（机械电子工程专业论文）立磨关键部件有限元分析.pdf

摘要 立磨是一种用途很广的粉磨兼烘干设备，可广泛地用于粉磨水泥或水泥熟 料及其他建筑化工陶瓷等工业原料。 立磨在工作原理、研磨机理、机械结构系统、工艺性能等方面以其独特的 优点越来越得到国内外水泥行业的重视，随着窑外分解技术的诞生，各国水泥 行业越来越多地采用立磨粉磨水泥原料与熟料。与传统球磨机相比，立磨具有 粉磨效率高、电耗低，烘干能力大、产品细度调节方便、工艺流程简单、占地 面积小、噪声低、金属消耗少、检修方便等特点。 本文分析了立磨的工作原理和结构组成以及常见组合类型，分析了关键部 件主要尺寸对立磨技术参数的影响。按照设计要求进行立磨关键部件的参数设 计，设计了立磨关键部件。并以p r o e 为平台实现立磨关键部件的设计，同时 将三维样机直接转化为零件和装配图的二维工程图，以利于工程实际生产。 利用h y p e r m e s h 和a n s y s 两大有限元软件，对立磨关键部件加压装置和磨 盘的有限元分析。首先，对立磨运行工况和关键部件结构进行简化，以达到满 足静力学要求和有限元计算要求。再次，建立加压装置几何模型，划分网格， 利用接触技术模拟支撑轴承与中心轴之间的微小转动状态，利用接触单元模拟 磨棍与衬板的相对运动，合理地处理了边晃条件，得到了摇臂、动臂的位移变 形和应力分布。最后，建立了磨盘装置几何模型，划分质量较好的六面体网格， 运用垂直压力和切向力模拟实际工况的研磨压力和摩擦力，得到了磨盘的位移 变形和应力分布。通过摇臂、动臂和磨盘等关键部件位移图和应力分布图，验 证了立磨关键部件设计的合理性和安全性，立磨关键部件设计是满足要求的。 在有限元分析结果的基础上，运用数学优化思想，在h y p e r w o r k s 优化模块 o p t i s t r u c t 平台下对磨盘进行形状优化。在已有设计模型的基础上，确定优化区 域，建立了磨盘形状扰动变量，设置制造约束条件和刚度约束条件，定义优化 目标。优化计算后得到了合理的结构优化设计模型，同时减轻了磨盘重量，节 省了成本。形状优化技术的引入，使得结构设计更为科学，来指导工程设计。 关键词：立磨，关键部件，有限元，形状优化 a b s t r a c t v e r t i c a lm i l li sab r o a du s e f u le q u i p m e n ti ng r i n d i n ga n d d r y i n g ，w h i c hi sw i d e l y u s e di ng r i n d i n gc e m e n to rc e m e n tc l i n k e ra n do t h e rb u i l d i n gc e r a m i c sa n do t h e r c h e r n i c a l i n d u s t r i a lr a wm a t e r i a l s i nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fv e r t i c a l m i l l ，g r i n d i n gm e c h a n i s m ，m e c h a n i c a l s t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，p r o c e s sf o ri t su n i q u ep r o p e r t i e so ft h ea d v a n t a g e so fm u c h g r e a t e ri m p o r t a n c ea t t a c h e dt ot h ec e m e n ti n d u s t r ya th o m ea n da b r o a d w i t ht h eb i r t h o ft h ed e c o m p o s i t i o nt e c h n i q u eo u t s i d ek i l n ，m o r ea n dm o r e v e r t i c a lm i l l sa r eu s e dt o 印n dc e m e n tr a wm a t e r i a la n dc l i n k e ri nt h ec e m e n ti n d u s t r y c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lb a l lm i l l ，v e r t i c a lm i l lh a ss o m ea d v a n t a g e s ：h i g he f f i c i e n c yo f g r i n d i n g , l o we l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n ，s t r o n gd r y i n gc a p a c i t y , c o n v e n i e n tt oa d j u s t p r o d u c t f i n e n e s s ，s i m p l et e c h n i c a lp r o c e s s ，s m a l lc o v e r i n ga r e a , l o wn o i s e ，l o wm e t a l c o n s u m p t i o n ，c o n v e n i e n tm a i n t e n a n c ea n dr e p a i r i n g ，a n ds oo n w o r k i n gp r i n c i p l e ，s t r u c t u r ec o m p o s i t i o na n dc o m m o nc o m b i n a t i o nt y p e so ft h e v e r t i c a lm i l la r ea n a l y z e di nt h ep a p e r t h em a j o rd i m e n s i o n so fc o m p o n e n t s ，w h i c h h a v ei m p a c to nv e r t i c a lm i l lt e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，a r ea l s oa n a l y z e di nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fv e r t i c a lm i l l ，v e r t i c a lm i l lp a r a m e t e r sa n d k e yc o m p o n e n t so fv e r t i c a lm i l l a r ed e s i g n e d p r o ei st a k e na sap l a t f 0 1 1 1 1t o s a t i s f yd e s i g nr e q u i r e m e n t s a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt of a c i l i t a t et h ea c t u a l p r o d u c t i o nw o r k ，t h r e e - d i m e n s i o n a lp r o t o t y p ep a r t sa n da s s e m b l i e sd r a w i n g sc o u l d b et r a n s l a t e di n t ot w o d i m e n s i o n a le n g i n e e r i n g d r a w i n g sd i r e c t l y t om a k eu s eo ft w of i n i t ee l e m e n ts o r w a r e ：h y p e r m e s ha n da n s y s ，k e y c o m p o n e n t so ft h ev e r t i c a lm i l l ：g r i n d i n gp r e s s u r ed e v i c ea n dg r i n d i n gt a b l ed e v i c e ， a r ea n a l y z e di nf i n i t ee l e m e n t f i r s t ，o p e r a t i n gc o n d i t i o n so fv e r t i c a lm i l la n dk e y c o m p o n e n t ss t r u c t u r eo fi ta r es i m p l i f i e d ，w h i c hi st om e e tt h es t a t i cr e q u i r e m e n t sa n d t h er e q u i r e m e n t so ff i n i t ee l e m e n t sm e t h o d t h e n ，g e o m e t r i cm o d e lo fg r i n d i n g p r e s s u r ed e v i c ei se s t a b l i s h e d ，a n dt h em o d e li sm e s h e di n t oe l e m e n t s s m a l l e r r o t a t i o n a ls t a t eo fr o c k e r sa n dc e n t r a la x i si ss i m u l a t e db yc o n t a c tt e c h n o l o g y , a n d r e l a t i v ed i s p l a c e m e n tm o v e m e n tb e t w e e nr o l l e ra n dl i n e a ri ss i m u l a t e db yc o n t a c t e l e m e n t s t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sh a v eb e e nd e a l tw i t hr e a s o n a b l y a f t e rt h a t ， i i d i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no ft o pr o c k e ra n dd o w nr o c k e ri s o b t a i n e d a tl a s t ，g e o m e t r i cm o d e lo fg r i n d i n gt a b l ed e v i c ei se s t a b l i s h e d ，a n db e t t e r e l e m e n t s ，h e x a h e d r o ne l e m e n t sa r em e s h e d t h eg r i n d i n g p r e s s u r ea n df r i c t i o n b e t w e e nl i n e a ra n dr o l l e ra r es i m u l a t e db yv e r t i c a lf o r c ea n ds h e a rf o r c e ，a n d d i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o na n d s t r e s sd i s t r i b u t i o no fg r i n d i n gt a b l ei so b t a i n e d t h r o u g ht h ef i g u r e so fd i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o na n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fk e y c o m p o n e n t s ：t o pr o c k e r , d o w nr o c k e ra n dg r i n d i n gt a b l e ，t h er e a s o n a b l e n e s sa n dt h e s a f e t yo fk e yc o m p o n e n t sd e s i g no fv e r t i c a lm i l li sv a l i d a t e d ，a n dd e s i g no fk e y c o m p o n e n t sm e e t st h er e q u i r e m e n t s b a s e do nt h ef e ar e s u l t s ，t om a k eu s eo fm a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nm e t h o d ， s h a p eo p t i m i z a t i o n i si i l n d d u c e di n t og r i n d i n gt a b l ed e v i c ei n o p t i s t r u c t ，a n o p t i m i z a t i o nm o d u l ei nt h eh y p e r w o r k s b a s e do l lt h em o d e ld e s i g n e dp r e v i o u s l y ， o p t i m i z a t i o nr e g i o n so fg r i n d i n gt a b l ea l ed e t e r m i n e d ，s h a p ed i s t u r b a n c ev a r i a b l e sa r e e s t a b l i s h e d m a n u f a c t u r i n gc o n s t r a i n t sa n ds t i f f n e s sc o n s t r a i n t sa r e s e tu p ，a n d o p t i m i z a t i o no b j e c t i v ei sd e f i n e di nt h eo p t i m i z a t i o nm o d e l a f t e ro p t i m i z a t i o n c a l c u l a t i o n ，am o r er e a s o n a b l em o d e li so b t a i n e d ，w h i c hr e d u c e sw e i g h to fg r i n d i n g t a b l e ，a n ds a v e st h ec o s ta tt h es a m et i m e t h ei n t r o d u c t i o no fs h a p eo p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e s ，m a k e st h es t r u c t u r a ld e s i g no fam o r es c i e n t i f i c ，t og u i d et h ee n g i n e e r i n g d e s i g n k e yw o r d s ：v e r t i c a lm i l l ，k e yc o m p o n e n t s ，f i n i t ee l e m e n t ，s h a p eo p t i m i z a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 躲二必日期：他 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 妒y 妙吣 期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于中材建设有限公司与武汉理工大学“辊磨机联合开发 合作 研究项目。 1 2课题研究的目的及意义 立磨( 又称辊磨机) 是一种用途很广的粉磨兼烘干设备，可广泛地用于粉 磨水泥或水泥熟料及其他建筑化工陶瓷等工业原料。 立磨在工作原理、研磨机理、机械结构系统、工艺性能等方面以其独特的 优点越来越得到国内外水泥行业的重视，随着窑外分解技术的诞生，各国水泥 行业越来越多地采用立磨粉磨水泥原料与熟料。与传统球磨机相比，立磨具有 以下特点“。： ( 1 ) 低能耗，粉磨效率高。立磨采用料床粉磨原理粉磨物料，系统能耗比 球磨机低2 0 - - 3 0 。 ( 2 ) 占地面积小，质量轻。立磨内置选粉机装置，不需要另加选粉机和提 升机，出磨含尘气体可直接进入收尘器收集，故工艺简单，布局紧凑，建筑面 积及建筑空间都要比球磨机系统要小3 0 以上，在同样生产能力的情况下，立 磨系统中立磨的质量要比球磨机系统中球磨机的质量轻。 ( 3 ) 烘干能力大。立磨采用热气体输送物料，入磨的风量、风速、风温等 参数非常重要。在立磨内可烘干粉磨水分高达1 2 1 5 的物料，故可省去原 料烘干系统。 ( 4 ) 易损件寿命长。由于立磨的结构决定了立磨在运行过程中没有金属间 的直接接触，所以，金属磨耗小，运转率高，易损件寿命长。 ( 5 ) 入料粒度大。管磨机的入料粒度一般要求小于3 0 m m ，而立磨入料粒度 一般在8 0 - - 1 2 0 m m ，大型立磨可高达2 0 0 r a m ，比管磨机入料粒度大3 - - - 4 倍， 可大大提高破碎机的破碎能力，并简化破碎工艺流程。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 噪声比管磨机小l o d b ，基建投资可节省3 0 ；立磨还具有产品细度和 成分容易监测控制，维护简单等优点。 基于以上立磨的优点可以看出，立磨所产生的综合经济效益和社会效益， 是管磨机无法比拟的，这也是近年来在水泥行业中得到迅速推广的主要原因。 由于耐磨材料技术的迅速发展，使立磨的适应性越来越好。由此可见，立磨不 仅具有先进的技术指标，而且具有良好的经济性，在水泥工业中起到了推动技 术进步节能降耗的重要作用。 立磨既然具有以上优点，具有极强的应用前景，引起国内外学者强烈的兴 趣，开展了大量的研究。目前对立磨的研究工作主要从两方面进行：一是进行粉 磨机理理论的研究，以便在主要结构上作改进，使粉磨能力和细度有所突破；二 是对矿物进行粉磨试验研究，研究粉磨的最佳工艺参数，得出某种物料最适宜的 机型 2 o 立磨作为一种应用非常广泛而且十分重要的生产机械，日益向大型化，自 动化及复杂化发展。这样的关键设备一旦发生故障，往往会给生产带来巨大的 影响，常常由于对故障的出现值估计不足，致使企业蒙受较大的经济损失，每 年企业为了保证其正常运转的维修费用，在企业的经营费中占有很大的比例。 要解决立磨工作过程中的实际问题，势必对立磨的工作状况有一个全面清楚的 认识，这样做出的分析才是科学有效的。传统的类比设计方法已不能满足立磨 设计要求。本课题所研究的立磨是根据现有立磨技术，按照设计参数要求，运 用现代设计技术设计立磨关键部件。 随着计算机技术和计算方法的快速发展，对立磨的分析研究也日益丰富成 熟，有限元方法已成为一种重要的研究方法。对立磨关键部件强度进行有限元 分析，磨辊在工作过程中产生的应力对磨辊的时效分析和寿命预估是非常重要 的，立磨部件的应力分布取决于加载情况、磨辊磨盘的结构参数和物料的特性。 本课题对立磨关键部件进行强度有限元分析，利用所得到强度分析结果来指导 立磨设计，设计优化参数，以达到优化效果。 1 3国内外立磨发展状况 立磨是现代水泥、化工、煤炭、电力等部门广泛应用的一种研磨机械，因 其占地面积小，电耗低、钢耗少、噪音低，而且集烘干、粉磨、选粉于一身， 2 武汉理工大学硕士学位论文 具有结构紧凑，易于操作的优点，越来越受到人们的重视和采用。 1 3 1国外立磨发展概况 世界上最早开发立磨的是德国的l o e s c h e ( 莱歇) 公司，早在1 9 2 5 年就拥有 了立磨的比较成熟的设计。经过8 0 多年的不断发展和完善，立磨的制造和应用 获得突破性进展，设备规格也进一步大型化。现在，世界上最大的立磨是德国 l o e s c h e ( 莱歇) 公司的l m 6 3 3 + 3 ，产量达到每小时8 2 0 吨以上，磨盘直径6 3 m ， 六个磨辊，装机功率达6 7 0 0 k w 。德国的莱歇磨，具体结构特点是：轻载启动、 可翻辊检修、圆锥形磨辊、磨盘为平盘式儿”。目前世界上大的立磨生产厂家 及其产品主要有：德国l o e s c h e ( 莱歇) 公司、美国f u l l e r ( 富勒) 公司、日本u b e 公司生产的l m 磨；丹麦f l s ( 史密斯) 公司生产的a t o x 磨；美国r a y m o n d ( 雷 蒙) 公司、日本m i t s u b i s h i ( 三菱) 公司、德国k h d ( 洪堡) 公司生产的v r 磨；美 国a - c ( 阿斯一查尔墨) 公司、德国的p f e i f f e r ( 费弗尔) 公司生产的m p s 磨“。 随着设备的扩大以及生产的需要，近年来立磨技术又有了新进展，具体表 现在以下几个方面： ( 1 ) 设计理念的新变化 原先l m 立磨设计是对一定能力的磨机追求结构紧凑、规格最小、一次性 投资最少的效果。随着磨机的不断增大，相对的烘干能力与粉磨能力比值减小， 料床厚度过高又导致粉磨效率降低，为此出现了大磨盘小磨辊的新安排。为了 能和窑1 0 0 的同步运转，作出了6 辊磨中4 辊操作2 辊维修的新设计，相当于 8 0 的磨能满足1 0 0 窑的喂料，在相同的故障风险保障基础上相对投资降低。 ( 2 ) 原料适应性进一步扩大 有些物料多孔水分大，可达1 2 - - 2 5 。由于解决了内部热应力分布均匀 的问题，可以顺利地通入6 0 0 的高温气体，从而满足了烘干要求。为了处理高 磨蚀性物料，除了改进耐磨材质以外，辊型设计有所改变，使用辊径大、宽度 窄、辊套厚的磨辊，从而减少辊盘之间的相对速度差，降低磨损，增加可磨量。 ( 3 ) 物料全部外循环 为了降低立磨的通风阻力，由全风扫操作变成了部分外循环，近年来又开 发出了物料全部外循环系统。物料由提升机提升至外部选粉机分选，磨内不设 风环，因此磨机压降很小，根本上克服了立磨通风电耗大的弱点。 武汉理工大学硕士学位论文 1 。3 2国内立磨发展概况 在我国水泥行业中，利用立磨研磨水泥生料正处于快速发展阶段，国内已 有不少水泥厂采用立磨来研磨水泥生料。近年来，福建顺昌水泥厂进口了丹麦 史密斯公司( f l s m i d t h ) 制造的a t o x 3 5 磨( 磨盘轨迹直径为3 5 0 0 r a m ) 立式磨 辊机。此机的保证产量为1 6 0 t h ，产品细度高达0 。0 9 m m 孔筛筛余1 2 1 4 的水 平，电机功率为1 2 5 0 k w 。黑龙江省牡丹江特种水泥厂进口了德国非凡兄弟公司 的m p s l 4 0 a 立式辊磨机，用来研磨白水泥生料，此机的保证产量为1 8 t h ，产 品细度高达0 0 9 m m 孔筛筛余6 的水平，电机功率2 2 5 k w 。湖南省衡阳市建材工 业公司的白水泥厂亦从德国非凡兄弟公司进口了研磨白水泥生料用的m p s l 2 5 a 型和研磨白水泥熟料用的m p s l 6 0 c 型立式辊磨机。生料磨的产量保证为1 5 t h ， 产品细度达到0 0 9 m m 。筛筛余6 的水平；熟料磨的保证产量为1 0 t h ，产品的比 表面积为3 2 0 0 至3 9 0 0 m 2 k g 。磨辊衬板与磨盘衬板的磨耗率，研磨生料时为 2 5 9 t ，而研磨熟料时为6 9 t 。安徽省安庆市白水泥厂也从德国非凡兄弟公司 进口了一台m p s l1 2 型生料磨，该机的保证产量为7 t h ，产品细度达到0 0 9 r a m 孔筛筛余6 的水平。丹麦史密斯a t o x 立磨磨辊为圆柱辊，磨盘为平盘式，具 有轻载启动的特点”一“。 国内主要建材装备厂商通过与国外合作，在引进先进立磨技术的基础上， 开发设计了各种不同结构形式的立磨。目前，代表沈阳重型机器厂( 沈重) 整 体水平的立磨应是铜陵海螺二期5 0 0 0 t d 熟料国产化示范线的m l s 4 5 3 1 立磨“， 在以前的基础上，增加与改进成具有中心进料、轻载起动、缓冲部分、外循环 等特点，装机容量达3 6 0 0 k w ，台时产量在3 8 5 t h 。在此基础上，沈重还开发了 m l k 系列矿渣磨，应用于矿渣水泥生产。 河南洛阳中信重型机械公司在和丹麦史密斯公司合作的基础上开发了 l g m 5 0 2 4 型号水泥原料立磨，应用于吉林亚泰5 0 0 0 t d 水泥生产线，生产能力 达4 0 0t h ，允许入磨粒度5 0 6 0 m m _ 9 5 m m ， 6 0 0 k n m 2 ( 2 ) 功率 no=mfp死dmn60(2-4) 式中：m 一辊子个数； f 一单辊压力； 一钢与物料的摩擦系数，该值与磨盘、磨辊形状以及物料性能有关， 取= 0 1 ； d t 一磨盘回转轨迹直径，d t = 2 4 x0 7 8 = 1 8 7 2 m 。 n o = m f p z r d t n 6 0 = 3 x 6 0 x 1 0 9 8 x o 1 3 1 4 1 8 7 2 3 7 5 6 0 = 7 5 6 1 k 形 根据提供减速机型号，以及相应电机，电机功率选用：8 1 0 k 形。 立式辊磨机在粉磨物料时，即使在磨辊压力、磨床厚度( 适宜厚度) 已确 定的情况下，其可输入的轴功率随物料而异仍有些区别。不同的物料意味着在 标准操作条件下磨辊在磨床上的滚动摩擦系数不同。这一规律导致立式辊磨机 单位功耗与产量间不存在确定的换算关系。由于碾磨过程的复杂性，目前磨机 选型需要解决的两个问题：适宜产量下的磨机规格和所需配用的电机，仍需通 过半工业性质的模拟试验才能选型1 引。 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章主要介绍了立磨的工作原理、立磨结构组成以及主要立磨类型，简单 介绍了立磨粉磨系统。按照设计需求对立磨主要参数进行了参数设计，并以此 为依据对立磨关键部件磨盘、磨棍、加压装置等进行设计，确立相应转速、配 套电机功率。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章立磨关键部件有限元分析 3 1 有限元概述 有限元方法是求解各种复杂数学物理问题的重要方法，是处理各种复杂工 程问题的重要分析手段，也是进行科学研究的重要工具”。该方法的应用包括 三方面：计算原理、计算机软件和计算机硬件。它将求解域看成是由许多称为 有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解， 然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。 这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于 大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种 复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念 早在几个世纪前就已产生并得到了应用，但作为一种方法而被提出，则是最近 的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并 由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经 过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从 结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、 应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 3 2立磨关键部件模型简化 本文主要针对立磨关键部件进行有限元分析，首先就必须了解有限元计算 基本流程。运用数值计算的有限元方法来模拟加压装置、磨盘装置的实际工作 状况，就必须对工程模型进行必要的简化，使其满足有限元方法的要求，包括 工况简化和立磨结构简化 3 2 1立磨关键部件计算流程 本文中，立磨关键部件的有限元法计算的基本流程和步骤可归纳如下( 如 图3 - 1 ) ： 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 立磨关键部件模型建立 利用三维建模软件建立立磨关键部件摇臂、磨棍、辊芯、磨盘、衬板等实 体模型，并进行装配确立系统模型。 ( 2 ) 系统模型离散化 按照有限元计算方法，将系统模型导入到网格划分软件划分网格，离散为 各种单元组成的计算模型。部分连接单元通过接触单元建立接触关系，其他离 单元节点刚性连接连结。 ( 3 ) 系统单元特性分析 根据各部件材料属性、单元属性建立单元组件，赋予不同组件材料单元属 性。通过接触对识别接触情况。 ( 4 ) 有限元文件导入计算 将建立好的有限元文件导入到求解器，建立边界条件，设置计算控制设置， 进行有限元计算。 ( 5 ) 求解及后处理 通过有限元求解得到变形分布云图和应力分布云图，以确立立磨各关键部 件受力情况，验证设计模型是否合理。 i 立磨关键部模型建立 上 l 系统模型离散化 上 系统单元特性分析 上 有限元文件导入计算 上 求解及后处理 图3 - 1 立磨关键部件计算流程图 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2立磨工况简化 当立磨工作时，物料在磨棍和磨盘的碾压以及相互之间的摩擦作用下变成 粉磨。( 如图3 - 2 ) 被研磨成细小的物料在热风的作用下经选粉机、收尘器收集 变成成品，新进的物料和大颗粒继续研磨。本文中为了使研究方便，现作如下 简化： ( 1 ) 粉磨过程中磨盘静止不动，磨棍、磨盘和辊芯之间没有相对滚动； ( 2 ) 粉磨过程中料床稳定，磨棍不出现跳动； ( 3 ) 磨棍施加的滚压力分布均匀，且作用于很小的区域( 与料床有关) 。 3 2 3模型结构简化 图3 - 2 立磨工作示意图 立磨关键部件形状比较复杂，材料主要采用铸钢，为了不使问题过于复杂， 同时保证计算精度，合理的结构简化将有助于提高计算效率，本文做如下简化： ( 1 ) 所有铸件不允许出现缩孔、裂纹等铸造缺陷； ( 2 ) 轴承支撑部件有足够大的刚性，视轴承座为刚性支座； ( 3 ) 辊芯处和中心轴处轴承采用实体代替实际轴承； ( 4 ) 不考虑物料与衬板、磨棍以及物料之间的作用。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 立磨技术参数及边界条件确立 本文研究的立磨型号为倒c r m 2 4 0 0 立磨，主要技术参数： 磨盘中径： 咖1 8 7 2 m m 磨盘直径： 巾2 4 0 0 r a m 磨辊数量：3 个 磨盘转速：3 7 5 r m i n 主电机功率：8 1 0 k w 液压缸工作压力：1 6 m p a 3 3 1关键部件材料参数 立磨主要有滚芯、压块、动臂、摇臂，磨棍，摇臂轴、磨棍轴，轴承以及 胀套等组成，在分析这些关键零部件时必须弄清这些零件的材料属性参数，表 4 - 1 为主要零部件材料参数。 表3 - 1 主要零部件材料参数 零件材料弹性模量泊松比密度 e ( p a m m 之) 昝 p ( k g t o n i 一1 ) 辊芯，压块，动臂，铸钢2 0 1 e 50 37 8 5 e - 6 摇臂 磨辊高铬铸铁 2 4 e 5o 37 8 5 e - 6 摇臂轴，磨辊轴 4 0 g r2 1 l e 5 0 2 7 77 8 5 e - 缶 轴承轴承钢2 1 6 e 50 37 8 5 e - 6 胀套组建2 1 l e 50 2 8 87 8 5 e - 6 3 3 2立磨施力系统计算 立磨施力系统主要是摇臂施力装置，采用杠杆原理，液压缸在动臂尾部施 加拉力，磨辊压住磨盘上的衬板，考虑到衬板对磨辊的反力在摇臂轴产生的力 矩以平衡液压缸以及摇臂装置重力产生的力矩。此外由于物料、磨辊、磨盘的 相对运动，它们之间产生将摩擦力，由此而引起对磨盘阻力的力矩，这是由电 机传递给磨盘的扭矩来平衡的。 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 2 1 液压缸工作拉力计算 根据提供的相关参数计算液压缸的工作拉力。已知单个磨辊对衬板的压力 为6 0 t ，根据杠杆平衡原理公式( 3 - 1 ) ，计算液压缸工作拉力： 互厶= r 三2 ( 3 1 ) 式中：e ，e 分别为液压缸拉力和磨棍压力； 厶，三：分别为液压缸拉力和磨棍压力到转动中心的距离。 则 只：6 8 6 0 0 0 1 3 5 4 0 3 ：10 3 9 5 3 3 2 5 一一二 。 0 8 9 3 4 5 工作液压缸工作拉力只为1 0 3 9 5 3 3 2 5n 。 图3 - 3 立磨单辊施力系统 3 3 2 2 磨棍摩擦力计算 在衬板与磨棍的相对运动中产生摩擦力，与电机输出扭矩相平衡。电机功 率p - 7 1 0 k w ，转速缈= 3 7 5 r m i n ，加载平均半径r = 0 9 3 6 m ，则电机施加给磨 盘的扭矩可以按照公式( 3 2 ) 计算，单棍摩擦力可用公式( 3 - 3 ) 计算 t ：9 5 5 0 p ( 3 2 ) = 一 i 一y ， 万 式中：丁为扭矩； 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 p 为功率； 国为转速。 则磨盘扭矩为 丁：望些：竺三! q 兰幽：2 0 6 2 8 0 n 1 m ，= 一= 一= - 刃3 7 5 f = 一二( 3 3 ) m r 式中：厂为摩擦力； z 为扭矩；， m 为棍子个数； r 为磨盘加载平均半径。 则单个磨棍摩擦力 f ：j 二：2 0 6 2 8 0 ：7 3 4 6 1 5 3 4加压装置有限元分析 施压装置是立磨粉磨生料的压力提供者，将尾部液压缸的液压力通过杠杆 原理压紧衬板上的生料，磨盘与磨棍的相对运动粉碎物料。加压装置有限元分 析，主要针对动臂和摇臂进行分析，此外必须添加一些轴、轴承等零部件，以 达到完整模型的作用。 3 4 1加压装置模型建立 有限元分析是对物理现象的模拟，是对真实情况的的数值近似。通过对分 析对象划分网格，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。而进 行分析必须得到有限元模型。本文主要采用a n s y s 来进行立磨关键部件分析， a n s y s 为实体模型和有限元模型的生成提供了几种方法瞄引l 3 6 j 。 生成实体模型方法： ( 1 ) 在a n s y s 软件中创建实体模型 ( 2 ) 输入其他c a d 系统中创建的模型 生成有限元模型方法： 武汉理工大学硕士学檀论文 ( 1 ) 对己生成的实体模型，通过划分网格生成有限元模型： ( 2 ) 直接生成有限元模型： ( 3 ) 在其他软件中创建有限元模型，再将节点、单元数据读入到a n s y s 中 尽管又不同的建模方法。但从根本上只有两种方法来建立模型。即实体建 模和直接生成，它们之b j 各有优缺点，它们之间的使用要具体情况来定。一般 来说，复杂的模型一般选择实体建模技术，简单的模型可以考虑直接生成方法。 本文所研究的加压装箕部件由于几何复杂，在工程实际中采用铸造方法。 对于有限元分析，在a n s y s 中无法创建如此复杂模型，更无法直接创建有限元 模型。根据磨盘、摇臂、辊芯等部件特点，本文采用在c a d 系统p r o e n g i n e e r 中建立几何模型，然后在专用网格划分工具h y p c r m c s h 中划分好网格，最后读 入到a n s y s 生成有限元文件 根据前面设计的立磨加压装置结构，建立主要p r o e 零件几何模型，传动 装置由辊芯、压块、磨辊轴、轴承、胀套、摇臂轴、衬板、辊套、动臂和摇臂 等零件组成，如图3 4 所示。对实际结构模型进行简化，轴承和胀套均用用实体 代替去掉连接螺栓孔及部分小圆角。 342 网格划分 心， 对于有限元分析，网格划分是其中关键的一个步骤，网格划分的好坏直接 影响到解算的精度和速度，使用高质量的网格一直是很多c a e 工程师所追求的 武汉理1 = 大学硕士学位论文 目标。网格划分可以说是有限元分析工作中最简单的工作，繁琐而且技术性不 高，但同时是有限元分析的基础。 h y p e r m e s h 是杰出的有限元分析前、后处理平台，拥有全面的c a d 和c a e 求解器接口、强大的几何清理和网格划分功能，能够高效地建立各种复杂模型 的有限元和有限元分析模型，其实体几何和实体网格划分功能已成为六面体和 四面体网格划分功能的新标准。同时支持直接输入c a d 几何模型和已有的有限 元模型，减少重复性的工作。h y p e r m e s h 的自动网格划分模块提供用户一个智能 的网格生成工具，同时可以交互调整每一个曲面或边界的网格参数，包括单元 密度，单元长度变化趋势，网格划分算法等等“”。 将p r o e 建好的加压装置装配图导入到网格划分软件h y p e r m e s h ，考虑到 有限元分析对几何模型的要求与c a d 模型的不同。c a d 模型需要精确的几何表 述，通常会包含某些细微特征。而在有限元分析时，如果要准确模拟这些细小 特征，需要用到很多细小单元，导致求解时间延长。有限元分析只需要简化的 几何模型，因此需要对一些细小信息进行简化，以便于网格划分和分析。此外， 模型的一些几何信息在导入时可能会出错，如导入曲面时可能会存在缝隙、重 叠、边界错位等缺陷，导致单元质量不高，求解精度低。因此，在导入c a d 模 型后，有必要对几何模型进行几何清理工作，消除错位和小孔，压缩相邻曲面 之间的边界，改正模型在导入时出现的错误，清楚不必要的几何细节，改善拓 扑关系。 如果所分析的结构比较简单，可以很方便的全部划分为六面体单元，或者 绝大部分是六面体，只含有少量四面体和棱柱体。此时，应该选用第一类单元， 也就是选用六面体单元。如果所分析的结构比较复杂，难以划分出六面体，应 该选用第二类单元，也就是带中间节点的四面体单元。加压装置的零部件都比 较复杂，特别是摇臂和动臂有多种不规则形状组成，划分六面体网格比较难， 耗费大量时间，即使划分出来的六面体网格质量也比较差，影响求解精度，故 加压装置采用四面体网格“。 武汉理工人学硕士学位论文 图35h y p e r m e s h 模型 划分好网格后( 如图3 5 ) ，必须对模型进行组织管理。h y p e r m e s h 模型通 过c o l l e c t o r s 来实现组织管理的。h y p e r m e s h 中大部分操作对象都必须放置在某 个c o l l e c t o r s 中，它的作用足储存和管理有限元模型中的各类数据，如几何、单 元、单元属性、单元材料、载荷、坐标系矢量等。 343 建立接触对 接触问题大量存在于机械工程、土木工程等领域中，是一种高度非线性问 题。多数的接触问题中接触区域是未知的，表面与表面会突然接触或突然不 接触，这会导致系统剐度的突然变化；另外接触问题往往涉及摩擦响应的求解， 都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难”“。有限元接触分析计算的结果 能较好地符合实际工程情况，逐渐受到人们的关注。而a n s y s 软件的接触分析 就是基于这种方法，并得到了广泛的应用。本空中加压装置年身就是依靠杠杆 原理来达到磨碎生料，为了保证液压缸施加的力全部传递到衬板上去，在轴承 处和中心轴、辊套与衬板之间需用接触单元来数值模拟。 a n s y s 通过建立在接触面上的接触单元与接触物体连接、组装、建立接触系 统整体平衡方程。在创建接触问题的模型时，首先认清模型中可能相互接触的 部分，如果接触相互作用的其中之一是一点，模型的对应组元是节点；如果相 武汉理i ：大学硕士学位论文 互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元。有限元模型通过指定的 接触单元识别可能的接触对。a n s y s 支持点一点接触，点面接触和面一面接触 3 种接触方式。面一面接触单元有许多优点，a n s y s 支持刚体柔体和柔体一柔 体的面一面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分别用t a r g e l 6 9 和t a r g e l 7 0 来模拟2 d 和3 d 的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，分别选用 c o n t a c t l 7 1 c o n t a c t l 7 2 和c o n t a c t l 7 3 ，c o n t a c t l 7 4 来模拟2 d 和3 d 的“接触” 面。面一面接触单元很适合于过盈装配安装接触或嵌入接触，锻造，深拉问题。 本文所研究的立磨的村扳与磨棍之间的接触即为柔体一柔体的面一面接触4 “。 赋予材料属性和单元属性( 如图36 ) ，对切割好实体划分网格，整个系统 模型共有4 0 8 8 9 1 个s o l i d 4 5 单元和9 0 4 8 8 个节点组成，并检查网格质量，以达 到a n s y s 软件质量要求。摇臂轴与固定