摘要：高強(qiáng)磁磁選機(jī)具有節(jié)能、維修方便和磁選空間大等優(yōu)點(diǎn)，而磁盤的磁場強(qiáng)度、有效磁選面積和盤間距都是影響永磁盤式高強(qiáng)磁磁選機(jī)性能的重要因素。運(yùn)用solidworks2007軟件建立了新型永磁盤式磁選機(jī)磁盤三維模型，通過磁場力理論公式計算，并運(yùn)用有限元cosmos對磁盤進(jìn)行三維有限元計算，獲得了磁盤在設(shè)定磁場強(qiáng)度下的變形特征和應(yīng)力分布情況，得出了合理的磁盤結(jié)構(gòu)及安全厚度，為新型永磁盤式高強(qiáng)磁磁選機(jī)磁塊選擇及整機(jī)的設(shè)計與研究提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：高強(qiáng)磁磁選機(jī)，永磁盤式強(qiáng)磁選機(jī)；cosmos；優(yōu)化設(shè)計
高強(qiáng)磁選機(jī)是非金屬除鐵和尾礦回收的重要設(shè)備，隨著資源減少，各項成本提高和對回收礦物品位、回收率的重視，近年來各大礦山在保證精礦品位和回收率的基礎(chǔ)上，加大對尾礦回收的投入。國內(nèi)各大礦山在尾礦回收設(shè)備上一般采用筒式磁選機(jī)和盤式磁選機(jī)[1]，由于尾礦具有品位低、量大的特點(diǎn)，筒式磁選機(jī)有效磁選面積小，磁選效率低，而同徑盤式磁選機(jī)磁選空間是筒式的數(shù) ，磁選空間場強(qiáng)較易聚集。因此，盤式磁選機(jī)在國內(nèi)尾礦回收上具有較大的空間和經(jīng)濟(jì)效益。新設(shè)計的永磁盤式高強(qiáng)磁磁選機(jī)采用聚磁技術(shù)和移動磁場技術(shù)組成的復(fù)雜磁系，大大延展和提高了盤式磁選機(jī)有效磁選面積和磁選空間的磁場強(qiáng)度，而如何設(shè)計有效合理的磁盤型式就成為這種磁系推廣應(yīng)用的關(guān)鍵，同時磁盤主體材料選擇和安全厚度設(shè)計，既是影響磁塊選擇和磁系設(shè)計的關(guān)鍵，也是影響一定空間結(jié)構(gòu)盤式磁選機(jī)磁選空間大小的主要因素。筆者采用 cosmos有限元計算[2-3]，探索出安全的磁盤厚度，對高強(qiáng)磁系下磁盤設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。
新設(shè)計的永磁盤式高強(qiáng)磁磁選機(jī)磁盤，其磁系采用高性能的稀土釹鐵硼和優(yōu)質(zhì)鐵氧體材料，運(yùn)用永磁聚磁技術(shù)和移動磁場技術(shù)組成復(fù)雜的磁系結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生達(dá)2.2廠的高強(qiáng)永磁場。磁場經(jīng)結(jié)構(gòu)化處理，磁極板替代磁極，磁極板表面積即為磁極面積。整機(jī)設(shè)計為 12個磁盤，每個磁盤均包含2種厚度相同、長度不同的磁極板，磁極板厚度為1.5mm，長度分別為300 mm和200mm。當(dāng)2個磁盤相距10mm時，由高斯計測定磁極板表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度b=2.2t(已設(shè)計制造出試驗裝置)。
永磁盤式強(qiáng)磁選機(jī)的磁盤是由磁盤主架、磁塊和不銹鋼盤面等裝配起來的部件，如圖1所示。為了便于分析，在保證磁盤模型的結(jié)構(gòu)尺寸與實(shí)際的結(jié)構(gòu)尺寸盡可能相同的前提下，對三維模型做了一定的簡化處理，如忽略了螺釘、磁塊和不銹鋼盤面，將其合并到不銹鋼主架，僅在磁塊裝配部位預(yù)留出磁極板。由于實(shí)際磁盤是通過卡槽和螺釘緊固，簡化后的模型也能體現(xiàn)磁盤在受力后的變化規(guī)律。圖2所示為新設(shè)計的永磁磁盤模型，圖3所示為傳統(tǒng)的永磁磁盤模型[5]。傳統(tǒng)永磁盤式高強(qiáng)磁磁選機(jī)的磁盤背景場強(qiáng) 為1.6t，各盤之間通過角鋼焊接就能達(dá)到固定裝配要求，且磁盤分選面積不大，僅靠磁盤環(huán)形邊緣選別磁鐵礦。與傳統(tǒng)磁盤相比，新設(shè)計的磁盤應(yīng)用聚磁和移動磁場技術(shù)，使背景磁場大大提高， 達(dá)到2.2t，比傳統(tǒng)磁盤高出0.6t，并且新設(shè)計的磁盤分選面積是傳統(tǒng)磁盤的1.5 ，大大增加了分選面積，提高了分選效率。
solidworks具有設(shè)計方便、簡潔等優(yōu)點(diǎn)，可有效地建立磁盤的三維模型，筆者通過solidworks 建立磁盤三維模型，再應(yīng)用cosmos進(jìn)行有限元計算分析，通過改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計，使磁盤最終滿足高強(qiáng)磁場要求。磁盤設(shè)計直徑為1m，厚度為30 mm，材料采用q23 。圖4所示為新設(shè)計的永磁盤式強(qiáng)磁選機(jī)的磁盤裝配示意圖，由圖4可知，磁盤為盤式磁選機(jī)核心部件，磁盤設(shè)計是主要設(shè)計內(nèi)容，關(guān)系著磁選機(jī)性能的優(yōu)劣。
長度單位為m，質(zhì)量單位為kg。采用四面體單元對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分單元為18.6762mm，公差0.933812mm，節(jié)總數(shù)63831，單元總數(shù)為50590，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為76278。磁盤的材料為q235-a，彈性模量為2.1×1011pa，泊松比為0.28，磁盤網(wǎng)格劃分好后的模型如圖2。
在永磁盤式強(qiáng)磁選機(jī)裝配和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，磁盤受力很復(fù)雜，包括磁場力、摩擦力、附加力及離心力等，但以磁場力為 ，其他力遠(yuǎn)小于磁場力。因此，忽略其他力的影響，只取磁場力為外載荷。由圖 4可知，磁選機(jī)的磁盤為成組使用，多個磁盤通過軸連接，并通過接觸部件設(shè)計，達(dá)到盤之間保持高精度平行。內(nèi)孔徑處的臺階面為盤與盤之間的接觸平面。因此，約束磁盤內(nèi)孔徑為固定，內(nèi)孔處的臺階面為不可移動。由于存在2種不同長度的磁極板，因此，選擇施加在磁極板上的力為磁場力強(qiáng)度，在每個磁極板平面上平均分布。由式(2)計算結(jié)果，在2種磁極板上施加的磁場力壓強(qiáng)均為1.93mpa。
全位移(ures)反映了磁盤各磁極板在受磁場力作用后，對整個磁盤各點(diǎn)位置發(fā)生的變化，同時也是決定磁盤主體材料及厚度等的主要因素之一。圖5是磁盤的變形云圖。由圖5可知，磁盤面在受到間歇均勻磁場力后，整個盤面向前凹，形成鍋狀，圖5中的虛線為未受磁場力時磁盤的外形。通過該圖可以清楚地看到，磁盤在受到磁場力后偏移原始位置的情況，磁盤邊緣偏離量 ， 變形量為0.3217mm。盤間距設(shè)計的有效距離為10mm，掛礦板設(shè)計厚為6 mm，表面粘貼彈塑性較好的橡膠。因此，在有效變形范圍內(nèi)能夠滿足礦山生產(chǎn)要求。
圖6是磁盤的等效應(yīng)力、應(yīng)變云圖，通過該圖可以看出機(jī)架的應(yīng)力、應(yīng)變狀況。磁盤的盤面及圓周沒有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力(vonmises)值在0.056 12~36.5mpa之間，而磁盤與轉(zhuǎn)軸之間的結(jié)合處應(yīng)力稍大，從云圖上看出 值為36.5mpa。應(yīng)變與應(yīng)力成正比關(guān)系，應(yīng)變(estrn)范圍在2.774×10-7～3.2 應(yīng)力應(yīng)變分析圖6是磁盤的等效應(yīng)力、應(yīng)變云圖，通過該圖可以看出機(jī)架的應(yīng)力、應(yīng)變狀況。磁盤的盤面及圓周沒有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力(vonmises)值在0.056 12~36.5mpa之間，而磁盤與轉(zhuǎn)軸之間的結(jié)合處應(yīng)力稍大，從云圖上看出 值為36.5mpa。應(yīng)變與應(yīng)力成正比關(guān)系，應(yīng)變(estrn)范圍在2.774×10-7～ 1.271×10-4之間。因此，這個位置也是設(shè)計時的重要位置，通過在臺階處加45°倒角，減少了應(yīng)力的過度集中。綜合機(jī)械加工和成本價格的因素，磁盤的材料采用q235-a，屈服強(qiáng)度δb≈220mpa。因此，磁盤主架的強(qiáng)度條件是較富余的。
安全系數(shù)是cosmos有限元根據(jù)失效準(zhǔn)則計算每個節(jié)的安全系數(shù)：安全系數(shù)小，說明該處為設(shè)計的薄弱部位；安全系數(shù)大，說明該處是可以進(jìn)行節(jié)儉材料的部位。根據(jù)cosmos制定的安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，某位置的安全系數(shù)小于1.0，表示該位置的材料已失效；某位置的安全系數(shù)為1.0，表示該位置的材料剛開始失效；某位置的安全系數(shù)大于1.0，表示該位置的材料是安全的。
