摘要：高強磁磁選機具有節能、維修方便和磁選空間大等優點，而磁盤的磁場強度、有效磁選面積和盤間距都是影響永磁盤式高強磁磁選機性能的重要因素。運用solidworks2007軟件建立了新型永磁盤式磁選機磁盤三維模型，通過磁場力理論公式計算，并運用有限元cosmos對磁盤進行三維有限元計算，獲得了磁盤在設定磁場強度下的變形特征和應力分布情況，得出了合理的磁盤結構及安全厚度，為新型永磁盤式高強磁磁選機磁塊選擇及整機的設計與研究提供了理論依據。
關鍵詞：高強磁磁選機，永磁盤式強磁選機；cosmos；優化設計
高強磁選機是非金屬除鐵和尾礦回收的重要設備，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上，加大對尾礦回收的投入。國內各大礦山在尾礦回收設備上一般采用筒式磁選機和盤式磁選機[1]，由于尾礦具有品位低、量大的特點，筒式磁選機有效磁選面積小，磁選效率低，而同徑盤式磁選機磁選空間是筒式的數 ，磁選空間場強較易聚集。因此，盤式磁選機在國內尾礦回收上具有較大的空間和經濟效益。新設計的永磁盤式高強磁磁選機采用聚磁技術和移動磁場技術組成的復雜磁系，大大延展和提高了盤式磁選機有效磁選面積和磁選空間的磁場強度，而如何設計有效合理的磁盤型式就成為這種磁系推廣應用的關鍵，同時磁盤主體材料選擇和安全厚度設計，既是影響磁塊選擇和磁系設計的關鍵，也是影響一定空間結構盤式磁選機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，對高強磁系下磁盤設計提供了理論基礎。
新設計的永磁盤式高強磁磁選機磁盤，其磁系采用高性能的稀土釹鐵硼和優質鐵氧體材料，運用永磁聚磁技術和移動磁場技術組成復雜的磁系結構，產生達2.2廠的高強永磁場。磁場經結構化處理，磁極板替代磁極，磁極板表面積即為磁極面積。整機設計為 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2個磁盤相距10mm時，由高斯計測定磁極板表面的磁感應強度b=2.2t(已設計制造出試驗裝置)。
永磁盤式強磁選機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構尺寸與實際的結構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留出磁極板。由于實際磁盤是通過卡槽和螺釘緊固，簡化后的模型也能體現磁盤在受力后的變化規律。圖2所示為新設計的永磁磁盤模型，圖3所示為傳統的永磁磁盤模型[5]。傳統永磁盤式高強磁磁選機的磁盤背景場強 為1.6t，各盤之間通過角鋼焊接就能達到固定裝配要求，且磁盤分選面積不大，僅靠磁盤環形邊緣選別磁鐵礦。與傳統磁盤相比，新設計的磁盤應用聚磁和移動磁場技術，使背景磁場大大提高， 達到2.2t，比傳統磁盤高出0.6t，并且新設計的磁盤分選面積是傳統磁盤的1.5 ，大大增加了分選面積，提高了分選效率。
solidworks具有設計方便、簡潔等優點，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，再應用cosmos進行有限元計算分析，通過改進和優化設計，使磁盤最終滿足高強磁場要求。磁盤設計直徑為1m，厚度為30 mm，材料采用q23 。圖4所示為新設計的永磁盤式強磁選機的磁盤裝配示意圖，由圖4可知，磁盤為盤式磁選機核心部件，磁盤設計是主要設計內容，關系著磁選機性能的優劣。
長度單位為m，質量單位為kg。采用四面體單元對其進行網格劃分，劃分單元為18.6762mm，公差0.933812mm，節總數63831，單元總數為50590，總節點數為76278。磁盤的材料為q235-a，彈性模量為2.1×1011pa，泊松比為0.28，磁盤網格劃分好后的模型如圖2。
在永磁盤式強磁選機裝配和運轉過程中，磁盤受力很復雜，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，并通過接觸部件設計，達到盤之間保持高精度平行。內孔徑處的臺階面為盤與盤之間的接觸平面。因此，約束磁盤內孔徑為固定，內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度，在每個磁極板平面上平均分布。由式(2)計算結果，在2種磁極板上施加的磁場力壓強均為1.93mpa。
全位移(ures)反映了磁盤各磁極板在受磁場力作用后，對整個磁盤各點位置發生的變化，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。盤間距設計的有效距離為10mm，掛礦板設計厚為6 mm，表面粘貼彈塑性較好的橡膠。因此，在有效變形范圍內能夠滿足礦山生產要求。
圖6是磁盤的等效應力、應變云圖，通過該圖可以看出機架的應力、應變狀況。磁盤的盤面及圓周沒有應力集中的現象，應力(vonmises)值在0.056 12~36.5mpa之間，而磁盤與轉軸之間的結合處應力稍大，從云圖上看出 值為36.5mpa。應變與應力成正比關系，應變(estrn)范圍在2.774×10-7～3.2 應力應變分析圖6是磁盤的等效應力、應變云圖，通過該圖可以看出機架的應力、應變狀況。磁盤的盤面及圓周沒有應力集中的現象，應力(vonmises)值在0.056 12~36.5mpa之間，而磁盤與轉軸之間的結合處應力稍大，從云圖上看出 值為36.5mpa。應變與應力成正比關系，應變(estrn)范圍在2.774×10-7～ 1.271×10-4之間。因此，這個位置也是設計時的重要位置，通過在臺階處加45°倒角，減少了應力的過度集中。綜合機械加工和成本價格的因素，磁盤的材料采用q235-a，屈服強度δb≈220mpa。因此，磁盤主架的強度條件是較富余的。
安全系數是cosmos有限元根據失效準則計算每個節的安全系數：安全系數小，說明該處為設計的薄弱部位；安全系數大，說明該處是可以進行節儉材料的部位。根據cosmos制定的安全系數標準，某位置的安全系數小于1.0，表示該位置的材料已失效；某位置的安全系數為1.0，表示該位置的材料剛開始失效；某位置的安全系數大于1.0，表示該位置的材料是安全的。
