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第 41 卷 2013 年第 2 期
本
栏
目
编
辑
翟
小
华
破
磨
71半 自磨机是矿业工程中应用广泛的初级粉磨设
备，近年来由于消费能源费用的增长，矿石品
位下降，以及降低建设投资和生产费用的需要，半自
磨机的大型化已成为其发展的一个重要方向。
磨机的大型化提高了磨矿的产量，但同时也带
来了一些技术问题，其中比较主要的问题就是由于磨
矿量的增加，使得磨机在运行过程中的扰力也变得复
杂起来，这就对支撑其运行的基础设计提出了更高的
要求。传统的动力机器基础设计主要是按照《动力机
器基础设计规范》[1] 进行静力计算，取研磨体总重的
15% 作为水平当量荷载来设计磨机基础，这个值是根
据以往的工程经验得出的，是一个相当粗糙的取值。
这样设计出的基础在大型磨机的运行过程中，有可能
产生较大的振动，无法满足目前大型磨机对基础设计
的要求。
从 20 世纪 30 年代起，人们对土动力学及机器
基础进行了一系列的试验和理论研究，如德国土力
学学会 (DGEGBO) 和苏联地基基础研究所 (BиOC)
等。到 40 年代初，随着科学技术的发展，机器基
础的动力分析和计算方法也有了很大的发展，出
现了以 E.Reissner 为代表的弹性半空间模式和以
Я.Я.ьаркан为代表的质量-弹簧计算模式[2]。70 年
代后，随着科学技术的发展，特别是计算机及其相关
软件在岩土工程中的应用日益广泛，人们开始使用有
限元等数值计算方法对机器基础进行动力分析。
由于目前研究基础振动大多只关注了地基土的特
性对基础的影响，忽视了机器和基础的共同作用，与
实际情况不相符合，其结果往往导致设计不是偏于不
安全就是偏于浪费。因此，笔者决定在考虑地基土的
情况下，对动力机器和基础进行联合建模分析。
首先利用三维软件 Pro/E 建立半自磨机、基础及
轴承的几何模型，然后在 Patran 中建立混凝土基础及
半自磨机的有限元模型，最后采用 Nastran 有限元分
析软件对所建立的有限元模型进行模态分析及瞬态响
应分析。有限元计算模态分析的目的是求出半自磨机
与地基基础系统的固有频率及振型，比较固有频率和
各激励频率是否接近，并以此来判断半自磨机与地基
基础系统是否会发生共振；由模态振型可以看出半自
foundation, mill and foundation of a mining company served as the study object. Firstly, nite element model of
the mill-foundation system was established, meanwhile, in order to consider the in uence of soil to the structure,
nite element model of the soil was established also. And then, modal analysis and transient analysis on the mill-
foundation system was conducted respectively. The analysis results showed that the great vibration of foundation
may be caused by resonance, and insuf cient stiffness of foundation supporting main bearing was also a major
reason. The study provided a further understanding of the causes and mechanism of the vibration of SAG mill
foundation, and offered useful references for design of foundation and reduction of foundation vibration.
Keywords：SAG mill; foundation; vibration; nite element
磨机及基础的振动特点，如果振动响应过大，还可以
根据模态振型提出相应的修改方法；瞬态响应分析的
目的是求出半自磨机与地基基础系统在磨机正常工作
载荷作用下的位移和速度响应，并根据 GB/T 6075.3
《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动》[3]来
判断振动水平是否满足动力学要求。
1 磨机-基础的有限元模型
1.1 半磨机及基础的有限元模型
以中信重工机械股份有限公司设计制造的 φ11
m×5.4 m 半自磨机为研究对象，其基础部分由长春黄
金设计院设计。半自磨机-基础系统较为复杂，由半
自磨机、液体静压轴承、双驱同步电动机、双驱小齿
轮轴组、慢驱装置和钢筋混凝土基础等共同组成。其
中半自磨机主要由进/出料端中空轴、锥形端盖、筒
体和大齿轮通过螺栓联接组成。由于体积较大，筒体
和端盖是由大小均匀的几个部分通过螺栓联接组成。
虽然半自磨机几何模型规则，且有对称性，但是筒体
内还有衬板、提升条，整体来说也是一个复杂的物理
模型。所以在有限元建模时，要适当地采取一些简化
措施，才能保证有限元计算工作的顺利进行。简化的
原则是在保留物理模型主要特征的前提下，尽量减小
计算量。简化主要包括以下几个方面[4]：
(1) 对于半自磨机筒体、端盖、中空轴和大齿
轮，均将其简化为壳单元，赋予其实际的厚度；
(2) 去掉了螺纹孔、倒角等不影响计算结果的因
素，同时对于筒体中的衬板、中空轴内部的衬套等，
都不建立实际模型，而是将其质量按等效密度加载到
筒体及中空轴上，以达到重力补偿的目的；
(3) 对于驱动半自磨机的传动系统，如双驱同步
电动机、慢速驱动装置和双驱小齿轮轴组，将其简化
为集中质量单元，建在其相对应的质心位置，并通过
刚性约束单元 RBE3 与基础连接；
(4) 对于混凝土基础采用原尺寸建模，不做简化
处理。
1.2 轴承的有限元模型
液体静压轴承是依靠外部提供的高压油在轴承
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