Análisis FEM de un Molino de BolasFEM Analysis of a Ball Mill
Determinación por elementos finitos de las causas de fallo de un molino de bolas de cemento. El modelo captura la carga giratoria de las bolas y localiza la concentración de tensiones que originó la grieta.
Finite element determination of the failure causes in a cement ball mill. The model captures the rotating ball load and locates the stress concentration that initiated the crack.
CE
Cristian EstévezIngeniero mecánico · Julio 2015Mechanical engineer · July 2015
Mapa de tensiones de Von Mises sobre el cuerpo del molino. La concentración máxima aparece en las esquinas de las ventanas de inspección.
El molino de bolas para cemento que analizamos había fallado en servicio. El objetivo fue determinar por qué: qué estado tensional produjo la grieta, en qué condición de carga se alcanzó el límite crítico y dónde empezó exactamente la fisura.
La función del molino es triturar partículas de cemento mediante el giro de un cuerpo cilíndrico que contiene bolas de acero. A lo largo del cilindro hay aperturas rectangulares —ventanas de inspección— cuyas esquinas son concentradores de tensión por geometría.
Modelado y mallado en Ansys APDL
La geometría se construyó por partes: cilindro, bridas de extremo y tapas. Para el cilindro y las bridas se usaron elementos SHELL182; para las tapas, PLANE181. Los nodos de unión se acoplaron para garantizar continuidad de desplazamientos en los puntos de tornillería.
La malla se refinó progresivamente en las esquinas de las ventanas, donde el gradiente de tensión es máximo. Un elemento demasiado grande en esa zona habría promediado el pico y lo habría ocultado.
El reto del modelo de carga
La carga de las bolas es siempre gravitatoria —dirigida hacia el suelo— pero la zona del cilindro que la recibe varía continuamente con el ángulo de giro. Desarrollé un código que itera sobre todos los ángulos posibles, rota la distribución de presión y ejecuta el análisis para cada posición, obteniendo la envolvente de tensión máxima a lo largo de todo un ciclo de giro.
El molino no solo gira: la zona de carga máxima rota con él. El modelo debía capturar todos esos estados o el resultado carecería de validez.
Conclusión
Los resultados mostraron que la tensión alcanzaba su valor máximo cuando la carga se posicionaba exactamente sobre una ventana. Las esquinas concentraban tensión muy por encima del límite de fatiga del material. La grieta se propagó en el plano perpendicular a la tensión principal máxima —exactamente donde la autopsia del fallo la encontró.
Fin del proyecto
Von Mises stress map on the mill body. The maximum concentration occurs at the corners of the inspection windows.
The cement ball mill we analysed had failed in service. The goal was to determine why: what stress state produced the crack, at which load condition the critical limit was reached, and exactly where the fracture initiated.
The mill grinds cement particles by rotating a cylindrical body containing steel balls. Rectangular openings — inspection windows — run along the cylinder; their corners act as stress concentrators by geometry.
Modelling and meshing in Ansys APDL
The geometry was built in parts: cylinder, end flanges and caps. The cylinder and flanges used SHELL182 elements; the caps used PLANE181. Coupling constraints at the bolt locations enforced displacement continuity between parts.
The mesh was progressively refined at the window corners, where the stress gradient is highest. An element too coarse in that region would have averaged the peak and concealed it.
The rotating load challenge
The ball load is always gravitational — directed downward — but the section of the cylinder receiving it shifts continuously with the rotation angle. I wrote a script that iterates over all rotation angles, rotates the pressure distribution, and runs the analysis at each position, producing the maximum-stress envelope over a full revolution.
The mill doesn't just rotate: the peak-load zone rotates with it. The model had to capture every load state, or the result would be meaningless.
Conclusion
Results showed that stress peaked when the load sat directly over a window. The corners concentrated stress well above the material's fatigue limit. The crack propagated perpendicular to the maximum principal stress — exactly where the physical failure analysis found it.
