考虑土-结构相互作用的磨机-基础有限元动力分析

第 41 卷 2013 年第 2 期

本栏目编辑　翟小华

破 磨

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和轴颈的间隙中形成具有一定压力的油膜，以达到隔离相对运动表面和平衡外载荷的目的。轴颈始终处于全液体摩擦状态，其润滑油膜的建立与轴颈是否旋转无关。由于其具有承载能力大、可靠性高、摩擦阻力小、使用寿命长、维护方便及工作性能可靠等优点，完全能够满足大型半自磨机的要求，因此大型半自磨机的轴承主要采用液体静压轴承[5]。

由于半自磨机是通过两端的中空轴轴颈支撑在静压滑动轴承的油膜上的，所以需要对油膜进行相应的有限元模拟和简化。笔者用 Nastran 软件中的 1D Bush 单元来模拟轴瓦的油膜，使其均匀分布在轴瓦和中空轴轴颈之间。对于油膜的刚度值，则通过流体计算仿真结果和经验得到，总刚度取为 1×1010 N /m。

磨机两端的主轴承分别为固定端主轴承 (靠近大齿轮一端) 和自由端主轴承。在工程实际中，由于固定端主轴承和止推块限制了半自磨机的轴向运动，所以在有限元分析时，还应限制固定端主轴承的轴向运动。

轴承座和地基基础之间的连接按照接触黏合计算。

1.3　地基土的有限元模型

土动力学是研究土在动荷载作用下的动力响应学科，而土的动力本构模型则是土在周期性荷载作用下土的动应力 - 应变关系。它具有循环效应，如空气压缩机基础振动对地基土的影响。

土动力本构模型主要包括三种[2]：弹性模型、黏性模型、黏 - 弹性模型。弹性模型近似为一弹簧，其动应力 - 应变关系服从胡克定律；黏性模型近似为黏滞壶，壶中的液体服从黏滞性定理；黏 - 弹性模型是由弹性模型和黏性模型合并并联而成的。

在有限元软件 Nastran 中，弹性模型采用弹簧单元 Grounded Spring 来实现；黏性模型采用阻尼单元 Grounded Damper 来实现；黏 - 弹性模型采用弹簧阻尼单元 Grounded Bush 来实现。笔者采用弹簧阻尼单元 Grounded Bush 来模拟地基土，如图 1 所示。其具体参数则是通过土的块体试验或土壤参数来获得的，所用到的土体刚度由试验得到。

1.4　半自磨机-基础的有限元模型

根据前面所述的简化过程，首先在 Pro /E 中建

立基础、半自磨机和轴承的三维几何模型，然后将其保存为 Parasolid 格式或 STEP，而后导入有限元软件 Patran 中进行有限元网格划分。基础和轴承均为实体单元，单元类型为四面体单元 Tet4；半自磨机为壳单元，单元类型为四边形单元 Quad4。

表 1 给出了半自磨机各主要部件的质量，表 2 给出了半自磨机 - 基础有限元模型单元数，图 2 给出了半自磨机 - 基础的有限元整体模型。

2　磨机 -

基础的有限元模态分析

2.1　模态分析

MD Nastran 中提取特征值的方法主要有三类[6]：跟踪法 (Tracking Method)、变换法 (Transformation Method) 和 Lanczos 方法。其中 Lanczos 方法是跟踪法和变换法的结合，克服了各种限制，并结合了其他方

法的优点。所以，笔者采用 Lanczos 方法来求解半自磨机 - 基础的固有频率和模态振型。

部件

　　大齿轮　　筒体

　　回转部分 (含物料)　　小齿轮轴组　　慢速驱动装置　　同步电动机

表 1　半自磨机各主要部件质量

Tab. 1 Mass of main parts of SAG mill t

质量78.75441 6662×16.221.42×66.3

图 2　半自磨机 - 基础有限元整体模型

Fig. 2 Finite element model of SAG mill-foundation system

图 1　土的黏 - 弹性模型

Fig. 1 Viscous-elastic model of soil

部件名称端盖大齿轮筒体中空轴

单元数2 700 3601 4403 960

部件名称轴承地基基础总计

单元数 25 820168 378202 658

表 2　半自磨机-基础有限元模型单元数Tab. 2 Elements of SAG mill-foundation nite

element model

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