随着球磨机向大型化发展,对大直径磨球的需求越来越大,随之而来的是磨球表层局部剥落问题愈发突出。本文以直径为125mm的含碳化物等温淬火奥铁体球墨铸铁(简称CADI)磨球为研究对象,总结国内外在相关领域的工程背景和研究现状,利用切割法对磨球表层的残余应力进行测试,并应用有限元计算软件ANSYS/LS-DYNA对磨球的碰撞过程进行仿真,对磨球表层和内部的残余应力有了定量认识。这对于揭示磨球的碰撞失效机理,提高磨球材料设计和制造工艺水平,具有一定的指导意义。主要研究如下:(1)在通过试验得到磨球材料的弹性常数和应力—应变关系的基础上,利用切割法对CADI磨球在碰撞前、后的表层残余应力进行测试。结果表明,碰撞后的磨球表层存在着500~900MPa、各方向基本相等的周向压缩残余应力;磨球表层的残余应力数值随着碰撞次数的增加而增加,但是碰撞次数超过20000以后增加的不明显;在某一范围内,含锰量越高,碰撞后磨球表层的残余应力越大;未经碰撞的磨球表层存在着拉伸或压缩周向残余应力,其数值均比碰撞后磨球表层的残余应力小得多。(2)为了对碰撞后磨球内部的残余应力和塑性应变进行分析,通过对落球疲劳试验的实际过程合理简化,建立有限元模型,对承受从不同高度自由落体冲击的磨球进行了仿真计算。结果表明,在单次碰撞作用下,会在接触中心区域产生小范围的拉伸残余应力,在接触区边界产生剪切残余应力;下落高度为10米时,最大塑性应变位于距表面4.4mm深处,与工程中磨球的实际剥落块厚度4~6mm吻合良好;磨球下落高度越高,撞击接触时间越短,塑性区越大,而接触力呈渐缓式增加。(3)为了分析多次撞击对磨球内部残余应力的影响,分别对磨球在同一位置受到多次碰撞、从不同天顶角受到多次碰撞和不同方位角受到多次碰撞进行仿真。结果表明,在同一位置受到多次碰撞后,磨球内部塑性区的范围没有明显变化,而等效塑性应变的峰值随着碰撞次数的增加而呈渐缓式增加;从不同天顶角多次碰撞后,各次碰撞产生的塑性区会依次叠加,在接触区表层形成塑性强化区;从不同方位角多次碰撞后,等效塑性应变在距离接触表面3~5mm深处达到最大值,塑性区最深处距表面约15mm,并不随着碰撞次数的增加而加深。