Исследование напряженно-деформированного состояния станины конусной дробилки и совершенствование ее конструкции

W Дробление — как процесс, был известен человечеству за 3000 лет до н.э., когда оно осуществлялось вручную. С тех пор этот процесс, направленный на более полное удовлетворение потребностей человеческого сообщества, существенно усложнился. Что касается процесса обогащения полезных ископаемых, неотъемлемой частью которого является дробление, то для его осуществления во всех странах мира идет большая работа. Мировая горная промышленность неуклонно стремится увеличивать масштабы добычи и переработки минерального сырья. Общий ежегодный объем продукции мирового горнопромышленного комплекса в стоимостном выражении составляет.

0,8 — 1,4 триллиона долларов, из которого доля России в среднем составляет.

12 «14% '. За истекшее столетие из недр нашей страны по ориентировочной оценке извлечено: железной руды — около 4 млрд. тонн 3, меди, марганцевой руды — более 120 млн. тонн, хромовой руды — свыше 100 млн. тонн, свинца и цинка — более 30 млн. тонн, нерудное минеральное сырье и строительные материалы исчисляются триллионами тонн 4.

В России в последнее время в некоторых горных отраслях производство нестабильно. Но это, чаще всего, связано с применением устаревших технологий. Многие горные предприятия после реконструкции и внедрения ресурсосберегающих технологий и новых видов техники возрождаются к производительной работе. Далеко не последнее место при этом отведено операциям «дробление» и «измельчение», так как для успешного процесса обогащения зерна полезного минерала необходимо освободить его от сопутст.

1 — Малышев 10. Н. Проблемы горнопромышленного комплекса России и пути их решения // Горный журнал. — 2003. № 10. — С. 5−8. — 2 — Мирлин Г. А. Полезные ископаемые // БСЭ. — 3-е изд. М.: 1975. — Т. 20. — С. 182 -185.

3 — Кирпиченко В. М. Перспектива развития подземной добычи железной руды в России.

Горная промышленность. — 2003. № 6. — С, 4 — 8.

4 — Буткевич Г. Р. Горная отрасль промышленности стройматериалов России // Горная промышленность. — 2003. № 2. — С. 51- 55. вующей руды, что достигается последовательным уменьшением размеров частиц руды. Если обратиться к патентной литературе стран, производящих обогатительное оборудование, то можно видеть, что для выполнения этих операций предложено огромное количество измельчителей, использующих тот или иной принцип работы: механический, аэродинамический, электрический, ультразвуковой, химический и т. д. И, тем не менее, на всех обогатительных предприятиях основным остается механический способ дезинтеграции. Для дробления и измельчения руд, в основном, применяются механические дробилки. Среди них значительный процент составляют конусные дробилки, имеющие большой диапазон типоразмеров.

Конусные дробилки по сравнению с любыми другими дробильно-измельчительными машинами занимают меньшие площади, проще в эксплуатации, имеют более низкий расход электроэнергии на единицу объема переработанной руды. Высокие эксплуатационные качества конусных дробилок, изобретенных в первой четверти 20-го века Э. Саймонсом и усовершенствовавших О. Грюндером, до сих пор удерживают эти аппараты на устойчивых позициях их широкого применения [1].

Это можно показать на примере крупнейшего объединения России Уралмаш (в настоящее время ОМЗ-ГО), поставившего заказчикам только за период с 1970 года свыше 4000 машин [2]. Выпущенные дробилки для среднего (КСД) и мелкого (КМД) дробления способны дробить до 7,0 миллиардов тонн горной массы в год. Кроме российских предприятий конусные дробилки поставляются в Германию, Замбию, Чехию, Словакию, Финляндию, Монголию, Иран, Югославию, Италию, Корею, Турцию и другие страны.

В себестоимости процесса обогащения около 60% составляют затраты на электроэнергию, а среди них — до 80%' от общих энергозатрат приходится на долю измельчителыюго передела, что составляет около 6% от мировых расходов электроэнергии [3]. Решение задачи существенного снижения себестоимости сводится к снижению крупности продукта дробильного передела, формирующего питание мельниц. Сейчас в производственной программе ОМЗ — Уралмаш имеется целый ряд освоенных серийных дробилок (приложение 1).

Анализ известных исследований в области дробления горных пород, выполняемых в различных научных школах, показал, что в основном исследования ведутся в направлении совершенствования рабочего процесса дробилок. Так по результатам многолетних исследовательских и проектных работ на ОМЗ — Уралмаш создана фирменная методика расчета камер дробления, построенная на физике процесса разрушения материала сжатием в сочетании с кинематикой движения кусков материала в камере. Выполненные расчеты камер показали, что снижение крупности дробленого продукта может быть обеспечено, в основном, за счет большей деформации материала, или, что тоже — большим усилием дробления. Это приводит к форсированию процесса дробления [2]. На основании таких расчетов были предложены модернизированные дробилки с форсированным режимом дробления, позволяющие решать новые технологические задачи снижения себестоимости процесса обогащения.

Проектные решения камеры дробления и механизма подачи питания дробилок выполнены на основе весьма качественного функционального анализа. Но так как современные тенденции диктуют условия работы дробилок без капитальных ремонтов, то их надежность и долговечность определются надежностью и долговечностью основных узлов аппарата: корпусных деталей (станина, опорное кольцо, регулирующее кольцо), приводного вала, эксцентрикового узла и вала дробящего конуса. В дробилках среднего и мелкого дробления усовершенствована конструкция эксцентрикового узла, механизирована операция регулирования ширины выходной щели и т. д. Вместе с тем, станина и другие корпусные детали, обеспечивающие всю безопасную работу дробилки, до сих пор не рассчитываются.

Станины дробилок среднего и мелкого дробления однотипны и различаются только размерами. Следовательно, процессы их нагружения могут быть описаны одними закономерностями. И, хотя расчет и анализ этих деталей востребованы практикой производства и дальнейшего технического прогресса, предлагающего новые материалы и технологии, их математической модели пока не создано.

Форсирование режима дробления при модернизации дробилок, которое имело место в практике обогатительных предприятий [4−6], показало, что на конусных дробилках КСД -, КМД — 2200 и др. образуются трещины усталости на ребрах и корпусах станин дробящих конусов. Поэтому все дробилки КСД и КМД с форсированным режимом дробления, выпускаемые Уралмаш-заводом, претерпели ряд конструктивных изменений, направленных на обеспечение их надежной работы при повышенных нагрузках [2], в том числе и на улучшение защиты станины от износа. Но при всем при этом расчет корпусных деталей дробилок не выполнялся.

Кроме высокой энергоемкости процесса дробления с финансовой стороны важной представляется и стоимость самой дробилки, которая является весьма металлоемким изделием. Так, к примеру, общая масса дробилок КМД типоразмерного ряда 2200 составляет 90 — 95 тоннмасса станины — 21 тонну, это — 23% всей массы дробилкиобщая масса дробилки КМД — 1750 — 51 тонна, а масса станины с опорным кольцом 22 тонны, это — 44% массы дробилки. Такие весовые соотношения сохраняются во всех типоразмерах дробилок мелкого и среднего дробления различных производителей. При этом, как можно видеть (табл. 1), масса дробилок зарубежных производителей (кроме НКМЗ) в среднем ниже на 10 — 15% [7−9].

Кроме стоимости металла, стоимость изделия зависит и от способа изготовления корпусных деталей. На сегодня существует несколько способов изготовления корпусных деталей. Традиционным является литьевой способ. Материал конструкций в этом случае серый чугун или, в последнее время, стали литьевых марок (35Л). Уменьшение массы корпусных деталей при этом методе изготовления не рассматривалось из-за требований литейного производства и невысокого качества литьевых технологий, используемых при изготовлении крупногабаритных деталей. При использовании сварного способа изготовления, который широко распространен за рубежом и опробован на образцах отечественных дробилок, в качестве материала могут быть применены углеродистые стали прокатных марок (СтЗ, Сталь 20). Эти стали хорошо свариваются, не имеют дефектов в однородности структуры материала после изготовления по сравнению с литьевыми. Применение сварных технологий позволит снизить массу крупногабаритных деталей дробилок.

Таблица 1.

Основные параметры конусных дробилок различных производителей.

Модель дробилки Максимальный размер куска на входе, мм Величина разгрузочной щели, мм Крупность продукта номинальная, мм Производительность, м3/час, (т/час) Приводная мощность, кВт Масса машины, т.

Metso (Mordberg).

Symons 2135, средн. др. 460* 38.64 70−95 (880−1360) 372 86,6.

Symons 2135, мелк. др. 105* 5.16 (190−408) 372 89,4.

WF-800 g** 500 525 61,9.

Krupp.

Kubria 210−25 250 35.150 315 83.

Kubria 210−15 150 16.45 315 83 омз-го.

КСД-2200Т2-Д 250 20.40 75 400−630 400 97.

КМД-2200Т5-Д 80 6.12 18 160−235 315 94 нкмз.

КСД-2200Гр 300 30−60 360−610 250 109.

КМД-2200Т2 80 8−12 150 315 110.

— приемное отверстие в мм на открытой стороне- ** - по 80% - му остатку.

Приведенные сведения показывают важность работ по совершенствованию дробилок. Но, вследствие того, что такие работы ведутся уже длительное время и многими коллективами, выявить новое направление, позволяющее существенно повысить эффективность дробилок, весьма затруднительно. Анализ предшествующих исследований, выполненный с целью выявления такого направления, позволил определить возможный путь совершенствования дробилок за счет снижения массы и повышения их надежности. Данное направление, учитывая большой парк работающих дробилок, представляется весьма перспективным. Резерв в снижении массы дробилок имеется в корпусных деталях, так как параметры станины и других корпусных деталей до сих пор практически не рассчитываются, а назначаются из конструктивных соображений и поэтому зачастую имеют завышенные величины.

Отсутствие методик расчета корпусных деталей связано с тем, что до недавнего времени такие расчеты были просто невозможны ввиду их сложности. Внедрение САПР при проектировании машиностроительных конструкций, появление пакетов инженерного анализа, таких как ANSIS, NASTRAN, LS — DYNA, АРМ WinMachine, дает возможность выполнять расчет сложных деталей. Но для расчета корпусных деталей дробилок, имеющих сложную конфигурацию и сложный характер нагружения, необходимо создать специальную методику, учитывающую все особенности рабочего процесса дробилок. Решение такой задачи и выполнялось в диссертационной работе.

Цель работы — совершенствование конструкции конусных дробилок мелкого и среднего дробления за счет оптимизации параметров корпусных деталей.

Идея работы. Оптимизация параметров станин конусных дробилок выполняется на основе исследования напряженно-деформированного состояния деталей, проведенного с помощью разработанных методик с применением программ инженерного анализа.

Методы исследований: теоретическое обобщение современных научно-технических достижений в области проектирования дробильно-размольного оборудованияматематическое моделирование. Базовым численным методом для создания и решения целевой функции в используемом алгоритме является метод конечных элементов (МКЭ).

Научные положения, выносимые на защиту. Проводимая для уменьшения металлоемкости станины конусной дробилки оптимизация достигается:

— выполнением прочностного расчета корпусных деталей по усилиям дробления, которые возникают при срабатывании амортизационной системы;

— расположением и конфигурацией конструктивных элементов станины, определяемых величиной и характером нагрузок.

Научная новизна.

Создана математическая модель станины конусной дробилки с использованием метода конечных элементов, позволяющая исследовать напряженно-деформированное состояние объекта.

Составлена модель нагружения таких сложных деталей, как станины конусных дробилок.

Составлен алгоритм расчета напряженно — деформированного состояния корпусных деталей дробилок, который включает:

— разработанную методику подготовки данных для расчетов объектов в компьютерных средах инженерного анализа.

— разработанную методику исследования напряженно — деформированного состояния конструктивных элементов станины.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректностью постановки задачи, адекватностью математической модели нагружения реальным процессам нагружения конструктивных элементов корпусных деталей, сходимостью части результатов исследований с результатами проводимых ранее экспериментов (расхождение расчетных и опытных данных в сравниваемой области не превышает 2%). Вычислительная погрешность после 6 итераций в среднем составляет около 2%.

Практическая ценность. Использование результатов научных исследований диссертационной работы позволит снизить металлоемкость станины и дробилки в целом. Полученный алгоритм подготовки данных для проведения расчетов в компьютерных средах инженерного анализа доведен до возможности практического применения для любых корпусных деталей машин дробильно-размольного комплекса.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и отдельные ее разделы докладывались на международных и российских научных конференциях: «Компьютерные технологии в горном деле» (Екатеринбург, 1998), «Неделя горняка — 99» (Москва, 1999), «Механобр — 80» (Санкт-Петербург, 1999), Чтения памяти В. Р. Кубачека (Екатеринбург, 1999, 2002, 2004), «Математическое моделирование механических явлений» (Екатеринбург, 2004).

Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 9 печатных работах автора.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка из 103 наименований и 14 приложений. Содержит 119 страниц машинописного текста, 84 иллюстраций, 38 таблиц.

Выводы.

1. Проведенное тестовое испытание программного продукта показало высокую вычислительную точность выполняемых расчетов, так расхождения в величине средних напряжений в одном из сечений при статическом нагружении при аналитических расчетах «вручную» и методом КЭ на ЭВМ составило 0,003%.

2. Разработан алгоритм исследования напряженно-деформированного состояния корпусных деталей, примененный для исследования станины конусной дробилки КМД-2200.

3. Проанализированы карты напряжений и перемещений в неработающей и работающей дробилке при всех рассмотренных режимах работы. Для всех конструктивных элементов станины выявлены зоны повышенных напряжений. Отмеченные высокие уровни напряжений действительно могут привести к появлению нежелательных деформаций и со временем усталостных трещин, а позже и к разрушению конструкции, особенно при форсированных режимах работы.

4. На основе анализа напряженно-деформированного состояния выбраны объекты оптимизации. Выполнена структурная оптимизация: для двух типов ребер изменена конструкция, один из конструктивных элементов может быть удален без ущерба для конструкции станины. При выполнении параметрической оптимизации оказалось возможным уменьшить толщину некоторых составных частей станины. Проведенная оптимизация позволит снизить массу сварной станины на 9,8%.

5. Полученные расчетные данные сопоставлялись с результатами исследований на моделях корпусов дробилки КМД-2200. Расхождение в величине напряжений, измеренных в 3-х точках при эксперименте, и рассчитанных по математической модели в данной работе, не превышает 2%. Получено также подтверждение качественной картины распределения напряжений при сравнении с результатами натурных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Процесс внедрения компьютерного проектирования коснулся, прежде всего, оформления технической документации. Вопросам анализа различных параметров машин и конструкций пока не уделяется достаточного внимания. Подобный подход может неизбежно привести к принятию непросчитанных решений, особенно для деталей сложных конфигураций. Такое положение, кроме всего прочего, обусловлено отсутствием методик и примеров выполнения подобных расчетов, созданию и выполнению которых посвящена диссертационная работа.

1. При разработке методики расчета станины конусной дробилки была выполнена оценка программ инженерного анализа: ANSIS 5.5, NASTRAN, COSMOSXpress и АРМ WinMachine, предпочтение было отдано российскому продукту АРМ WinMachine.

2. Создан алгоритм расчета корпусных деталей в компьютерной среде инженерного анализа, включающий в себя пункты, выполняемые исследователями и ЭВМ.

3. Разработана методика создания геометрических моделей корпусных деталей дробилки с использование метода конечных элементов, которые для деталей такой сложной конфигурации пока создаются «вручную». Создана геометрическая модель станины конусной дробилки КМД-2200.

4. Разработана методика построения моделей нагружения корпусных деталей дробилок. На ее основе впервые создана модель нагружения станины конусной дробилки КМД-2200 для различных режимов ее работы.

5. Разработана методика исследования и анализа напряженно — деформированного состояния корпусных деталей дробилок.

6. Выполнены расчеты и исследования напряженно — деформированного состояния дробилки КМД-2200.

7. Проведена оптимизация станины дробилки КМД-2200 на основе анализа напряженно — деформированного состояния. Совершенствование конструкции станины на основе рекомендаций, приведенных в работе, даст возможность получить экономический эффект, который в денежном выражении (в ценах на 2004 год): на одну единицу техники составит 130 тыс. руб., при партии в 20 штук 2 млн. 600 тыс. руб.