球磨机筒体的声辐射特性分析与噪声治理.pdf

2 0 1 4 年第1 期有色金晨 选矿部分 6 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 0 ．i s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 1 4 ．0 1 ．0 1 7 球磨机筒体的声辐射特性分析与噪声治理 刘欢，王健- ，李金凤- ，郭烁1 ，张琳琳1 ，王庆辉1 ，周勃2 1 ．沈阳化工大学信息工程学院，沈阳1 1 0 1 4 2 ；2 ．沈阳工业大学建筑工程学院，沈阳1 1 0 8 7 0 摘要以球磨机简体为研究对象，推导了简体在正常工作条件下所受到的载荷函数，采用有限元方法对简体进行有 限元模拟求得应力应变分布，确定简体在受载状态下的脱离点和下落点的应力集中部位。然后利用声学仿真软件计算球磨机 简体的声辐射模态，确定了球磨机简体的主要噪声频段为低频段。最后，根据声辐射模态分析结果采用悬吊吸声体和墙体吸 声的方法对球磨机机房进行吸声处理，使机房内的噪声下降了6d B ，达到良好的效果。 关键词球磨机；筒体；声模态；有限元 中图分类号T D 9 2 1 ．4 ；T B 5 3 3 ．1 文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 1 4 0 1 - 0 0 6 5 0 5 A c o u s t i cI r r a d i a n c eC h a r a c t e r i s t i cA n a l y s i sa n dN o i s eC o n t r o lf o rC y l i n d e ro fB a nM m L ／UH u a n I ，W A N GJ i a n l ，Ⅱ壤n f e n 9 1 ，G ∞S h u 0 1 ，Z H A N GL i n l i n l ， W 栅Q i n 】．z 日D 【厂．B 护 ．，．qhuil I n s t i t u t eo fI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g S h e n y a n gU n i v e r s i t yo fC h e m i c a lT e c h n o l o g y ， S h e n y a n g1 10 1 4 2 ，C h i n a ；2 ．S c h o o Zo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n ．q 嘻愀r f n g ，S h e n y a n g U n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，S h e n y a n g1I0 8 7 移，C h n a A b s t r a c t T a k i n gc y l i n d e ro fb a l l m i l la st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h el o a d f u n c t i o nt h a tt h e c y l i n d e r m a i n l ys u f f e r e dW a sc a l c u l a t e da tt h er e q u i r e m e n to ft h es t a t i cs t a t u st h a tb a l lm i l lw o r k sa su s u a l ，a n dt h e s t r e s s s t r a i nd i s t r i b u t i o no fc y l i n d e rw a sc a l c u l a t e db yf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，a n dt h es t r e s sc o n c e n t r a t e d l o c a t i o no fd e p a r t u r ea n dd r o p p i n gW a sd e t e r m i n e du n d e rt h el o a ds t a t u s ．A c o u s t i cr a d i a t i o nm o d e so f g r i n d i n gt u b eW a sc a l c u l a t e db ys i m u l a t i o ns o f t w a r e ．a n dt I l em a i nf r e q u e n c yb a n d o fn o i s ew a sl o w f r e q u e n c yw h i c h w a sd e t e r m i n e d ．F i n a l l yn o i s ea d s o r p t i o nt r e a t m e n tw a sc a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h es t a t i c s t a t u ss i m t d a t i o nr e s u l t so f a c o u s t i ci r r a d i a n c eb y a d o p t i n g t h em e t h o do fh a n g i n gs o u n da b s o r b e ra n d t h r o u g hw a l la d s o r p t i o n ，a n dt h en o i s ed e c r e a s e db y6d Bi nt h er o o m ，g o o dr e s u l tw a sa c h i e v e d ． K e Yw o r d s b a l lm i l l ；g r i n d i n gt u b e ；a c o u s t i cm o d e ；l i m i t e de l e m e n t 球磨机在矿山、冶金、水泥、建材等许多领域 中广泛应用，但在运行过程会带来极大的噪声污 染，不仅影响到人们的休息与工作，也对人的身体 健康造成了极大的危害[ 1 ] 。球磨机的主要噪声来源 包括齿轮噪声、筒体噪声和电机噪声，其中筒体噪 声是最大的噪声源c 2 ] ，而筒体噪声是筒体在旋转 时钢球与简体衬板、钢球与钢球、矿块与钢球之间 撞击的机械噪声[ 3 ] ，长时间的球载撞击在圆柱壳 内的衬板上，会产生非常大的冲击力，同时会使衬 板产生振动而辐射高噪声。因此，分析球磨机简体 在工作状态下的应力应变分布规律对于确定其噪声 辐射特性十分重要[ 4 l 。 目前，球磨机噪声分析都是基于现场测试，无 法建立筒体应力与噪声辐射之间的关系 引。为此， 本文基于有限元分析方法，研究球磨机在正常工作 条件下筒体内的应力应变分布，并根据载荷计算结 果计算简体的声辐射模态，从而确定球磨机筒体应 力状态与噪声特性之间的关系，同时采取适当的噪 声治理措施，通过实际的球磨机降噪处理过程，证 明了该方法对于降低球磨机辐射噪声有着非常重要 的意义。 1筒体的载荷计算 球磨机筒体受到的载荷主要包括齿轮的载荷、 介质物料的自重载荷和介质物料的离心力载荷[ 引。 介质在球磨机中的运动主要存在以下几种方式第 一种，当球磨机转速提高到某个极限数值时，球磨 机球载几乎随筒体作同心旋转而不下落。这种情况 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 0 0 5 1 5 9 ；辽宁省教育厅基金资助项目 L 2 0 1 0 4 0 1 收稿日期2 0 1 3 0 2 2 2修回日期2 0 1 3 一l l 一2 6 作者简介刘欢 1 9 8 0 一 ，男，辽宁沈阳人，博士，讲师，主要从事机械振动与噪声控制方面的教学和科研工作。 万方数据 6 6 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第1 期 称为“离心运动”。球载产生离心运转时，理论上 将失去磨矿作用。所以，球磨机应在低于离心运转 的转速条件下工作。第二种，当筒体低速运转时， 球载被带到较小的高度，球载的整体沿筒体旋转方 向偏转一个角度，并维持这种状态。这时，除了每 个球载都绕自身的轴线旋转外，位于球荷顶部的球 载还不断地沿球荷表面滚下，球荷的这种运动状态 称为泻落运动状态。第三种，正常转速运转时，介 质随简体作圆运动上升到一定高度后，就以一定的 初速离开筒体，并沿抛物线轨迹作向下“抛落”。 此时，介质抛落的冲击作用较强，研磨作用相对较 弱。这种磨矿状态称为抛落式磨矿。大多数球磨机 都处于这种磨矿状态下工作。根据动量定理可知， 工作中的球载 例如钢球 在下落时对简体的冲击 力等于单位时间内抛出的球载质量乘以球载与筒体 在落点处的相对速度[ 1 4 】，冲击力计算见图1 。 ＼尸 丫 蔗 埘 、 ’．． ＼ 二H～ N 裂‘＼、 图1 球载对筒体冲击力示意图 F i g ．1 T h ed i a g r a mo ft h ei m p a c to fb a l ll o a do n t h ec y l i n d e ri m p a c tf o r c e 单位时间内抛出的球载质量为【1 4 】 d m p L r w d r 1 其中，芦要s i n 8 ，d r - 李C O s t M 8 。 I | ，训 V y l r 埘c o s 乒∥ - 3 r w c o s 8 2 其中，t 4 s i n g c o s 6 。 埘 t J y 2 一r w s i n [ 仃一3 们 r w c o s 3 0 3 球载冲击力在Y 方向的分力为[ 1 4 】． 0 1 ，，2 h 4 由式 4 积分后得 牛一竽胁n ‰s 4 8 d 8 5 同理可得球载冲击力在茗方向的分力为[ 1 4 】 口，1 p 也 d m 将v , l r w s i n 8 ，移庐一r w s i n 3 8 代入式 6 ，得到 硌一兰墨巴} f 饨 s i n 3 8 c 。弘s i n 徊c 瑚 啪 7 t l ，。J 仉 上述式中，￡为磨机筒体有效长度，单位m ； P 为球载松散密度，单位为k g ／m 3 ，R 。为球载回转 最大半径，R 为球载回转最小半径，％为球载在 落点处石方向的速度，影也为球载落点处筒体在X 方向 的速度[ 川，％为球载在落点处Y 方向的速度，秽’2 为球载落点处筒体在Y 方向的速度。由上面公式可 得落角为 卢 3 a r c c 。s 号导号 8 通过上述公式，可以得到球磨机在正常工作状 态下的冲击载荷。 2 球磨机筒体的有限元仿真 2 ．1 有限元模型的建立 由公式可知，球载对球磨机筒体的冲击力会随 钢球直径的变化而变化。已知某球磨机的参数如 下L 7m ，n 1 7 ．7r ／m i n ，R l 0 ．8 5m ，R p l ．6 5m ， 分别计算几种不同直径钢球的冲击力，如表l 所示。 表1不同直径钢球产生的冲击力 T a b l e1T h ef o r c eg e n e r a t e d b y s t e e lb a l la t d i f f e r e n td i a m e t e r s 钢球的直径d m m 4 05 0 6 0 密度p ， 1 ‘g m - 3 4 7 ∞4 9 2 05 1 8 0 冲击力趴N 1 9 ．22 1 ．1 2 0 ．2 冲击力P ／k N 1 5 ．01 6 ．2 1 8 ．2 由表1 可以发现，钢球的直径增大，冲击力随 之增大，与理论分析结果吻合。本文在以上球磨机 参数的基础上，选择直径为3 0m ／n 的钢球进行模 拟，将表l 中的冲击力施加到球磨机简体实体模型 上，考虑到球磨机筒体结构，本文采用三维实体单 元[ 8 ] ，这样既方便计算分析，又可以与实际工作 过程相符。经过计算分析得到网格划分后的球磨机 筒体有限元模型如图2 所示。 图2 球磨机简体有限元模型 F i g ．2 F i n i t ee l e m e n tm o d e lo fb a l l m i l lc y l i n d e r 万方数据 2 0 1 4 年第1 期刘欢等球磨机筒体的声辐射特性分析与噪声治理 6 7 2 ．2 球磨机筒体的应力应变分布 根据图2 的有限元模型，通过A N S Y S Y 软件 计算得到球磨机筒体某一截面上的应力和应变分布 如图3 4 所示。 烹●篇々i ≥式≯n 篙三_ _ 。。、 图3 球磨机简体应力图 F i g ．3 T h et r e s sd i a g r a mo fb a l l m i l lc y l i n d e r 图4 简体应变图 F i g ．4 T h en 证nd i a g r a mo fb a l lm i l lc y H n d e r 从图3 和图4 中可以看出，当施加载荷为轴向 时，某截断面处筒体两端的应变和应力都呈对称分布， 而且筒体内壁上的应力随着高度的升高而减小[ 7 】。 图3 中，最大应力集中在筒体的中上部区域，即为 球磨机破碎物质的下落点，图4 中，最大应变出现 在筒体的脱离点附近，这些应力应变分布规律与球 磨机实际情况一致[ 8 ] ，说明本文所建立的球磨机简 体有限元模型与实际运行条件相符合。 2 ．3 球磨机筒体模态分析 模态分析的目的是求解结构的固有频率和振 型[ 蛐] 。由于球磨机的工作转数较低，本文只计算 了球磨机筒体的前3 阶固有频率 见表2 ，前3 阶振型如图5 7 所示。 表2球磨机筒体的固有频率 T a b l e2T h en a t u r a lf r e q u e n c yo f b a l lm i Ue y f i n d e r b a hm i l l fb a l l m i l l 图7 球磨机筒体第3 阶振型 F i g ．7 T h et h i r do r d e rv i b r a t i o nt y p eo fb a l lm i U c y l i n d e r 小。由图5 7 可以看出，球磨机筒体的中部是载荷 集中的部分，是强度最弱的区域。 3 筒体的声模态分析 声辐射模态相似于结构振动问题中的固有频率 和振型[ 1 1 - 1 2 ] ，为了研究球磨机简体声场分布规律， 在模态分析的基础上利用声学仿真软件，对简体进 行声模态的分析，计算从2 0H z 到2 0 0H z 范围内 的声模态，结果见表3 。与其结构振动频率相近的 第1 、2 、5 、7 阶声模态，分别如图8 ．1 1 所示。 表3声辐射的模态频率 T a b l e3M o d a lf r e q u e n c yo ft h ea c o u t i cr a d i a t i o n 阶数l 234567 通过以上分析，球磨机筒体的声模态2 阶和5 由表2 可知，球磨机筒体的固有频率远大于球阶模态相似，说明球磨机筒体声辐射的模态效率较 磨机的工作频率，因此球磨机发生共振的可能性较高频率点主要集中在低频段。 一一㈣㈣暖 万方数据 6 8 有色金属 选矿部分2 0 1 4 年第1 期 一 逆篁兰- 图8 球磨机简体第l 阶声模态 F i g ．8 T h ef i r s to r d e ra c o u s t i cm o d eo ft h eb a l l m i l lc y l i n d e r 图9 球磨机筒体第2 阶声模态 F i g ．9 T h es e c o n da c o u s t i cm o d eo fb a l lm i l lc y l i n d e r 图1 0 球磨机简体第5 阶声模态 F i g ．10 T h ef i f t ho r d e ra c o u s t i cm o d eo f b a l lm i l l c y l i n d e r 图1 1 球磨机简体第7 阶声模态 F i g ．11 T h es e v e n t ho r d e ra c o u s t i cm o d eo fb a l lm i l l c y l i n d e r 4 球磨机房的噪声治理措施 经过以上分析，考虑到在不影响机组正常运 行、机组维修和美观的前提条件下，基于对该球磨 机筒体的声辐射特性分析结果，拟采用空间吸声 体、墙面吸声方式对球磨机机房进行吸声处理。为 了缩短和调整室内混响时间，选择在机房的墙面和 顶棚上安装水平悬挂空间吸声体[ I 4 1 ；采用了两 项专利技术宽频带组合式吸声板和玻璃钢复合降噪板 专利号z L 2 0 0 5 2 0 0 9 2 5 4 2 ．2 ，结构如图1 2 所示。 由穿孔护面板、吸声材料及空腔构成的复合吸 声结构具有较宽的吸声频带，它一方面利用吸声材 料吸收声波的能量，另一方面利用空气层提高吸声 合式吸声板 料 图1 2 宽频带降噪结构 F i g ．1 2 T h es t r u c t u r eo fb r o a d b a n dn o i s er e d u c t i o n 材料的吸声系数，另外还利用穿孔板的共振结构吸 收声能。吸声材料主要吸收中高频噪声，空气层和 穿孔板吸声结构主要提高对低频噪声的吸声性能。 墙面吸声处理的材料大多数是吸声板，吸声材 料的性能与本身的数量、大小、构造形式等均有一 定关系，而且材料的厚度达到一定值时，才能起吸 声作用；又因开孔型吸声材料一般是中高频的吸声 系数比较大，而低频段的吸声系数比较小[ 1 列；为 提高机房内整体的降噪效果，墙壁吸声板穿孔率取 9 ％，从而增加墙壁对噪声低频成分的吸声系数。 最后的测试结果表明，采取以上吸声处理，经过噪 声治理，降噪效果非常明显，经环保部门监测，球 磨机房的噪声下降了6d B ，达到了良好的降噪效果。 5 结论 1 对筒体所受球载的撞击进行有限元模拟， 分析了简体受载状态下的应力应变分布，得出了球 磨机筒体在正常工作状态时的振型和固有频率，证 明了球磨机没有共振的可能。 2 根据该球磨机的筒体声辐射计算结果，较 高频率点主要集中在低频段。 3 针对该球磨机的简体辐射声为1 0 0 ～1 5 0H z 的低频噪声的特性对机房进行吸声处理后，机房内 的噪声下降了6d B 。 参考文献 [ 1 ] 郭子利，王会刚．基于A N S Y S 球磨机筒体有限元分析 [ J ] ．机床与液压，2 0 0 9 ，3 7 7 1 9 9 2 0 1 ． [ 2 ] 周敬宣．球磨机筒内降噪技术中的力学性能分析[ J ] ．华 中理工大学学报，1 9 9 8 ，2 6 1 2 5 9 - 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c i r c u i tt e s t 尾矿 3 结论 1 钨细泥主要的化学成分是S i O 、A 1 s O ，、 C a O 、C a F 2 以及T F e 、K 2 0 、S 等，有价成分主要为 W O ，，W O ，为综合回收对象。细泥中的W O ，主要以 黑钨的形式存在，其在矿泥中的分布粒度细，主要 表5闭路试验结果 ’r a b l e5R e s u l t so fc l o s e d c i r c u i tt e s t／％ 集中在一3 7 恤m 粒级中。 2 结合目前国内外钨细泥选矿的实践经验， 经过一系列的试验研究，对该钨矿原生钨细泥回收 W O ，推荐采用的技术路线为钨细泥强磁预富集一 预富集粗精矿分级 3 7p , m 和一3 7 斗m 摇床重选 回收W O ，。全流程闭路试验指标为，钨精矿的产率 为1 ．4 1 ％，W 0 3 品位为2 5 ．5 0 ％，W 0 3 回收率为 7 9 ．9 0 ％。 3 该试验研究成果取代了原有单一摇床低回 收率低品位的生产工艺，并成功应用于工业生产， 指标良好。 参考文献 [ 1 ] 艾光华，李晓波．微细粒黑钨矿选矿研究现状及展望[ J ] ． 矿山机械，2 0 1 I ，3 9 1 0 8 9 9 6 ． [ 2 ] 董少花，毕献武，胡瑞忠，等．湖南瑶岗仙石英脉型黑钨 矿床成矿流体特征[ J ] ．矿物岩石，2 0 1 1 6 5 4 6 0 ． [ 3 ] 管则皋，徐晓萍，梁冬云，等．低品位细脉型黑白钨矿合 理选矿工艺研究[ J ] ．中国钨业，2 0 0 6 ，2 1 2 1 5 1 9 ． [ 4 ] 李平，管建红，李振飞，等．钨细泥选矿现状及试验研 究分析[ J ] ．中国钨业，2 0 1 0 ，2 5 2 2 0 2 3 ． [ 5 ] 刘清高，管则皋，韩兆元，等．采用高梯度磁选回收某 黑钨矿的工艺研究[ J ] ．矿产保护与利用，2 0 1 0 4 2 6 - 2 9 ． [ 6 ] 李纪，李晓东，黄伟生．钨尾矿浮选回收萤石预处理试 验研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 3 5 2 8 3 0 ． 万方数据