点连起来构成筒体模型。(3)测量设置,对不必测量的节点模态进行必要的定义。3.3固有频率分析试验测得的筒体的各阶固有频率如表1和图4所示。试验得到的固有频率与有限元分析得到的固有频率略有不同,绝对值变化最大达1.213Hz,发生在第6阶固有频率;固有频率的最大变化率达2.67%,同样发生在第6阶固有频率。4固有频率与振型的模态分析基于有限元的球磨机筒体前6阶固有频率,与试验分析得到的球磨机筒体前6阶固有频率值变