Étude sur l'analyse des vibrations de choc et le renforcement des fondations d'un grand broyeur à boulets
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Étude sur l'analyse des vibrations de choc et le renforcement des fondations d'un grand broyeur à boulets

Nov 21, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 193 (2023) Citer cet article

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La vibration de la fondation du broyeur à boulets affectera sérieusement la stabilité de fonctionnement du broyeur à boulets. Selon la relation de connexion entre le broyeur à boulets et la fondation, le modèle de choc transitoire broyeur-fondation est établi. Les effets de la force de choc, de la qualité du béton et de l'angle de choc sur la réponse transitoire de la fondation ont été étudiés. Et sur la base du problème de la fondation du moulin, le schéma de renforcement de la fondation a été proposé. Les conclusions suivantes sont tirées : avec l'augmentation de la force de choc et de l'angle de choc, le déplacement des joints de fondation augmente et la contrainte maximale augmente également ; la qualité du béton a peu d'effet sur la stabilité des fondations ; après l'utilisation du schéma de renforcement de la fondation, les vibrations causées par le choc du broyeur à boulets sont efficacement réduites et la stabilité de la fondation est augmentée. Enfin, l'exactitude du modèle et du schéma est vérifiée par la comparaison avec les données de test. Les résultats des calculs fournissent une référence pour l'amélioration de la fondation du broyeur à boulets.

Le broyeur à boulets est l'équipement clé pour le broyage des minéraux après le broyage du minerai. Avec le développement continu du niveau industriel, le développement des broyeurs à boulets évolue également vers la tendance à grande échelle1,2,3,4. En raison de la grande force de choc générée pendant le fonctionnement du grand broyeur à boulets, la fondation du broyeur à boulets vibrera5,6. La vibration conduira à un engrènement irrégulier des grands et des petits engrenages, entraînant une force supplémentaire, qui affecte sérieusement le fonctionnement normal du broyeur à boulets dans son ensemble. Par conséquent, il est très important d'analyser les chocs et les vibrations de la fondation du broyeur à boulets7.

De nombreux chercheurs ont fait des recherches approfondies sur la fondation. Dans les années 1860, Manoharan8 a donné une solution viscoélastique-plastique par éléments finis au problème général de capacité portante des fondations à surface circulaire et en bande. Nulu et al.9 ont utilisé le logiciel ANSYS pour étudier la réponse au sol des conditions de démarrage et d'arrêt des équipements (phase de transition). Li Xin et al.10 ont utilisé ABAQUS pour simuler la réponse dynamique du sol de fondation dans la zone karstique sous l'action de la charge dynamique du train. Grâce à des recherches expérimentales, Guangya Ding et al.11 ont analysé les performances du renforcement des sacs de sol pour l'assiette de la route sous trois aspects : l'accélération des vibrations, la pression de la terre et la déformation verticale. Shujun Yan et al.12 ont établi un modèle d'éléments finis de la réponse dynamique de la structure de fondation sous l'action des charges de train, et ont analysé les vibrations et les contraintes dynamiques du remblai élevé et de la plateforme ferroviaire à usage intensif. Li Shaoyi et al.13 ont utilisé la méthode des éléments finis en 2,5 dimensions pour étudier l'effet de la vitesse élevée des trains sur la vibration d'une plate-forme saturée. Qian Jiangu et al.14 ont mené une étude théorique sur la réponse dynamique des fondations saturées sous des charges mobiles à grande vitesse. Jiang Hongguang et al.15 ont établi un modèle d'analyse par éléments finis prenant en compte le tassement irrégulier de la plate-forme et ont étudié l'effet d'un tassement irrégulier sur la propagation des vibrations de la fondation sous condition d'augmentation de la vitesse du train. Kang Yanwu16 a établi le modèle d'éléments finis du système de fond de broyeur et a effectué respectivement une analyse modale et une analyse transitoire.

Pour l'impact transitoire du broyeur à boulets, la fondation du broyeur à boulets de CITIC Heavy Industry a été prise comme objet de recherche, et un modèle d'éléments finis de la fondation du broyeur à boulets a été établi sur la base du logiciel ABAQUS. Les effets de différentes forces de choc, qualités de béton et angles de choc sur les caractéristiques de vibration de la fondation sont étudiés. Ensuite, sur la base des problèmes existants de la fondation du broyeur, un schéma de renforcement est proposé, et les résultats de la simulation et le schéma de renforcement de la fondation sont vérifiés par les données expérimentales.

Le mode du système est une caractéristique inhérente et les modes dans différentes conditions correspondent à des fréquences et des formes de mode spécifiques. Grâce à l'analyse modale du système, l'interaction entre la structure du système et d'autres systèmes peut être prédite, de sorte que la génération de résonance peut être supprimée en modifiant la conception de la structure16.

Pour le calcul modal d'un système, il faut d'abord diviser l'ensemble du système en s sous-systèmes, et la matrice modale \(\left[ {{\varvec{\Phi}}} \right]\) de chaque sous-système est :

Dans la formule, \(\left[ {{{\varvec{\Phi}}}^{{\mathbf{F}}} } \right]\) est les modes naturels de l'interface complètement fixe dans le système, que c'est-à-dire la matrice de mode principale ; \(\left[ {{{\varvec{\Phi}}}^{{\mathbf{B}}} } \right]\) est la matrice modale de contrainte composée de la distribution de déplacement statique générée en relâchant chaque degré limite de liberté (DOF) à son tour pour obtenir le déplacement unitaire.

Lorsque les modes retenus sont calculés, une série d'équations de mouvement du sous-système avec un déplacement forcé unitaire à la frontière DOF sont :

où \({\text{u}}_{{\text{i}}}\) est la coordonnée interne, \({\text{u}}_{{\text{j}}}\) est la coordonnée de l'interface, \({\text{k}}\) est la rigidité du système et F est la force externe.

La limite DOF génère à son tour des déplacements unitaires, c'est-à-dire que \({\text{u}}_{{\text{j}}}\) est la matrice unitaire. Développez la formule (2) à partir de la première ligne pour obtenir :

où E est la matrice identité, qui peut être simplifiée pour obtenir :

La matrice modale de contrainte \(\left[ {{{\varvec{\Phi}}}^{{\mathbf{B}}} } \right]\) peut être obtenue comme :

On peut voir à partir de la formule (5) que le numéro de colonne de \(\left[ {{{\varvec{\Phi}}}^{{\mathbf{B}}} } \right]\) est le nombre de limite de matrice DOF.

L'équation du mouvement transformée est :

La matrice modale \(\left[ {{\varvec{\Phi}}} \right]\) est utilisée pour effectuer la première transformation de coordonnées du moment de masse du sous-système \(\left[ {{\overline{\text{m }}}} \right]\) et la matrice de rigidité \(\left[ {{\overline{\text{k}}}} \right]\) pour obtenir :

Ensuite, l'interconnexion entre les sous-systèmes peut être réalisée via la deuxième coordonnée. Lorsqu'il existe une surface limite commune entre le sous-système r et le sous-système q, les vecteurs de déplacement sont :

L'indice B désigne le déplacement généralisé modal contraint sur la surface frontière commune. Puisque le déplacement au point d'intersection de la surface frontière doit être égal, le déplacement généralisé du mode de contrainte correspondant au déplacement est égal :

Remplacer l'éq. (12) dans l'éq. (8), c'est-à-dire utiliser \(\left[ {{\text{p}}^{{\text{c}}} } \right]\) pour effectuer la deuxième transformation de coordonnées au lieu du système d'origine \( \left[ {\text{p}} \right]\), puis multipliez à gauche \(\left[ \beta \right]^{{\text{T}}}\) pour obtenir :

Enfin, l'équation aux valeurs propres généralisée est obtenue :

En résolvant l'Eq. (14), les caractéristiques modales contraintes du système peuvent être obtenues.

La méthode des éléments finis peut être utilisée pour analyser la dynamique modale et modale de structures complexes avec une grande précision de calcul. Par conséquent, le logiciel d'éléments finis est utilisé pour compléter l'analyse modale de la fondation du broyeur à boulets. En prenant la fondation du broyeur à boulets de φ7,32 × 12,5 m comme objet de recherche, la longueur de la fondation est de 33 m, la largeur est de 16 m et la hauteur est de 6 m. Les modèles tels que les fondations, les cylindres, les sièges de roulement sont établis dans le logiciel SolidWorks, puis importés dans le logiciel ABAQUS. Le matériau de chaque composant est défini dans l'unité de propriété et les paramètres du matériau sont indiqués dans le tableau 1. Afin de s'adapter à la situation réelle, le corps du cylindre, la fondation et le coussinet sont définis comme des corps élastiques et la base du sol est définie. comme corps viscoélastique.

L'analyse modale et la dynamique modale sont toutes deux des calculs de perturbation linéaires. Le calcul de la dynamique modale est basé sur l'analyse modale pour obtenir la réponse dynamique du système sous l'action de la charge variable dans le temps. Dans l'élément d'étape, l'étape d'analyse modale est d'abord établie et le solveur de Lanczos est utilisé pour résoudre le problème. Le nombre de valeurs propres est sélectionné par la méthode numérique et l'entrée 50, c'est-à-dire que les 50 premiers modes de vibration sont extraits. Ensuite, une étape d'analyse de la dynamique modale est établie sur la base de l'étape d'analyse modale.

Afin de simuler les conditions réelles de travail, des contraintes contraignantes sont ajoutées entre le cylindre et le patin d'appui, le patin d'appui et le siège d'appui, et le siège d'appui et la fondation en béton. Le moteur et la surface de placement du siège de palier sont respectivement couplés à un point, et une force est appliquée au point de couplage. Le modèle est appliqué avec une gravité de 9,8 m/s2, et une force de choc est appliquée à la partie de masquage de matériau à l'intérieur du cylindre. Le temps d'action de la force de choc est réglé sur 0,01 s et la valeur de l'angle de choc dépend de l'impact réel de la suppression sur le cylindre. L'angle de choc est défini comme l'angle entre la direction de la force de choc et la direction verticale, qui est représentée par α. La figure 1 est un diagramme schématique de l'angle de choc.

Schéma de principe de l'angle de choc.

Contraignez les 6 degrés de liberté de la fondation du sol dans les conditions aux limites. En raison de la grande taille du modèle et de la structure complexe, compte tenu de la précision et de l'efficacité du calcul, le type d'élément de chaque composant du roulement adopte l'élément tétraédrique, et le type de l'élément tétraédrique est attribué en tant que C3D10. Le modèle d'éléments finis est illustré à la Fig. 2.

Modèle d'éléments finis de la fondation d'un broyeur à boulets.

Lorsque l'angle de choc est de 30 °, la qualité du béton est C35 et la force de choc est de 12 500 kN, la réponse aux vibrations de choc de la fondation du broyeur à boulets est obtenue. Les fréquences naturelles du premier ordre 50 du broyeur à boulets et les courbes de déplacement des nœuds fondamentaux à la position de décharge du cylindre sont illustrées aux Fig. 3 et 4. On peut voir sur les figures que la fréquence naturelle du système de broyeur à boulets augmente avec l'augmentation de la commande, et la plage de fréquences des 50 premières commandes est de 19 à 110 Hz. Le déplacement total du nœud de fondation à l'extrémité de décharge est atténué périodiquement, le déplacement maximal est de 0,107 mm et le déplacement est le plus important dans la direction Y.

La courbe de fréquence naturelle du broyeur à boulets.

Courbe de déplacement du nœud de fondation à la position de décharge.

Lorsque l'angle de choc du matériau du broyeur à boulets est de 30°, la qualité du béton est C35, la force de choc est réglée sur 10 500 kN, 11 500 kN, 12 500 kN, 13 500 kN et 14 500 kN respectivement. Le modèle de calcul a été soumis, et la courbe de déplacement, le diagramme de contrainte maximale du nœud fondamental à la position de décharge a été obtenu, et comme le montrent les Fig. 5 et 6.

Courbe de déplacement du nœud de fondation sous différentes forces de choc.

La contrainte maximale du nœud de fondation sous différentes forces de choc.

On peut voir sur la Fig. 5 que la règle de changement du déplacement du nœud fondamental à la position de décharge est la même sous différentes forces de choc, et le déplacement du nœud diminue périodiquement avec le temps, et la période est d'environ 0,8 s. En effet, au moment où la force de choc est appliquée, la fondation est soumise à la force la plus importante, ce qui entraîne la valeur de déplacement maximale du nœud de fondation à la position de décharge. Après disparition de la force de choc, le déplacement du nœud s'atténue progressivement sous l'action du système d'amortissement.

De plus, les données d'analyse montrent qu'avec l'augmentation de la force de choc, l'amplitude de déplacement du nœud fondamental à la position de décharge augmente. La raison en est que la force de choc augmente, la déformation de la fondation du sol et du béton augmente, et enfin l'amplitude de déplacement du nœud de fondation augmente.

Lorsque l'angle de choc du matériau du broyeur à boulets est de 30 °, la force de choc est de 12500kN et les qualités de béton sont respectivement définies sur C15, C25, C35, C45 et C55, les réponses dynamiques de la fondation du broyeur à boulets sous différentes qualités de béton on obtient. Le tableau 2 montre les paramètres de différentes qualités de béton, et le tableau 3 montre les dix premières fréquences naturelles d'ordre du système de broyeur à boulets sous différentes qualités de béton. On peut voir dans le tableau 3 qu'avec l'augmentation des qualités de béton, la fréquence naturelle du système de broyeur à boulets augmente progressivement.

La figure 7 est le diagramme de la courbe de déplacement du nœud de fondation à la position de décharge sous différentes qualités de béton, la figure 8 est le diagramme de contrainte maximale des nœuds de fondation à la position de décharge sous différentes qualités de béton. On peut voir sur les figures que lorsque la qualité du béton est modifiée de C15 à C55, le déplacement du nœud de fondation à l'extrémité de décharge ne change pas de manière significative et la contrainte maximale diminue légèrement, indiquant que la qualité du béton n'a pas d'influence significative. sur les caractéristiques vibratoires de la fondation.

Courbe de déplacement du nœud de fondation sous différentes qualités de béton.

Contrainte maximale du nœud de fondation sous différentes qualités de béton.

Lorsque la force de choc du matériau du broyeur à boulets est de 12 500 kN, la qualité du béton est C35, les angles de choc sont respectivement réglés sur 10°, 20°, 30°, 40° et 50°, et les réponses dynamiques de la fondation du broyeur à boulets sous différents angles de choc sont calculés. La figure 9 montre la courbe de déplacement du nœud fondamental à la position de décharge sous différents angles de choc, et la figure 10 montre la contrainte maximale du nœud fondamental à la position de décharge.

Courbe de déplacement du nœud de fondation sous différents angles de choc.

La contrainte maximale du nœud fondamental sous différents angles de choc.

On peut voir sur la Fig. 9 que lorsque l'angle de choc est différent, la règle de changement du déplacement du nœud de fondation à la position de décharge est uniforme, et le déplacement du nœud diminue périodiquement avec le temps, la période est d'environ 0,8 s.

Avec l'augmentation de l'angle de choc, l'amplitude de déplacement du nœud fondamental à la position de décharge augmente. En effet, lorsque l'angle de choc augmente, bien que la force verticale de la fondation diminue, des moments de flexion supplémentaires seront générés, la force totale sur la fondation augmentera, la fondation du sol et la déformation du béton augmenteront. Finalement, l'amplitude de déplacement du nœud de fondation à la position de décharge augmente. On peut voir sur la figure 10 qu'avec l'augmentation de l'angle de choc, la valeur de contrainte maximale du nœud de fondation à la position de décharge augmente.

Selon le calcul, le déplacement maximal de la fondation du broyeur à boulets se produit principalement à l'extrémité de décharge pendant le choc transitoire, et la différence de déplacement maximale entre la position de décharge et le nœud de position d'alimentation peut atteindre 26 μm. Cela affectera sérieusement le fonctionnement du broyeur à boulets et augmentera le taux de dommages des pièces défectueuses. Afin de résoudre les problèmes ci-dessus, un schéma de reconstruction de la fondation est proposé.

Le plan de rénovation du broyeur à boulets est présenté comme suit : la paroi du siège d'appui à la position de décharge du broyeur à boulets est renforcée avec un support en tôle d'acier, et le côté du mur est renforcé avec un bloc de béton. Le schéma de renforcement des fondations est illustré à la Fig. 11.

Schéma de renforcement de la fondation du broyeur à boulets.

Après l'importation de la fondation améliorée et d'autres composants dans le logiciel ABAQUS, la réponse aux vibrations de choc de la fondation du broyeur à boulets a été calculée lorsque l'angle de choc du matériau du broyeur à boulets était de 30 °, la qualité du béton était C35 et la force de choc était 12500 kN. Les figures 12 et 13 sont les courbes de déplacement des nœuds fondamentaux de la position de décharge et de la position d'alimentation avant et après l'amélioration. On peut voir sur la figure qu'après l'amélioration de la fondation, le déplacement du nœud de la position de décharge du cylindre est réduit à 78,3 mm, et le déplacement du nœud à la position d'alimentation est réduit à 70,5 μm, et la fondation améliorée revient à la position stable plus tôt qu'avant l'amélioration. De plus, selon le calcul, la contrainte du nœud de fondation à la position de décharge après l'amélioration est de 3,236 MPa, soit environ 25 % de moins que les 4,325 MPa avant l'amélioration. À partir des données ci-dessus, on peut voir que le plan d'amélioration de la fondation peut grandement améliorer les caractéristiques de contact entre le broyeur à boulets et la fondation et améliorer la stabilité de la fondation.

Courbe de déplacement du nœud de fondation.

Courbe de déplacement du nœud fondamental à la position de décharge à la position d'alimentation.

Le schéma de renforcement de base a été achevé à la mine de fer du village de Yuanjia de Taiyuan Iron and Steel Co., Ltd. Afin de vérifier l'exactitude du modèle et du schéma, des tests pertinents et une analyse comparative des nœuds importants sur le site ont été effectués. Lors de l'acquisition de données, le capteur de vibration piézoélectrique danois B&K est utilisé pour extraire le signal de vibration du sol, puis le signal est amplifié par l'amplificateur de charge danois B&K, et le système d'acquisition de données belge LMS est utilisé pour réaliser les statistiques des données. Le schéma de principe de l'instrument spécifique est illustré à la Fig. 14.

Diagramme de test sur le terrain.

En mesurant les quatre points de la fondation du broyeur à boulets du modèle φ7,32 m × 12,5 m, les données de déplacement et les valeurs de simulation des nœuds dans différentes orientations de la fondation lorsque la force de choc est de 12500 kN et l'angle de choc est de 30° sont affichées dans le tableau 4. Selon les données du tableau, l'erreur entre les données de test sur le terrain et la valeur de calcul des éléments finis est faible, et les résultats de la simulation sont fondamentalement cohérents avec les données de test sur le terrain, de sorte que l'exactitude du modèle d'éléments finis est vérifié dans une certaine mesure. Il vérifie indirectement la fiabilité de l'effet du schéma de renforcement des fondations.

Dans cet article, un modèle dynamique de fondation du broyeur à boulets est établi sur la base du logiciel d'éléments finis, et l'influence de la force de choc, de la qualité du béton et de l'angle de choc sur les caractéristiques de vibration de la fondation du broyeur à boulets est analysée, et un schéma de transformation est proposé. Les conclusions suivantes sont tirées :

Avec l'augmentation de la force de choc, le déplacement de base de la position de décharge du broyeur à boulets augmente, la contrainte maximale augmente.

Après avoir changé la qualité du béton, le déplacement de la fondation à la position de décharge du broyeur à boulets reste inchangé et la contrainte maximale est légèrement réduite. La qualité du béton n'a pas d'effet significatif sur les caractéristiques de vibration de la fondation du broyeur à boulets.

Avec l'augmentation de l'angle de choc, le déplacement du nœud fondamental à la position d'alimentation du broyeur à boulets augmente, la contrainte maximale augmente.

Après l'amélioration structurelle de la fondation du broyeur à boulets, le déplacement local de la fondation du broyeur à boulets est réduit et la stabilité de mouvement de la fondation du broyeur à boulets est améliorée.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article. Toutes les figures, le matériel et les données du manuscrit sont originaux et appartiennent aux auteurs.

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Ce projet a reçu un financement des grands projets scientifiques et technologiques de la province du Shanxi (20201102003), du fonds commun à faible émission de carbone basé sur le charbon du Shanxi (n ° U1610118), de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (n ° 51375325).

State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment, CITIC Heavy Industry Machinery Co., Ltd., Luoyang, 471000, Chine

Qu Tie & Tang Biliang

École de génie mécanique, Université des sciences et technologies de Taiyuan, Taiyuan, 030024, Chine

Bian Qiang, Zhang Xiangyun, Chen Ming et Zhao Chunjiang

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TQ a effectué les analyses de données et rédigé le manuscrit ; BT a réalisé l'expérience et les analyses de données ; QB a contribué de manière significative à l'analyse et à la préparation du manuscrit ; XZ a aidé à effectuer une partie de l'analyse par éléments finis ; MC a contribué à la conception de l'étude ; CZ a aidé à effectuer l'analyse avec des discussions constructives. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance avec Qu Tie.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Tie, Q., Biliang, T., Qiang, B. et al. Étude sur l'analyse des vibrations de choc et le renforcement des fondations d'un grand broyeur à boulets. Sci Rep 13, 193 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26194-y

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Reçu : 18 mai 2022

Accepté : 12 décembre 2022

Publié: 05 janvier 2023

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

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