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先进制造技术在辊磨机中的应用摘要：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它建筑化工陶瓷等工业原料。辊磨机产生了良好的综合经济效益和社会效益，近年来在水泥行业中得到了迅速的推广。本文主要介绍CAD技术在辊磨机中的应用，同时运用有限元分析对其关键部位受力分析和结构优化。关键词：辊磨机、CAD技术、有限元分析1、引言辊磨机是一种用途广泛的粉磨兼烘干设备，它与传统球磨机相比具有能耗低、粉磨效率高、占地面积小、质量轻、烘干能力强、易损件寿命长、入磨粒度大等特点。辊磨机是基于料床粉碎理论发展起来的，并且成为当今粉磨工业中粉磨系统的首选设备，可广泛用于粉磨水泥或水泥熟料及其它建筑化工陶瓷等工业原料。本课程论文是源于陈老师与中材建设有限公司合作的研究项目—“辊磨机联合开发”。在这里，我们主要是根据辊磨机技术和参数要求进行三维建模，以求发现辊磨机在设计中的一些缺陷以及零部件之间的一些干涉；同时应用有限元方法对辊磨机关键部件进行受力分析，利用所得到的强度分析结构来进行优化设计。2、辊磨机的工作原理辊磨机由机壳与机座、磨棍与磨盘、加压装置、分级装置、传动装置和润滑系统六大部分组成。（如图2-1）。机壳用来形成一个密闭的空间，使细小的成品和非成品不泄露出去，还有保压作用。机座是承受支撑整个立磨的重量的。磨棍和磨盘以及加压装置是立磨的核心部分，正是它们的作用将物料粉磨成成品。分级装置是用来将合格的成品从混合物中分离出来。传动装置将电机输出的有用功传递给磨盘，带动磨盘转动，调整磨盘的转速。润滑系统保证整个系统处于正常工作状态。工作原理是：电动机驱动减速机带动磨盘转动，需粉磨的物料有锁风喂料设备送入旋转的磨盘中心，在离心力作用下，物料向磨盘施加压力，在磨辊压力的作用下，物料受到挤压、研磨和剪切作用而被粉碎。1—机壳；2—分级装置；3—磨棍；4—传动装置；5—磨盘；6—加压装置；7—液压油缸图2-1辊磨机结构图3、CAD技术在这个项目中，根据要求以及现实条件，我们采用Pro/E进行三维建模与仿真。Pro/E具有参数化、基于特征以及单一数据库等特点，使得设计过程具有完全相关性，既保证了设计质量，也提高了设计效率；而且Pro/E具有强大的集成开发功能，其参数代表三维实体的外形相关尺寸，并且具有实际的物理意义，如将密度、质量中心、体积等物理量添加到设计构思之中，不但改变了设计理念，还提高了设计的便利性。Pro/E参数化造型使用约束来定义和修改集合模型，设计人员在更新或修改产品模型时，无需关心几何元素之间能否保持原有的约束条件，从而可以根据产品需要动态地、创造地进行新产品设计。Pro/E不仅用于三维实体的几何造型设计，还用于建立产品三维模型，确定关键数据，对其运动状态进行仿真，及早发现设计中存在的缺陷，从而优化设计，提高产品的可用性和可靠性。本项目中采用Pro/E三维建模技术，我们发现了辊磨机设计中的一些问题，发现了一些机构间存在干涉，并进行了相关修正，收到了方便快捷的效果；同时缩短了设计周期，及早的发现了前期设计过程中的问题，避免了实际生产时的损失。4、有限元优化设计辊磨机关键部件的有限元计算的基本流程与步骤可归纳如下：(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，其他离散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，以确立辊磨机各关键部件受力情况，验证设计模型是否合理。由于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。由于辊磨机比较复杂，而本文的重点是要介绍有限元优化设计在辊磨机中的应用，所以我们这里仅对加压装置进行分析。我们这里研究的加压装置部件由于几何造型复杂，在工程实际中采用铸造方法。对于有限元分析，在ANSYS中无法创建如此复杂模型，更无法直接创建有限元模型。这里我们采用CAD系统Pro/E中建立几何模型，然后在专用网格划分工具Hypermesh中划分好网格，最后读入到ANSYS生成有限元文件。图4-1辊磨机加压装置几何模型最后的加载图（如图4-2）。有限元计算完毕，通过ANSYS后处理功能对关键部件动臂和摇臂进行后处理（在这里我们仅介绍对动臂的处理过程），查看它们的变形状况后应力分布状况，验证设计的合理性。图4-2加压装置加载图4-3动臂等效应力云图动臂最大位移为1.591mm，主要发生在动臂的液压缸施力处，主要原因是在于动臂与轴承发生轻微的转动，下端处转动半径最大，此外此处受力较大，变形也较大。从等效应力云图(图4-3)上可以看出，动臂最大等效应力为74.223MPa，主要发生在动臂与液压缸连接处，液压缸施加的力直接作用在此处，受力较大，小于铸钢的许用应力，工作安全。同时我们通过分析发现，两侧壁的应力大都在20MPa以内，可以将侧壁间减薄，让应力更均匀些，即充分利用材料，同时又减轻机构重量。圆角处和形状尺寸突变较大处应力相对较大些，可以采用增大圆角，减小应力集中系数。5、结论通过用Pro/E三维建模技术，我们发现了设计中可能存在的缺陷，我们发现磨棍和磨盘之间可能会发生干涉，应该调整它们的尺寸和之间的相对位置。通过对模型的建立、载荷和约束的施加以及后处理等分析过程，得到传动装置部件应力的大小和分布情况。对传动装置安全性进行鉴定，达到对传动装置的结构进行评定的目的，为设计辊磨机传动装置提供了科学的依据。有限元发展到今天，已逐渐作为一种新手段而日益受到重视并得以广泛地应用和发展，加上硬件的突飞猛进，使得模拟计算效率更高，处理规模问题更为得心应手。（1）有限元分析能够提供对所设计的工程系统从加工制造到运行，直至失效和破坏的全寿命过程的更深入认识，从而能更好地识别它的属性和特征。（2）有限元分析能够鉴定和评估设计对象的性能和质量，并允许以最低的费用在设计过程中就设计对象进行修改和优化。（3）有限元分析能够显著地缩短工程对象设计和投产周期，降低生产成本，提高市场竞争力。参考文献[1]周四新，等.Pro/ENGINEERWildfire3.0基础设计.电子工业出版社，2007.02.12.[2]詹友刚主编.Pro/ENGINEER野火版3.0机械设计教程.北京：机械工业出版社，2007.3.[3]薛风先，等.ANSYS12.0机械与结构有限元分析从入门到精通.北京：机械工业出版社，2010.3.[4]申占民，等.生料辊式摇臂的有限元分析[J].水泥技术，2004（5）.[5]陈作炳，等.基于APDL的堆取料机料梁的结构优化[J].机械设计与制造，2005（5）.[6]江旭，等.立式辊磨机的粉磨机机理与实验研究[J].武汉化工学院学报，2006，（1）