摘要：高强磁磁选机具有节能、维修方便和磁选空间大等优点，而磁盘的磁场强度、有效磁选面积和盘间距都是影响永磁盘式高强磁磁选机性能的重要因素。运用SOLIDWORKS2007软件建立了新型永磁盘式磁选机磁盘三维模型，通过磁场力理论公式计算，并运用有限元COSMOS对磁盘进行三维有限元计算，获得了磁盘在设定磁场强度下的变形特征和应力分布情况，得出了合理的磁盘结构及安全厚度，为新型永磁盘式高强磁磁选机磁块选择及整机的设计与研究提供了理论依据。
关键词：高强磁磁选机，永磁盘式强磁选机；COSMOS；优化设计
高强磁选机是非金属除铁和尾矿回收的重要设备，随着资源减少，各项成本提高和对回收矿物品位、回收率的重视，近年来各大矿山在保证精矿品位和回收率的基础上，加大对尾矿回收的投入。国内各大矿山在尾矿回收设备上一般采用筒式磁选机和盘式磁选机[1]，由于尾矿具有品位低、量大的特点，筒式磁选机有效磁选面积小，磁选效率低，而同径盘式磁选机磁选空间是筒式的数 ，磁选空间场强较易聚集。因此，盘式磁选机在国内尾矿回收上具有较大的空间和经济效益。新设计的永磁盘式高强磁磁选机采用聚磁技术和移动磁场技术组成的复杂磁系，大大延展和提高了盘式磁选机有效磁选面积和磁选空间的磁场强度，而如何设计有效合理的磁盘型式就成为这种磁系推广应用的关键，同时磁盘主体材料选择和安全厚度设计，既是影响磁块选择和磁系设计的关键，也是影响一定空间结构盘式磁选机磁选空间大小的主要因素。笔者采用 COSMOS有限元计算[2-3]，探索出安全的磁盘厚度，对高强磁系下磁盘设计提供了理论基础。
新设计的永磁盘式高强磁磁选机磁盘，其磁系采用高性能的稀土钕铁硼和优质铁氧体材料，运用永磁聚磁技术和移动磁场技术组成复杂的磁系结构，产生达2.2厂的高强永磁场。磁场经结构化处理，磁极板替代磁极，磁极板表面积即为磁极面积。整机设计为 12个磁盘，每个磁盘均包含2种厚度相同、长度不同的磁极板，磁极板厚度为1.5mm，长度分别为300 mm和200mm。当2个磁盘相距10mm时，由高斯计测定磁极板表面的磁感应强度B=2.2T(已设计制造出试验装置)。
永磁盘式强磁选机的磁盘是由磁盘主架、磁块和不锈钢盘面等装配起来的部件，如图1所示。为了便于分析，在保证磁盘模型的结构尺寸与实际的结构尺寸尽可能相同的前提下，对三维模型做了一定的简化处理，如忽略了螺钉、磁块和不锈钢盘面，将其合并到不锈钢主架，仅在磁块装配部位预留出磁极板。由于实际磁盘是通过卡槽和螺钉紧固，简化后的模型也能体现磁盘在受力后的变化规律。图2所示为新设计的永磁磁盘模型，图3所示为传统的永磁磁盘模型[5]。传统永磁盘式高强磁磁选机的磁盘背景场强 为1.6T，各盘之间通过角钢焊接就能达到固定装配要求，且磁盘分选面积不大，仅靠磁盘环形边缘选别磁铁矿。与传统磁盘相比，新设计的磁盘应用聚磁和移动磁场技术，使背景磁场大大提高， 达到2.2T，比传统磁盘高出0.6T，并且新设计的磁盘分选面积是传统磁盘的1.5 ，大大增加了分选面积，提高了分选效率。
SOLIDWORKS具有设计方便、简洁等优点，可有效地建立磁盘的三维模型，笔者通过SOLIDWORKS 建立磁盘三维模型，再应用COSMOS进行有限元计算分析，通过改进和优化设计，使磁盘最终满足高强磁场要求。磁盘设计直径为1m，厚度为30 mm，材料采用Q23 。图4所示为新设计的永磁盘式强磁选机的磁盘装配示意图，由图4可知，磁盘为盘式磁选机核心部件，磁盘设计是主要设计内容，关系着磁选机性能的优劣。
长度单位为m，质量单位为kg。采用四面体单元对其进行网格划分，划分单元为18.6762mm，公差0.933812mm，节总数63831，单元总数为50590，总节点数为76278。磁盘的材料为Q235-A，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.28，磁盘网格划分好后的模型如图2。
在永磁盘式强磁选机装配和运转过程中，磁盘受力很复杂，包括磁场力、摩擦力、附加力及离心力等，但以磁场力为 ，其他力远小于磁场力。因此，忽略其他力的影响，只取磁场力为外载荷。由图 4可知，磁选机的磁盘为成组使用，多个磁盘通过轴连接，并通过接触部件设计，达到盘之间保持高精度平行。内孔径处的台阶面为盘与盘之间的接触平面。因此，约束磁盘内孔径为固定，内孔处的台阶面为不可移动。由于存在2种不同长度的磁极板，因此，选择施加在磁极板上的力为磁场力强度，在每个磁极板平面上平均分布。由式(2)计算结果，在2种磁极板上施加的磁场力压强均为1.93MPa。
全位移(URES)反映了磁盘各磁极板在受磁场力作用后，对整个磁盘各点位置发生的变化，同时也是决定磁盘主体材料及厚度等的主要因素之一。图5是磁盘的变形云图。由图5可知，磁盘面在受到间歇均匀磁场力后，整个盘面向前凹，形成锅状，图5中的虚线为未受磁场力时磁盘的外形。通过该图可以清楚地看到，磁盘在受到磁场力后偏移原始位置的情况，磁盘边缘偏离量 ， 变形量为0.3217mm。盘间距设计的有效距离为10mm，挂矿板设计厚为6 mm，表面粘贴弹塑性较好的橡胶。因此，在有效变形范围内能够满足矿山生产要求。
图6是磁盘的等效应力、应变云图，通过该图可以看出机架的应力、应变状况。磁盘的盘面及圆周没有应力集中的现象，应力(VonMises)值在0.056 12~36.5MPa之间，而磁盘与转轴之间的结合处应力稍大，从云图上看出 值为36.5MPa。应变与应力成正比关系，应变(ESTRN)范围在2.774×10-7～3.2 应力应变分析图6是磁盘的等效应力、应变云图，通过该图可以看出机架的应力、应变状况。磁盘的盘面及圆周没有应力集中的现象，应力(VonMises)值在0.056 12~36.5MPa之间，而磁盘与转轴之间的结合处应力稍大，从云图上看出 值为36.5MPa。应变与应力成正比关系，应变(ESTRN)范围在2.774×10-7～ 1.271×10-4之间。因此，这个位置也是设计时的重要位置，通过在台阶处加45°倒角，减少了应力的过度集中。综合机械加工和成本价格的因素，磁盘的材料采用Q235-A，屈服强度δb≈220MPa。因此，磁盘主架的强度条件是较富余的。
安全系数是COSMOS有限元根据失效准则计算每个节的安全系数：安全系数小，说明该处为设计的薄弱部位；安全系数大，说明该处是可以进行节俭材料的部位。根据COSMOS制定的安全系数标准，某位置的安全系数小于1.0，表示该位置的材料已失效；某位置的安全系数为1.0，表示该位置的材料刚开始失效；某位置的安全系数大于1.0，表示该位置的材料是安全的。
