Estudio sobre análisis de vibración de choque y refuerzo de cimentación de molino de bolas grande - Grupo Co., Ltd de los laboratorios de minería de Foshan

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 193 (2023) Citar este artículo

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La vibración de la base del molino de bolas afectará seriamente la estabilidad operativa del molino de bolas. De acuerdo con la relación de conexión entre el molino de bolas y la cimentación, se establece el modelo de choque transitorio molino-cimentación. Se estudiaron los efectos de la fuerza de choque, la pendiente del concreto y el ángulo de choque en la respuesta transitoria de la cimentación. Y en base al problema de los cimientos del molino, se propuso el esquema de refuerzo de los cimientos. Se extraen las siguientes conclusiones: con el aumento de la fuerza de choque y el ángulo de choque, aumenta el desplazamiento de las juntas de cimentación y también aumenta la tensión máxima; el grado del concreto tiene poco efecto sobre la estabilidad de la cimentación; después de que se utiliza el esquema de refuerzo de la base, la vibración causada por el impacto del molino de bolas se reduce de manera efectiva y se aumenta la estabilidad de la base. Finalmente, la corrección del modelo y el esquema se verifica a través de la comparación con los datos de prueba. Los resultados del cálculo proporcionan una referencia para la mejora de la base del molino de bolas.

El molino de bolas es el equipo clave para moler los minerales después de triturar el mineral. Con el desarrollo continuo del nivel industrial, el desarrollo de molinos de bolas también avanza hacia la tendencia de gran escala1,2,3,4. Debido a la gran fuerza de choque generada durante la operación del molino de bolas grande, la base del molino de bolas vibrará5,6. La vibración provocará un engrane desigual de los engranajes grandes y pequeños, lo que generará una fuerza adicional que afectará gravemente el funcionamiento normal del molino de bolas en su conjunto. Por lo tanto, es muy importante analizar el impacto y la vibración de la base del molino de bolas7.

Muchos académicos han realizado una investigación profunda sobre la fundación. En la década de 1860, Manoharan8 dio una solución viscoelástica-plástica de elementos finitos al problema general de la capacidad de carga de las cimentaciones de superficie circular y de franjas. Nulu et al.9 utilizaron el software ANSYS para estudiar la respuesta en tierra de las condiciones de arranque y apagado del equipo (fase de transición). Li Xin et al.10 utilizaron ABAQUS para simular la respuesta dinámica de la subrasante en un área kárstica bajo la acción de la carga dinámica del tren. A través de la investigación experimental, Guangya Ding et al.11 analizaron el desempeño del refuerzo de la bolsa de suelo para el lecho de la carretera desde tres aspectos: aceleración de la vibración, presión de la tierra y deformación vertical. Shujun Yan et al.12 establecieron un modelo de elementos finitos de la respuesta dinámica de la estructura de la subrasante bajo la acción de las cargas del tren, y analizaron la vibración y la tensión dinámica del terraplén alto y la subrasante ferroviaria de servicio pesado. Li Shaoyi et al.13 utilizaron el método de elementos finitos de 2,5 dimensiones para estudiar el efecto de la alta velocidad del tren en la vibración de la calzada saturada. Qian Jiangu et al.14 realizaron un estudio teórico sobre la respuesta dinámica de la cimentación saturada bajo cargas móviles de alta velocidad. Jiang Hongguang et al.15 establecieron un modelo de análisis de elementos finitos considerando el asentamiento desigual de la subrasante y estudiaron el efecto del asentamiento desigual en la propagación de la vibración de la cimentación bajo la condición de aumentar la velocidad del tren. Kang Yanwu16 estableció el modelo de elementos finitos del sistema de base de molino y llevó a cabo un análisis modal y un análisis transitorio respectivamente.

Para el impacto transitorio del molino de bolas se tomó como objeto de investigación la cimentación del molino de bolas de CITIC Heavy Industry, y se estableció un modelo de elementos finitos de la cimentación del molino de bolas basado en el software ABAQUS. Se estudian los efectos de diferentes fuerzas de choque, grados de concreto y ángulos de choque en las características de vibración de la cimentación. Luego, con base en los problemas existentes de la cimentación del molino, se propone un esquema de refuerzo y los resultados de la simulación y el esquema de refuerzo de la cimentación se verifican con los datos experimentales.

El modo del sistema es una característica inherente, y los modos en diferentes condiciones corresponden a frecuencias y formas de modo específicas. A través del análisis modal del sistema, se puede predecir la interacción entre la estructura del sistema y otros sistemas, de modo que se puede suprimir la generación de resonancia cambiando el diseño de la estructura16.

Para el cálculo modal de un sistema, primero es necesario dividir todo el sistema en s subsistemas, y la matriz modal \(\left[ {{\varvec{\Phi}}} \right]\) de cada subsistema es:

En la fórmula, \(\left[ {{{\varvec{\Phi}}}^{{\mathbf{F}}} } \right]\) son los modos naturales de la interfaz completamente fija en el sistema, que es, la matriz modal principal; \(\left[ {{{\varvec{\Phi}}}^{{\mathbf{B}}} } \right]\) es la matriz modal de restricciones compuesta por la distribución de desplazamiento estático generada al liberar cada grado límite de libertad (DOF) a su vez para obtener la unidad de desplazamiento.

Cuando se calculan los modos restringidos, una serie de ecuaciones de movimiento del subsistema con desplazamiento forzado unitario en el límite DOF son:

donde \({\text{u}}_{{\text{i}}}\) es la coordenada interna, \({\text{u}}_{{\text{j}}}\) es la coordenada de interfaz, \({\text{k}}\) es la rigidez del sistema y F es la fuerza externa.

El DOF límite genera a su vez desplazamientos unitarios, es decir, \({\text{u}}_{{\text{j}}}\) es la matriz unitaria. Expanda la fórmula (2) desde la primera fila para obtener:

donde E es la matriz identidad, que se puede simplificar para obtener:

La matriz modal de restricciones \(\left[ {{{\varvec{\Phi}}}^{{\mathbf{B}}} } \right]\) se puede obtener como:

Se puede ver en la fórmula (5) que el número de columna de \(\left[ {{{\varvec{\Phi}}}^{{\mathbf{B}}} } \right]\) es el número de límite de matriz DOF.

La ecuación de movimiento transformada es:

La matriz modal \(\left[ {{\varvec{\Phi}}} \right]\) se utiliza para realizar la primera transformación de coordenadas del momento de masa del subsistema \(\left[ {{\overline{\text{m }}}} \right]\) y matriz de rigidez \(\left[ {{\overline{\text{k}}}} \right]\) para obtener:

Entonces la interconexión entre subsistemas se puede realizar a través de la segunda coordenada. Cuando existe una superficie límite común entre el subsistema r y el subsistema q, los vectores de desplazamiento son:

El subíndice B denota el desplazamiento generalizado modal restringido en la superficie límite común. Dado que el desplazamiento en el punto de intersección de la superficie límite debe ser igual, el desplazamiento generalizado del modo de restricción correspondiente al desplazamiento es igual:

Sustituya la ecuación. (12) en la ecuación. (8), es decir, use \(\left[ {{\text{p}}^{{\text{c}}} } \right]\) para realizar la segunda transformación de coordenadas en lugar del sistema original \( \left[ {\text{p}} \right]\), y luego multiplicar por la izquierda \(\left[ \beta \right]^{{\text{T}}}\) para obtener:

Finalmente, se obtiene la ecuación de valores propios generalizada:

Al resolver la Ec. (14), se pueden obtener las características modales restringidas del sistema.

El método de elementos finitos se puede utilizar para analizar la dinámica modal y modal de estructuras complejas con alta precisión de cálculo. Por lo tanto, el software de elementos finitos se utiliza para completar el análisis modal de la base del molino de bolas. Tomando como objeto de investigación la base del molino de bolas de φ7.32 × 12.5 m, la longitud de la base es de 33 m, el ancho es de 16 m y la altura es de 6 m. Los modelos como cimientos, cilindros, asientos de cojinetes se establecen en el software SolidWorks y luego se importan al software ABAQUS. El material de cada componente se establece en la unidad de propiedad, y los parámetros del material se muestran en la Tabla 1. Para adaptarse a la situación real, el cuerpo del cilindro, la base y el casquillo del cojinete se establecen como cuerpos elásticos, y la base del suelo se establece como cuerpo viscoelástico.

Tanto el análisis modal como la dinámica modal son cálculos de perturbaciones lineales. El cálculo de la dinámica modal se basa en el análisis modal para obtener la respuesta dinámica del sistema bajo la acción de la carga variable en el tiempo. En el elemento de paso, primero se establece el paso de análisis modal y se utiliza el solucionador de Lanczos para resolver el problema. El número de valores propios se selecciona por el método numérico y se ingresa 50, es decir, se extraen los primeros 50 modos de vibración. Luego, se establece un paso de análisis de dinámica modal sobre la base del paso de análisis modal.

Para simular las condiciones de trabajo reales, se agregan restricciones vinculantes entre el cilindro y la almohadilla del cojinete, la almohadilla del cojinete y el asiento del cojinete, y el asiento del cojinete y la base de hormigón. El motor y la superficie de colocación del asiento del cojinete se acoplan respectivamente en un punto y se aplica una fuerza al punto de acoplamiento. El modelo se aplica con una gravedad de 9,8 m/s2, y se aplica una fuerza de choque a la pieza de obturación del material dentro del cilindro. El tiempo de acción de la fuerza de choque se establece en 0,01 s, y el valor del ángulo de choque depende del impacto real de la pieza ciega en el cilindro. El ángulo de choque se define como el ángulo entre la dirección de la fuerza de choque y la dirección vertical, que se representa por α. La Figura 1 es un diagrama esquemático del ángulo de choque.

Diagrama esquemático del ángulo de choque.

Restrinja los 6 grados de libertad de la base del suelo en las condiciones de contorno. Debido al gran tamaño del modelo y la estructura compleja, teniendo en cuenta la precisión y la eficiencia del cálculo, el tipo de elemento de cada componente del rodamiento adopta el elemento tetraédrico y el tipo de elemento tetraédrico se asigna como C3D10. El modelo de elementos finitos se muestra en la Fig. 2.

Modelo de elementos finitos de la base del molino de bolas.

Cuando el ángulo de choque es de 30°, el grado del concreto es C35 y la fuerza de choque es de 12 500 kN, se obtiene la respuesta de vibración de choque de la base del molino de bolas. Las primeras frecuencias naturales de orden 50 del molino de bolas y las curvas de desplazamiento de los nodos fundamentales en la posición de descarga del cilindro se muestran en las Figs. 3 y 4. Se puede ver en las figuras que la frecuencia natural del sistema de molino de bolas aumenta con el aumento de la orden, y el rango de frecuencia de las primeras 50 órdenes es de 19 a 110 Hz. El desplazamiento total del nodo de cimentación en el extremo de descarga se atenúa periódicamente, el desplazamiento máximo es de 0,107 mm y el desplazamiento es mayor en la dirección Y.

La curva de frecuencia natural del molino de bolas.

Curva de desplazamiento del nudo de cimentación en la posición de descarga.

Cuando el ángulo de choque del material del molino de bolas es de 30°, el grado de concreto es C35, la fuerza de choque se establece en 10 500 kN, 11 500 kN, 12 500 kN, 13 500 kN y 14 500 kN respectivamente. Se presentó el modelo de cálculo, y la curva de desplazamiento se obtuvo el diagrama de esfuerzos máximos del nodo de cimentación en la posición de descarga, y como se muestra en las Figs. 5 y 6.

Curva de desplazamiento del nodo de cimentación bajo diferentes fuerzas de choque.

La tensión máxima del nodo de cimentación bajo diferentes fuerzas de choque.

Se puede ver en la Fig. 5 que la regla de cambio del desplazamiento del nodo fundamental en la posición de descarga es la misma bajo diferentes fuerzas de choque, y el desplazamiento del nodo decae periódicamente con el tiempo, y el período es de aproximadamente 0,8 s. Esto se debe a que en el momento en que se aplica la fuerza de choque, la cimentación se somete a la mayor fuerza, lo que da como resultado el valor de desplazamiento máximo del nodo de la cimentación en la posición de descarga. Después de que desaparece la fuerza de choque, el desplazamiento del nodo se atenúa gradualmente bajo la acción del sistema de amortiguamiento.

Además, los datos del análisis muestran que con el aumento de la fuerza de choque, aumenta la amplitud de desplazamiento del nodo fundacional en la posición de descarga. La razón de esto es que aumenta la fuerza de choque, aumenta la deformación de la base del suelo y el concreto y, finalmente, aumenta la amplitud de desplazamiento del nodo de base.

Cuando el ángulo de choque del material del molino de bolas es de 30°, la fuerza de choque es de 12500 kN y los grados de concreto se establecen en C15, C25, C35, C45 y C55, respectivamente, las respuestas dinámicas de la base del molino de bolas bajo diferentes grados de concreto son obtenidas. La Tabla 2 muestra los parámetros de diferentes grados de concreto, y la Tabla 3 muestra las frecuencias naturales del primer orden de diez del sistema de molino de bolas bajo diferentes grados de concreto. Se puede ver en la Tabla 3 que con el aumento de las leyes del concreto, la frecuencia natural del sistema de molino de bolas aumenta gradualmente.

La Figura 7 es el diagrama de la curva de desplazamiento del nodo de cimentación en la posición de descarga bajo diferentes grados de hormigón, la Fig. 8 es el diagrama de tensión máxima de los nodos de cimentación en la posición de descarga bajo diferentes grados de hormigón. En las figuras se puede ver que cuando la ley del concreto cambia de C15 a C55, el desplazamiento del nodo de cimentación en el extremo de descarga no cambia significativamente y la tensión máxima disminuye ligeramente, lo que indica que la ley del concreto no tiene una influencia significativa. de las características vibratorias de la cimentación.

Curva de desplazamiento del nodo de cimentación bajo diferentes grados de hormigón.

Esfuerzo máximo del nodo de cimentación bajo diferentes grados de hormigón.

Cuando la fuerza de choque del material del molino de bolas es de 12 500 kN, el grado de concreto es C35, los ángulos de choque se establecen en 10°, 20°, 30°, 40° y 50° respectivamente, y las respuestas dinámicas de la base del molino de bolas bajo diferentes ángulos de choque se calculan. La Figura 9 muestra la curva de desplazamiento del nudo fundacional en la posición de descarga bajo diferentes ángulos de choque, y la Figura 10 muestra la tensión máxima del nudo fundacional en la posición de descarga.

Curva de desplazamiento del nudo de cimentación bajo diferentes ángulos de choque.

La tensión máxima del nudo fundacional bajo diferentes ángulos de choque.

Se puede ver en la Fig. 9 que cuando el ángulo de choque es diferente, la regla de cambio del desplazamiento del nodo de cimentación en la posición de descarga es uniforme, y el desplazamiento del nodo decae periódicamente con el tiempo, el período es de aproximadamente 0,8 s.

A medida que aumenta el ángulo de impacto, aumenta la amplitud de desplazamiento del nodo fundamental en la posición de descarga. Esto se debe a que cuando aumenta el ángulo de choque, aunque la fuerza vertical de la cimentación disminuye, se generarán momentos de flexión adicionales, la fuerza total sobre la cimentación aumentará, la cimentación del suelo y la deformación del hormigón aumentarán. Eventualmente, la amplitud de desplazamiento del nodo de cimentación en la posición de descarga aumenta. Puede verse en la figura 10 que con el aumento del ángulo de impacto, aumenta el valor de la tensión máxima del nodo de cimentación en la posición de descarga.

Según el cálculo, el desplazamiento máximo de la base del molino de bolas ocurre principalmente en el extremo de descarga durante el choque transitorio, y la diferencia máxima de desplazamiento entre la posición de descarga y el nodo de posición de alimentación puede alcanzar los 26 μm. Afectará seriamente el funcionamiento del molino de bolas y aumentará la tasa de daños de las piezas defectuosas. Para solucionar los problemas anteriores, se propone un esquema de reconstrucción de la cimentación.

El plan de renovación del molino de bolas se presenta de la siguiente manera: la pared del asiento del cojinete en la posición de descarga del molino de bolas se refuerza con un soporte de placa de acero y el lado de la pared se refuerza con un bloque de hormigón. El esquema de refuerzo de la cimentación se muestra en la Fig. 11.

Esquema de refuerzo de la base del molino de bolas.

Después de importar la base mejorada y otros componentes al software ABAQUS, se calculó la respuesta de vibración de impacto de la base del molino de bolas cuando el ángulo de impacto del material del molino de bolas era de 30°, el grado del concreto era C35 y la fuerza de impacto era de 12500 kN. Las figuras 12 y 13 son las curvas de desplazamiento de los nudos fundacionales de la posición de descarga y la posición de alimentación antes y después de la mejora. En la figura se puede ver que después de la mejora de la base, el desplazamiento del nodo de la posición de descarga del cilindro se reduce a 78,3 mm, y el desplazamiento del nodo en la posición de alimentación se reduce a 70,5 μm, y la base mejorada vuelve antes a la posición estable. que antes de la mejora. Además, según el cálculo, la tensión del nodo de cimentación en la posición de descarga después de la mejora es de 3,236 MPa, que es aproximadamente un 25 % inferior a los 4,325 MPa antes de la mejora. A partir de los datos anteriores, se puede ver que el plan de mejora de la cimentación puede mejorar en gran medida las características de contacto entre el molino de bolas y la cimentación, y mejorar la estabilidad de la cimentación.

Curva de desplazamiento del nudo fundacional.

Curva de desplazamiento del nudo fundacional en la posición de descarga en la posición de alimentación.

El esquema de refuerzo fundamental se completó en la mina de hierro Yuanjia Village de Taiyuan Iron and Steel Co., Ltd. Para verificar la exactitud del modelo y el esquema, se llevaron a cabo pruebas relevantes y análisis comparativos de nodos importantes en el sitio. En la adquisición de datos, el sensor de vibración piezoeléctrico danés B&K se usa para extraer la señal de vibración del suelo, y luego la señal es amplificada por el amplificador de carga danés B&K, y el sistema de adquisición de datos LMS belga se usa para realizar las estadísticas de los datos. El diagrama esquemático del instrumento específico se muestra en la Fig. 14.

Diagrama de prueba de campo.

Al medir los cuatro puntos de la base del molino de bolas del modelo φ7,32 m × 12,5 m, se muestran los datos de desplazamiento y los valores de simulación de los nodos en diferentes orientaciones de la base cuando la fuerza de impacto es de 12500 kN y el ángulo de impacto es de 30°. en la Tabla 4. De acuerdo con los datos de la tabla, el error entre los datos de la prueba de campo y el valor del cálculo de elementos finitos es pequeño, y los resultados de la simulación son básicamente consistentes con los datos de la prueba de campo, por lo que la exactitud del modelo de elementos finitos es comprobado hasta cierto punto. Verifica indirectamente la confiabilidad del efecto del esquema de refuerzo de la cimentación.

En este artículo, se establece un modelo dinámico de cimentación del molino de bolas basado en el software de elementos finitos, y se analiza la influencia de la fuerza de choque, la ley del concreto y el ángulo de choque en las características de vibración de la cimentación del molino de bolas, y se establece un esquema de transformación. propuesto. Se extraen las siguientes conclusiones:

Con el aumento de la fuerza de choque, aumenta el desplazamiento básico de la posición de descarga del molino de bolas, aumenta la tensión máxima.

Después de cambiar el grado del concreto, el desplazamiento de la base en la posición de descarga del molino de bolas no cambia y la tensión máxima se reduce ligeramente. El grado del concreto no tiene un efecto significativo en las características de vibración de la base del molino de bolas.

Con el aumento del ángulo de choque, aumenta el desplazamiento del nodo fundamental en la posición de alimentación del molino de bolas, aumenta la tensión máxima.

Después de la mejora estructural de la base del molino de bolas, se reduce el desplazamiento local de la base del molino de bolas y se mejora la estabilidad de movimiento de la base del molino de bolas.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo. Todas las figuras, materiales y datos dentro del manuscrito son originales y propiedad de los autores.

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Descargar referencias

Este proyecto ha recibido financiación de los principales proyectos científicos y tecnológicos de la provincia de Shanxi (20201102003), el fondo conjunto de bajas emisiones de carbono basado en el carbón de Shanxi (n.º U1610118), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (n.º 51375325).

Laboratorio estatal clave de equipos pesados para minería, CITIC Heavy Industry Machinery Co., Ltd., Luoyang, 471000, China

Qu Tie y Tang Biliang

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Ciencia y Tecnología de Taiyuan, Taiyuan, 030024, China

Bian Qiang, Zhang Xiangyun, Chen Ming y Zhao Chunjiang

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TQ realizó los análisis de datos y escribió el manuscrito; BT realizó el experimento y análisis de datos; QB contribuyó significativamente al análisis y preparación del manuscrito; XZ ayudó a realizar parte del análisis de elementos finitos; MC contribuido a la concepción del estudio; CZ ayudó a realizar el análisis con discusiones constructivas. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Qu Tie.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Tie, Q., Biliang, T., Qiang, B. et al. Estudio sobre análisis de vibraciones de choque y refuerzo de cimientos de molino de bolas grande. Informe científico 13, 193 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26194-y

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Recibido: 18 mayo 2022

Aceptado: 12 de diciembre de 2022

Publicado: 05 enero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26194-y

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