автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Исследование напряженно-деформированного состояния станины конусной дробилки и совершенствование ее конструкции

На правах рукописи

САВИНОВА Наталья Владимировна

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СТАНИНЫ КОНУСНОЙ ДРОБИЛКИ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЕЕ КОНСТРУКЦИИ

Специальность 05.05.06- Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 2004

Работа выполнена на кафедре «Горные машины и комплексы» ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научные руководители:

доктор технических наук, доцент_

[Владилен Лндрианович Масленников | кандидат технических наук, доцент

Николай Максимович Суслов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Кожушко Герман Георгиевич

кандидат технических наук

Зарогатский Леонид Петрович

Ведущее предприятие - ООО Объединенные машиностроительные заводы «Горное оборудование и технологии»

Защита диссертации состоится 16 декабря 2004 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.03 при Уральском государственном горном университете в зале заседаний Ученого совета по адресу: г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного горного университета.

Автореферат разослан « К)» ноября 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета М.Л. Хазин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Общий ежегодный объем продукции мирового горнопромышленного комплекса в стоимостном выражении составляет 0,8 -1,4 триллиона долларов, из которых на долю России в среднем приходится 14%. Предприятия многих отраслей промышленности широко используют 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 меньшую площадь, проще в эксплуатации, имеют более низкий расход электроэнергии на единицу объема переработанной руды.

В процессе многолетнего проектирования созданы методики расчета камер дробления и основных деталей дробилок - дробящих конусов, эксцентрика, приводного вала. Вместе с тем, станина и другие корпусные детали, обеспечивающие всю безопасную работу дробилки, до сих пор не рассчитываются. И, хотя расчет и анализ этих деталей востребован практикой производства и дальнейшего технического прогресса, предлагающего новые материалы и технологии, их математической модели не было создано.

В настоящее время практикой обогатительных предприятий востребовано повышение производительности за счет форсирования режима дробления, при этом значительно изменяется характер нагружения деталей дробилок. Такие режимы работы могут привести к нежелательным деформациям с дальнейшим образованием трещин усталости на конструктивных элементах станины. Поэтому имеется необходимость оценить возможности такого форсирования, что требует проведения соответствующих расчетов. Методик для осуществления таких расчетов нет.

В себестоимости процесса обогащения около 60% составляют затраты на электроэнергию. До 80% от общих энергозатрат приходится на долю из-мельчительного передела. Решением проблемы снижения энергозатрат занималось большое число исследователей, а работ, связанных со снижением стоимости дробилки, практически не проводилось, тем не менее с финансовой стороны снижение стоимости самой дробилки является важной задачей. Значительная доля стоимости дробилки приходится на корпусные детали, ко-

торые являются весьма общая масса

в№пр|шер, БИБЛИОТЕКА !

Жу

СПе ОЭ

дробилки КМД-2200 - 90 тонн; масса станины - 21 тонна, что составляет 23% всей массы дробилки. Поэтому снижение массы таких деталей приведет к значительному экономическому эффекту.

Кроме стоимости металла стоимость и качество изделия зависят и от способа его изготовления. Корпусные детали могут быть изготовлены литьевым или сварным способом. Традиционным является литьевой способ. Использование сварного способа для изготовления станин, который широко распространен за рубежом и опробован на образцах отечественных дробилок, позволит снизить массу крупногабаритных деталей дробилок и улучшить качество их изготовления.

Объектом исследования являются корпусные детали конусных дробилок. Широкое распространение конусных дробилок, факты разрушения станин при форсированных режимах работы, применение новых методов изготовления корпусных деталей показывают возможность совершенствования дробилок за счет улучшения конструкций корпусов.

Предметом исследования является напряженно - деформированное состояние корпусных деталей сложной конфигурации, для проведения которого необходимо выполнение сложных расчетов. Для решения этих задач требуется разработка набора методик, позволяющих сформировать математическую модель объекта и произвести оптимизацию его конструктивных элементов.

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 оборудования; математическое 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 напряженного - деформированного состояния корпусных деталей дробилок, который включает в себя:

- 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 позволяет 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.

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Предпосылки к выполнению работы, обоснование ее актуальности изложены во введении. Там же изложены цели исследования.

В главе 1 рассматривались состояние вопроса и задачи исследования. Конусная дробилка занимает прочное место в технологических процессах обогащения руд во многих странах мира. В России производство таких дробилок начато в 1935 году Уральским заводом тяжелого машиностроения и продолжается до сих пор при постоянном усовершенствовании различных узлов аппарата по следующим основным направлениям:

- повышение надежности отдельных узлов и дробилки в целом;

- - улучшение системы загрузки и распределения питания по кольцевому сечению приемного отверстия;

- поиск рациональной области применения дробилок в технологическом процессе рудоподготовки;

- определение рациональных параметров камеры дробления;

-повышение срока службы быстроизнашивающихся деталей дробилки;

- исследование рабочего процесса дробления в конусных дробилках;

- разработка средств механизации и автоматизации обслуживания дробилок.

Усовершенствование дробилок в указанных направлениях выполнялось в различных научных и производственных коллективах: НИИтяжмаш Уралмашзавода, МЕХАНОБР (г. Санкт-Петербург), ВНИИстройдормаш, Вы-ксунский завод дробильно-размольного оборудования, Строймашина (г. Кострома), а также на ряде кафедр вузов: Университета дружбы народов им. П. Лумумбы, УПТА и др. В создании и развитии конусных дробилок значительный вклад внесли представители различных научных школ Д. И. Бере-нов, В. А Бауман, В. А. Олевский, Л. Б. Левенсон, В. Р. Кубачек, Ю. А Девяткин, Б. Д. Котельников, А. М. Осадчий, В. А. Масленников, Ю. А. Муй-земнек, В. В. И. Быков, Л. П. Зарогатский, 3. Б. Канторович, Б. В. Клушанцев,

А. К. Рундквист, Р. К. Рыжиков, В. С. Ушаков, С. Г. Толстое, Б. И. Сатов-ский, Г. А. Калюнов, С. А. Панкратов, В. И. Саитов, А. Д. Табарин и др.

Полученные по каждому из перечисленных направлений результаты исследований позволили оптимизировать поиски конструктивных решений дробилок, используемых для различных целей.

Что касается корпусных деталей, то их расчеты не выполнялись, натурные исследования напряженно-деформированного состояния почти не проводились. В научной печати опубликованных методик расчета параметров станины, опорного кольца, промежуточного кольца и т.д. не имеется.

Конусные дробилки являются важной составляющей основного технологического оборудования в рабочем процессе рудных и нерудных горных предприятий, особенно, если учесть, что в настоящее время общие объемы переработки сырья этих предприятий составляют сотни миллионов тонн в год.

Из всех деталей дробилки станина более всего определяет безаварийную работу аппарата. Но из перечисленных выше мероприятий по усовершенствованию работы машины станины касается только пункт, относящийся к повышению срока службы быстроизнашивающихся деталей дробилки, где, в основном, речь идет о бронях.

При модернизации схем дробления часто предлагаются схемы с форсированным процессом дробления, где большое место отведено новым дробилкам КСД-, КМД-2200 различных модификаций повышенной производительности. Форсирование процесса дробления резко сокращает долговечность и надежность работы конусных дробилок, а также в некоторых случаях приводит к разрушению станины - появлению трещин в ее обечайке.

Корпуса конусных дробилок - тяжелые крупногабаритные детали (при литьевом способе изготовления) или сборочные единицы (в сварном варианте) - имеют весьма сложный характер нагружения. Исследовать их напряженно-деформированное состояние на физических моделях не представляется возможным из-за большой стоимости, сложности выполнения адекватной модели и, следовательно, не гарантированности результата. И здесь хороший результат может дать исследование математических моделей. Математическое моделирование позволяет исследовать большее количество вариантов станины с разным числом ребер и с их разнообразной конфигурацией.

Расчет напряженно - деформированного состояния конструкции станины выполнялся методом конечных элементов, который является одним из

наиболее эффективных численных методов расчетов в машиностроении и имеет большие возможности для реализации в САПР. Он позволяет учитывать все нюансы геометрии конструкции и разнообразие нагрузок.

При анализе программ инженерного анализа ANSIS, NASTRAN, COSMOS, АПМ WinMachine и др. предпочтение было отдано российскому продукту АПМ WinMachine.

В главе 2 даны теоретические основы расчета станины конусной дробилки. Изображение конструктивной схемы конусной дробилки мелкого и среднего дробления с консольным валом и с точкой пересечения конусов (точкой гирации) выше камеры дробления приведено на рис.1. Ось подвижного конуса OZ[ отклонена от оси дробилки OZ на угол у, так как вал 1 подвижного конуса 2 свободно смонтирован в эксцентрично расположенное коническое отверстие втулки эксцентрика 3. На уровне разгрузочной щели оси конусов расположены с эксцентриситетом е. Точка пересечения осей является вершиной действительного кругового конуса, который описывает ось ОЪ\ относительно оси OZ при вращательном движении втулки 3.

Рис. 1. Схема конусной дробилки

Втулка, связанная с электродвигателем конической передачей, приводит в колебательное движение конус. В результате подвижный конус 1 поочередно приближается или удаляется от соответствующей образующей неподвижного конуса 4. При сближении конусов происходит деформация и разрушение кусков породы, при отходе - разгрузка дробленого материала. При этом подвижный конус поворачивается вокруг своей оси с различной угловой скоростью при постоянной угловой скорости вращения вала-эксцентрика (О^ Неподвижный конус расположен на фланце станины и связан с нею с помощью болтов амортизационной системы. Станина, рассматриваемая в работе, представлена на рис. 2.

14 17 11 1 2 15 13 12 16

Рис. 2. Сварной вариант станины:

1 - обечайка; 2 - фланец обечайки; 3 - подошва; 4 - утолщение подошвы; 5 - центральный патрубок; б - фланец центрального патрубка; 7 - боковой патрубок; 8 • фланец бокового патрубка; 9 - перемычка; 10 - ребро №10; 11 - чаша; 12 - бобышка; 13 - ребра №4; 14 - ребра №6; 15 - ребро №7; 16 - площадка; 17 ■ ребра №1; 18 - ребра №2; 19 -ребра №9; 20 - ребра №5; 21 - бобышка под фундаментные болты; 22 - корпус зубчатой передачи

С точки зрения теории упругости обечайка / (см. рис. 2) станины , как конструктивный элемент, представляет собой тонкую оболочку сопрягаемую с помощью ребер еще с тремя оболочками, которыми являются чаша 11, центральный 5 и боковой 7 патрубки. Кроме того, все оболочки по краям подкреплены кольцами, а также снаружи и внутри - ребрами с различной частотой установки по периметру.

В основе математической модели лежат системы уравнений, описывающие: равновесие, геометрические соотношения деформаций, совокупность внутренних усилий для каждой из оболочек. Путем преобразований такие системы сводятся к одному дифференциальному уравнению в частных производных восьмого порядка. Граничные условия содержат производные от искомых функций до третьего порядка включительно. Поэтому аналитическое решение этой задачи невозможно. Для приближенного расчета применяется метод конечных элементов, реализованный в программах инженерного анализа.

Для оценки конструкции используется критерий минимума массы:

где F - целевая функция; g¡( х}) -ограничения; [«з, - граничные условия.

При поиске оптимального технического решения возможно проведение вариантов структурной и параметрической оптимизации. Анализ известных вариантов изготовления станины позволяет сделать вывод, что оптимизация будет заключаться в выборе рациональной структуры станины и в определении наилучших параметров для принятой структуры.

Глава 3 посвящена созданию методики расчета корпусных деталей дробилок. Предлагаемый алгоритм (рис. 3) составлен на примере расчета станины конусной дробилки КМД-2200.

F=/('Jry^-»лшI

0}<Х}<Ь1 / = 1,т; ] = \,п

(1)

Дискретизация объекта на конечные элементы:

1. Анализ формы

2. Разбиение на первичные части

3. Определение шага дискретизации

4. Разбиение на конечные элементы, ввод данных _5. Проверка качества разбиения_

Выбор вариационного принципа

Выбор аппроксимирующих функций

Модель материала

1. Физические константы материала _2. Определение допускаемых напряжений_

Учет граничных условий (1) - Модель закрепления _ Ограничение степеней свободы

Вычисление матриц жесткостей конечных элементов и глобальной мат-_рицы конструкции_

Тестирование созданной модели

1. Расчет массы детали

2. Определение напряженно - деформированного состояния от собствен-_ной силы тяжести_

I

Учет граничных условий (2) - Модель нагруження: определение внешних усилий на элементы станины при различных условиях

1. Фланец обечайки

2. Чаша

3. Центральный патрубок

4. Боковой патрубок и др.

Расчет напряженно - деформированного состояния объекта

1. В неработающей дробилке (статическая задача)

2. В работающей дробилке с учетом динамических нагрузок

а) при рабочем режиме

б) при прохождении ведробимого тела

_3. При работе гидродомкратов_

Вывод результатов в графическом и табличном виде |

| Анализ результатов, диагностика точности

| Рекомендации I

Рис. 3. Алгоритм расчета напряженно - деформированного состояния корпусных деталей

Методика подготовки данных для расчетов корпусных деталей в компьютерных средах инженерного анализа разработана на примере расчета станины и включает в себя последовательное создание набора моделей.

На этапе построения модели формы было рассмотрено шесть вариантов конечно-элементных моделей с разным шагом дискретизации. Принятый для дальнейшей работы вариант (рис. 4) с равномерным шагом дискретизации 60 мм отличается от реального объекта по массе на 0,36 %.

Пжкготтыб КЭ (Slob)

1 III_I I I I_| t . Количество Ю * модой:

*),Д1. UiX 1э 47 |j 17. IS. jiji i4 SUb-13862. Solid - 504. Pod - 60

« 46 19.20

Рис. 4. Конечно-элементная модель станины: 13862 пластинчатых КЭ, 504 солид-элемента, 60 стержней (цифрами обозначена очередность ввода первичных областей)

Необходимыми константами для создания модели материала явились: модуль упругости, коэффициент Пуассона, плотность, предел текучести, коэффициент температурного расширения. В конструкции станины применяются стали с пределом текучести 235-320 МПа.

Для моделирования фиксации дробилки (модель закрепления) на узлы конечных элементов, формирующих утолщения подошвы, накладываются закрепления - неподвижная опора.

Модель нагружения создана для различных режимов работы дробилки. Для расчета напряженно - деформированного состояния в неработающей дробилке в граничные условия было включено следующее:

- сила тяжести всех деталей дробилки, устанавливаемых на станину, G;

- усилие предварительной затяжки пружин амортизационной системы^;

- усилия затяжки болтовых соединений Рт.

Перечисленные усилия в зависимости от места приложения могут быть представлены распределенной нагрузкой q по площади А или длине I конечных элементов, сосредоточенной силой Ръ узлах сечения станины:

Я-Г' I —' 9<ч>-~Г' (2)

Р - Я-' " "7'

где - количество узлов в сечении.

Дня работающей дробилки выполнен анализ с целью определения сечения, в котором возникают максимальные усилия дробления. Затем для конструктивных элементов станины (см. рис. 1), сопрягающихся с рабочими органами, осуществлено решение краевых задач.

Первой для работающей дробилки составлена модель нагружения, соответствующая рабочему режиму дробления. На фланец обечайки, воспринимающий через неподвижный конус усилие дробления, действуют верти-кальная^др! и горизонтальная составляющие Р^ху (см. рис. 1):

г(в,+РтУео$а

р =. ЛРяу

р =р ч

(3)

где - сила тяжести деталей дробилки, устанавливаемых на фланец;

/ - коэффициент трения/= 0,2.

Для наложения на модель горизонтальная составляющая раскладывается в ряд Фурье и в каждый узел прикладывается усилие, вычисляемое по зависимости

где - угловая координата узла;

Вертикальная составляющая моделируется распределенной нагрузкой по площади конечных элементов фланца.

Чаша станины наряду с составляющими усилия дробления воспринимает моменты Мц И Мг, создаваемые этими силами (рис. 5):

Центральный патрубок станины при работе испытывает значительные пульсирующие нагрузки, причем характер напряженно-деформированного состояния осложняется наличием термоупругой составляющей. Патрубок воспринимает через цилиндрическую втулку, эксцентрик

и коническую втулку горизонтальную реакцию наружной расточки эксцентрика (рис. 6)

Рт=К"=К,'-Рипр~Р*. (9)

где Дэ' - реакция внутренней расточки эксцентрика; Я," - реакция наружной расточки эксцентрика; Рт, Р» пр - инерционные силы вала-эксцентрика и противовеса;

F г + Р г -Я

П_ * ищЛпр тж «>*■ "э

Рис. б. Усилия, действующие на центральный патрубок станины

Ширина площадки контакта, через которую передается нагрузка, определяется по зависимости

4

и [А-О]

где / - длина контактной линии, равная высоте цилиндрической втулки; г„, Гц - радиусы вала - эксцентрика (наружный) и цилиндрической втулки;

См - параметр материалов контактирующих деталей, который находится по значениям их физических констант, МПа-1. Рассчитанная ширина соответствует ширине конечных элементов, моделирующих центральный патрубок станины.

Расчет усилий, действующих на боковой патрубок и вкладыш, выполняется по номинальному моменту приводного вала. Полученные усилия распределяются равномерно по узлам конечных элементов, формирующих опорные поверхности бокового патрубка и вкладыша станины.

Расчеты в программах инженерного анализа ведутся из допущения, что материал находится в упругой зоне, т.е. подчиняется закону Гука.

Граничные условия, соответствующие режиму прохождения недроби-мого тела, определялись в том же порядке, что и для рабочего режима, с учетом раскрытия стыка и максимального подъема верхней части дробилки. При этом величина усилия дробления увеличивается почти в два раза. Определение силовых факторов от привода велось по максимальному моменту с учетом динамических нагрузок.

При расчете напряженно-деформированного состояния станины в случае работы гидродомкратов в качестве граничных условий учитывается сила тяжести верхней части дробилки и находящегося в ней дробимого материала, как распределенная нагрузка по площади конечных элементов, моделирующих опорные площадки.

В главе 4 выполнено исследование напряженно - деформированного состояния станины и даны рекомендации по совершенствованию ее конструкции.

Разработанная методика исследования напряженно - деформированного состояния включает в себя следующие этапы:

1. Расчет массы станины и напряженно - деформированного состояния от собственной силы тяжести.

2. Расчет напряженно - деформированного состояния станины в неработающей дробилке. Наложение граничных условий на геометрическую модель по зависимостям (2).

3. Расчет напряженно - деформированного состояния станины в работающей дробилке.

3.1. Расчет напряженно - деформированного состояния при рабочем режиме. К граничным условиям п. 2 алгоритма добавляются дополнительные

граничные условия от величины усилия дробления, которая рассчитывается по величине предварительной затяжки пружин амортизационной системы и номинального крутящего момента двигателя по зависимостям (3) - (11). Данный вид расчета проводится для различных значений окружной координаты точки приложения усилия дробления:

- в плоскости внутренних ребер;

- плоскости наружных ребер;

- межреберном пространстве.

3.2. Расчет напряженно - деформированного состояния от нагрузок, возникающих при прохождении недробимого тела через камеру дробления. Граничные условия по п. 2 те же, за исключением равномерно распределенной нагрузки на фланец. Дополнительные граничные условия зависят от величины максимального усилия дробления, возникающего при срабатывании амортизационной системы, и максимального крутящего момента двигателя, определенного с учетом динамических нагрузок. Расчет проводится для различных значений окружной координаты <р точки приложения усилия дробления:

- в плоскости внутренних ребер;

- плоскости наружных ребер;

- межреберном пространстве.

4. Расчет напряженно - деформированного состояния станины при подъеме верхней части дробилки с помощью гидродомкратов.

Исследования напряженно - деформированного состояния станины

дробилки КМД-2200 в среде инженерного анализа АРМ 'МпМасЫпе проведены согласно разработанной методике. Выявлено влияние угловой координаты усилия дробления на величину действующих напряжений и перемещений объекта. Карты напряжений £ГЭ|ПИ (рис. 7) получены для значений <р =0^360° с шагом 12°±4° (всего 30 положений). Отклонение шага связано с наличием конструктивных элементов в рассматриваемой зоне.

В ходе исследований определены поля напряжений и перемещения для всех конструктивных элементов станины, составлены таблицы с результатами максимальных напряжений и перемещений для семи характерных положений усилия дробления, например, для обечайки данные приведены в табл. 1. Выявлены наиболее неблагоприятные по величине напряжений и перемещений, положения усилия дробления, соответствующие диапазонам угловых координат у = 0° -г 40°, 140° -г 220°, 320° 0°.

При этих условиях (см. рис. 7) в ряде соединений конструктивных элементов возникают зоны повышенных напряжений. Так, например, при сопряжении ребер №9 с обечайкой в верхней части ребер максимальные напряжения достигают 226 МПа, в нижней - до 280 МПа; с верхней частью чаши - 225 МПа, с дном чаши 150 МПа Величина максимальных напряжений в зоне соединения чаши с корпусом конической передачи и центральным патрубком находится в пределах до 240 МПа В области соединения обечайки с подошвой в непосредственной близости ребра №9 уровень напряжений повышается до 270 МПа В элементах конструкции величина максимальных напряжений составляет: в центральном патрубке - 178 МПа, на опорной поверхности чаши - 209 МПа Такой уровень напряжений может привести к появлению нежелательных деформаций и со временем усталостных трещин, а позже и к разрушению конструкции, что имело место при эксплуатации дробилок, особенно при форсированных режимах работы.

Рис. 7. Карта напряжений станины дробилки КМД-2200 (режим прохождения недробимого тела, угловая координата усилия дробления р=174°)

Таблица 1

Величина эквивалентных напряжений и перемещений в зонах обечайки

Место соединения с обечайкой Номера точек Угловая координата точки приложения Рдр <р, град

0 24 90 144 174 240 308

Ребра №9 1 1 166,2 143,7 ^ 172,1 66,9 170,2

2 106,2 141,3 191,3 114,9 84,0

3 62,0 64,4 100,5 133,8 197,8 119,4 67,4

4 166,0 82,3 88,6 168,5 т 138,8 Ш

5 'ШШ т 121,6 92,7 127,0 131,5 162,8

Ребра №1 6 107,2 103,0 99,3 82,2 78,5 82,7 105,8

Ребра №4 7 27,3 23,8 23,2 24,8 25,7 37,8 37,9

Ребра №1 8 83,9 86,2 73,7 70,4 67,4 64,2 74,5

9 67,9 72,9 82,8 75,4 71,6 56,9 58,0

10 72,1 79,2 90,3 81,0 74,6 54,0 57,3

11 72,7 76,7 90,8 95,0 85,6 65,1 66,5

12 69,8 73,6 85,2 90,9 90,6 82,4 72,2

Ребра №4 13 43,0 40,5 45,3 39,6 45,1 42,2 40,6

Ребра №1 14 56,3 54,2 77,6 93,4 102,1 77,7 55,8

Ребра № 4 15 36,5 33,5 44,6 43,6 40,1 34,3 37,4

Ребра №1 16 68,3 68,6 77,6 94,1 96,0 92,1 76,7

17 73,7 69,3 63,7 71,5 82,2 94,1 88,5

18 73,5 66,0 50,6 65,2 73,4 90 85,5

19 68,4 64,1 53,4 66,0 72,16 82,9 77,8

20 84,0 79,4 65,5 65,9 68,9 82,5 86,8

Ребра № 4 21 34,5 31,4 41,1 32,8 26,3 24,3 19,7

Точки подошвы в местах утолщения 22 106,1 70,6 54,5 71,5 84,1 99,4 107,2

23 ии щш Ж т т ¡уш&щакг, К т 128,4

24 175,3 93,7 176,2 293,8 271,1 94,3 269,3

25 52,2 22,1 43,1 61,9 72,5 53,5 55,9

26 31,4 56,2 ИТ 39,1 48,8 57,8 62,8 26,7

27 Ж Я т 104,9

28 Ко ЯК 163,2 т Ш 156,0 174,4

29 133,5 107,6 108,6 86,0 85,1 63,8 63,0

к, пш, ММ 1,083 1,083 0,991 0,724 0,519 0,630 0,571

Оптимизация конструкции станины. Анализ напряженно - деформированного состояния показал, что имеются элементы, в которых напряжения для такого тяжелого режима работы (близкого к аварийному) невелики: в ребрах №1 - 115 МПа, в ребрах №2 - 45 МПа, в ребрах №4 - 114 МПа, в боковом патрубоке - 140 МПа, перемычке - ПО МПа, что свидетельствует о возможности оптимизации конструкции станины.

Совершенствовать конструкцию в соответствии с принятым критерием минимизации массы (1) можно только за счет нескольких конструктивных элементов. Масса станины для расчетов оптимизации может быть представлена следующим соотношением:

т = т»+рТ.АА> (12)

1=1

где тп - масса части станины, не подвергающейся изменениям; А1 - площадь элемента, изменяющаяся при оптимизации;

- изменяемая толщина элемента;

- общее количество элементов с изменяемыми параметрами.

В качестве переменной структурной оптимизации выступает форма некоторых ребер станины. Такие изменения касаются ребер б И 2. Принятая форма ребер приведена на рис. 8.

б

в

Рис. 8. Изменение конструкции ребер №6 (а), стенки ребра №6 (б) и ребра №2 (в)

После принятия решения о форме ребер переменной параметрической оптимизации становится толщина ребер.

Так как анализировать дифференциальные уравнения с целью определения оптимума не представляется возможным, поиск оптимального варианта выполняется с помощью метода одномерной поисковой оптимизации прямого перебора. С этой целью для ребер, подвергающихся изменениям, получены расчетные зависимости и построены графики зависимости величины

напряжений и перемещений от принятого шага переменной толщины ребра. Значение шага переменной определено на основании стандарта на листовую прокатную сталь (для примера приведен график зависимости для ребра №4, рис. 9).

Результаты оптимизации, позволяющие снизить массу станины на 10%, приведены в табл. 2. Такое снижение массы приведет к значительному экономическому эффекту, 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.

500

450

400

я К 350

300

250

К & 200

я Я 150

100

50

0

V

\ 5

, / 1

1

/

4

1

20 40 60 80 Толщина А, мм

100

1.55 1.45 1.35 1.25 1.15 1.05 0.95

I

1 и о.

0.85 С

0.75 0.65 0.55

Рис. 9. Зависимость напряжений и перемещений в ребре № 4: 1 • допускаемое напряжение; 2 - максимальные эквивалентные напряжения в ребре №4; 3- максимальные эквивалентные напряжения в станине; 4 - максимальные перемещения в ребре №4; 5 - максимальные перемещения в станине

Таблица 2

Результаты оптимизации

Виды и конструктивные элементы Базовые параметры Результаты оптимизации

Структурная оптимизация Площадь А, мм2 Площадь Л, мм2

Ребро №6 385540x5 252880x5

Стенка ребра №6 (7) 23250x6 19750x6

Лист ребра №6 95400x5 0

Ребро №2 34200x6 24750x6

Параметрическая оптимизация Толщина А, мм Толщина А, мм

Ребро №6 (7) 40 30

Стенка ребра №6 (7) 20 10

Площадка 50 40

Ребро №1 4 20

Ребро №2 40 20

Ребро №4 40 28

Дно 50 40

Перемычка 60 40

Боковой патрубок 36 28

Фланец бокового патрубка 80 60

Подошва 60 45

Утолщение подошвы 20 35

Проверка адекватности разработанных моделей и методик. При

решении данной задачи теоретические оценки погрешности неприемлемы для практического использования вследствие их громоздкости. Поэтому для оценки погрешности выполненных расчетов приходится полагаться на опыт предшествующего решения задач и сравнения с результатами немногочисленных экспериментов.

Достаточность дискретизации оценивалась приближением к массе реальной конструкции при последовательном уменьшении размеров конечных элементов. В принятом к расчету варианте масса геометрической модели отличается от реального объекта по массе на 0,36 %.

Оценка точности статических расчетов выполнена с помощью определения напряжений в одном из сечений неработающей дробилки «вручную» и в среде инженерного анализа. Расхождения по величине напряжений составило не более 0,003%. Сравнение данных расчетов с результатами выполненных ранее экспериментальных исследований корпусов дробилок показывает расхождение, не превышающее 2%.

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.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях автора:

1. Савинова Н.В. Применение МКЭ для расчета корпусных деталей дробилок // Совершенствование методов проектирования горных машин, нефтегазопромыслового и дробильно-размольного оборудования: Сб. науч. тр. -Екатеринбург, 1997.-С. 124-130.

2. Савинова Н.В. Алгоритм прочностного расчета корпусных деталей конусных дробилок // Компьютерные технологии в горном деле: Тез. докл. Ш науч.-практ. конф. -Екатеринбург: УГГГА, 1998.- С. 55-56.

3. Савинова Н.В. Расчет на прочность сварных станин конусных дробилок (КСД, КМД) // Горный информационно-аналитический бюллетень «Неделя горняка-1999». -1999. - №8. - С. 174-175.

4. Савинова Н.В. Обоснование выбора метода расчета корпусов конусных дробилок // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: Тез. докл. науч.-техн. конф. «Чтения памяти В. Р. Ку-бачека». - Екатеринбург: УГГГА, 1999. - С. 23-25.

5. Савинова Н.В. Выбор критериев оптимизации при проектировании корпусов дробилок // Обогащение руд. - 2000. - №1. - С. 16-17

6. Савинова Н.В. Модели корпусов конусных дробилок // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Сб.

докл. межд. науч.-техн. конф. «Чтения памяти В.Р. Кубачека». - Екатеринбург: УГГГА, 2002. - С. 111-115.

7. Савинова Н.В. Создание моделей к расчету станин конусных дробилок // Горные машины и автоматика. - 2003. - №6. - С. 21 -24

8. Савинова Н.В. Геометрическая модель станины конусной дробилки для расчетов в программах инженерного анализа // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: Сб. докл. П межд. науч.-техн. конф. «Чтения памяти В.Р. Кубачека». - Екатеринбург: УГГГА, 2004.-С. 136-140.

9. Савинова НВ. Разработка геометрической модели станины конусной дробилки для исследования напряженного состояния в программах инженерного анализа // Математическое моделирование механических явлений: Материалы Всерос. науч.-техн. конф. 28-29 мая 2004 г. - Екатеринбург, 2004. - С. 73-75.

Подписано в печать Печать на ризографе. Бумага писчая. Формат 60x84 1/16. Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 200

Издательство VI ГУ

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30

121871

РНБ Русский фонд

2005-4 20679

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. О создании и совершенствовании конусных дробилок.

1.2. Устройство конусной дробилки.

1.3. Причины выхода из строя корпусных деталей.

1.4. Экспериментальное исследование напряженно - деформированного состояния корпуса дробилки.

1.5. Обзор методик расчета параметров корпусных деталей дробилок.

Выводы.

Ь 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ ДРОБИЛОК.

2.1. Описание конструкции станины.

2.2. Постановка задачи оптимизации конструкции станины

2.3. Теоретические основы расчета станины.

2.4. Основные конечные элементы расчетной модели.

Выводы.

3. СОЗДАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ КОНУСНЫХ ДРОБИЛОК.

3.1. Модель формы.

3.2. Модель материала.

3.3. Модель закрепления.

3.4. Модель нагружения.

3.4.1. Оценка адекватности геометрической модели.

3.4.2. Определение внешних усилий на элементы станины в неработающей дробилке.

3.4.3. Расчетные схемы вариантов эксплуатации конусных дробилок.

3.4.4. Определение внешних усилий на элементы станины в работающей дробилке.

3.4.4.1.Определение максимального усилия дробления при срабатывании амортизационной системы.

3.4.4.20пределение максимальных усилий в элементах станины с учетом динамических нагрузок.

3.4.4.3.Определение внешних усилий на чашу станины.

3.4.4.4.Определение внешних усилий на фланец обечайки станины.

3.4.4.5.Определение внешних усилий на центральный патрубок станины. у. 3.4.4.6.Определение внешних усилий на боковой патрубок станины

3.4.5. Определение внешних усилий при работе гидродомкратов.

3.5. Алгоритм расчета корпусных деталей дробилок.

Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СТАНИНЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ЕЕ КОНСТРУКЦИИ.

4.1. Тестовое испытание программного продукта.

4.2. Алгоритм исследования напряженно - деформированного состояния конструктивных элементов станины.

4.3. Исследование напряженно-деформированного состояния станины.

4.4. Влияние температурного поля эксцентрикового узла на напряженно-деформированное состояние станины.

4.5. Оптимизация конструкции станины.

4.6. Диагностика точности.

Выводы.

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 тонн; масса станины - 21 тонну, это - 23 % всей массы дробилки; общая 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 оборудования; математическое 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.

1. Масленников В. А. Математические модели технических систем «Камера дробилки КМД», «Рабочий процесс дробилки КМД» // Изв. Уральского горного института. Серия: горная электромеханика. Екатеринбург: 1993.- Вып.4.-С. 9 - 49.

2. Reducing the cost of comminution // Mining Magazine, February. -1998.-P. 112.

3. Беренов Д.И. Дробильное оборудование обогатительных и дробильных фабрик. Свердловск: Гос. научно-техн. издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1958. - 295 с.

4. Донченко A.C., Донченко В.А. Эксплуатация и ремонт дробильного оборудования. М.: Недра, 1972. - 320 с.

5. Раков Е.Ф. Исследование причин разрушения основных узлов конусных дробилок и повышение их долговечности // Горный журнал. -1979 № 2. С. 45 - 48.

6. Nordberg Cone Crushers // Каталог продукции фирмы Nordberg.2000. -16 с.

7. Конусные дробилки Kubria фирмы Krupp // Горная промышленность.- 1998 № 1.-С. 3 -4.

8. Конусные дробилки УЗТМ // Каталог продукции ОАО «Уралмаш»2001.-27 с.

9. PAT. 1537564 USA, INT. CL. B02C. CONE CRUSHER / E.B. SYM-SONS (USA).-12.05.25.

10. PAT. 2996281 USA, INT CL. B02C. METHOD FOR FEEDING GYRATORY CRUSHERS / O.C. GRUENDER (USA).- 22.09.42; OG: 350888.

11. Таггарт А.Ф. Основы обогащения руд. Перев. с англ. М.: Метал-лургиздат, 1958 г. - 566 с.

12. Рундквист А.К. Общая форма законов дробления // Обогащение руд.- 1956. -№2.-С. 11-14.

13. Кроль И.М., Круппа П.И. Работы в области создания новых и модернизации выпускаемых дробилок // Совершенствование и развитие процесса подготовки руд к обогащению: Сб. науч. тр. / Механобр. JL, 1975. Вып. 140. С. 38-41.

14. Ушаков B.C. К вопросу о расчете и проектировании дробящего пространства конусных дробилок среднего и мелкого дробления// Вопросы исследования и проектирования машин и оборудования: Сб. трудов/ УДН им. П. Лумумбы. М., 1977. - С. 128 - 129.

15. Егоров М.В., Болдов Ю.В. Задачи форсирования режимов работы дробилок типов КСД и КМД // IX научно-техническая конференция инж. факультета УДН им. П. Лумумбы. Тез. докл. М., 1974. - С. 75 - 78.

16. Корниенко Я.П., Бессонникова Н.В. Пути снижения крупности дробленого продукта в крупноразмерных конусных дробилках // Обогащение руд. 1979.-№5. - С. 23 - 28.

17. TumueecKuii Е.М., Русихин В.И. Повышение эксплуатационной надежности конусных дробилок на горно-обогатительных комбинатах. М.: Недра, - 1978. - 173 с.

18. Табарин А.Д. Исследование механики конусной дробилки с тремя степенями свободы дробящего конуса: Дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. Свердловск, 1987. 185 с.

19. Мушемнек Ю.А. Новые конструкции зарубежных конусных дробилок. // Производство крупных машин «Экскаваторы и дробилки»: Сб. ст. / НИИТЯЖМАШ, Уралмашзавод. М.: Машиностроение, 1969. - Вып. XIX. С. 103 - 120.

20. Вибрационная дезинтеграция твердых материалов /В.И. Ревнивцев, Г.А. Денисов, Л.П. Зарогатский, В.Я. Туркин. М.: Недра, 1992, - 430 с.

21. Быков В.И., Пинчук JT.B., Зверховский Я.Я. Эксплуатация и ремонт оборудования дробильных фабрик. М.: Недра, 1973. 240 с.

22. Червяков С. А., Мушемнек Ю.А., Мушемнек AJO. Предпосылки для конусных дробилок нового поколения // Изв. вузов. Горный журнал. -1997.-№1-2.-С. 118-121.

23. Червяков С.А., Мушемнек Ю.А. Повышение технического уровня эксплуатации конусных дробилок среднего и мелкого дробления. // Изв. вузов. Горный журнал. -1996. № 12. С. 112 - 117.

24. Определение оптимальных условий поджатая узлов амортизации в конусных дробилках мелкого дробления / В.Н. Потураев, A.A. Тарасенко,

25. Г.П. Хабло и др.// Динамика и прочность горных машин,- Киев: Наукова I думка, 1974.-С. 177- 183.

26. Ушаков B.C. Определение зоны подпрессовки в конусных дробилках мелкого дробления // Строительные и дорожные машины. 1975.- №2. -С. 24 - 26.

27. Влияние виброзащиты фундаментов на динамическую нагружен-ность корпусных деталей конусных дробилок / В.М. Лобода, О.С. Харченко, A.A. Вишняк и др. // Надежность и ремонтопригодность металлургического оборудования. М, 1984.- С. 69 - 73.

28. Свирин В.Г. Эффективность внедрения дробилок с высокой степенью сокращения // Цветные металлы. 1976. №7. - С. 80 - 81.

29. Масленников В.А. Математические модели технических систем «Камера дробилки КМД», «Рабочий процесс дробилки КМД» / Изв. Уральf ской гос. горно-геологической академии. Серия: Горная электромеханика. 1997.-Вып.б.-С. 33-47.

30. Олевский В.И. Конструкция, расчет и эксплуатация дробилок. М.: Металлургиздат, 1958.-459 с.

31. Андреев С.Е., Зверевич В.В., Петров В.А. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. -М.: Недра, 1966 г. 395 с.

32. Левенсон Л.Б., Цигельный П.М. Дробильно-сортировочные машины и установки для переработки каменных метериалов М.: Государственное издательство по строительству и архитектуре, 1952.-423 с.

33. Донченко A.C., Донченко В.А. Справочник механика рудообогати-тельной фабрики. -2-е изд. М.: Недра, 1986. - 543 с.

34. Справочник по обогащению руд. Подготовительные процессы. 2-V - е изд. -М.: Недра, 1982. - 366 с.

35. Конусные дробилки / Ю.А. Муйземнек, Г.А. Калюнов, Е.В. Кочетов, Б.В. Ольховиков, С.Г. Толстов. М.: Машиностроение, 1970. - 231 с.

36. Серго Е.Е. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра, 1985. 285 с.

37. Клушанцев Б.В., Косарев А.И., Муйземнек Ю.А. Дробилки. Конструкции, расчет, особенности эксплуатации М.: Машиностроение, 1990. -320 с.

38. Бауман В.А., Клушанцев Б.В., Мартынов В.Д. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций: Учебник для строительных вузов. М.: Машиностроение, 1981. - 324 с.

39. Влияние износа футеровок дробилок КМД-2200 и КМДТ-2200 на технологические показатели их работы / И.М. Костин, Я.П. Корниенко, Н.В. Бессонникова и др. // Обогащение руд. -1974. №5. С. 20 - 25.

40. Титиевский Е.М., Солод Г.И., Русихин В.И. Исследование износа броней конусных дробилок // Горный журнал. 1975. №2. - С. 45 - 48.

41. Зимокос Г.Н., Муйземнек Ю.А., Четвериков В.А. О повышении эффективности использования конусных дробилок среднего и мелкого дробления // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1977. №3. С. 44 - 45.

42. Влияние профиля дробящего пространства конусных дробилок на эффективность дробления и износостойкость броней / A.M. Шестаков, В.А. Джур, В.И. Кляцкий и др. // Изв. Вузов. Горный журнал. 1980. №3. - С.111 -115.

43. Орлов П.И. Основы конструирования. М.: Машиностроение, 1972. Кн.2. 525 с.

44. Моделирование корпусных деталей конусных дробилок / Ю.А. Муйземнек, В.И. Мазо, В.А. Оленева, A.JI. Грабовский // Производство крупных машин «Экскаваторы и дробилки»: Сб. ст. / НИИТЯЖМАШ, Урал-машзавод. М.: Машиностроение, 1969. - Вып. XIX. С. 86 - 91.

45. Муземнек Ю. А. Усилия и нагрузки в конусных гирационных дробилках. М.: Машиностроение, 1964. - 152с.

46. Муйземнек Ю.А. Исследование конусных дробилок. // Производство крупных машин «Экскаваторы и дробилки»: Сб. ст. / НИИТЯЖМАШ, Уралмашзавод. М.: Машиностроение, 1966. - Вып. XII. С. 188 - 227с.

47. Муйземнек Ю.А., Мазо В.И., Меерсон М.И. Жесткость и напряженное состояние корпусов конусных дробилок // Производство крупных машин «Экскаваторы и дробилки»: Сб. ст. / НИИТЯЖМАШ, Уралмашзавод. М.: Машиностроение, 1966. - Вып. XII. С. 228 - 244.

48. Кудряшова О.Г. Оптимизация конструкции промежуточного кольца дробилки КМД-3000Т // Исследование обогатительного и металлургического оборудования. Сб. научн. тр. / Под ред. В.А. Голошейкина. Свердловск, 1989.-С. 88- 101.

49. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / В.И. Мяченков, В.П. Мальцев, В.П. Мойборода и др.; Под общ. ред. В.И. Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. - 520 с.

50. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 428с.

51. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ.-М.: Мир, 1986.-318 с.

52. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред: Пер. с англ. М.: Недра, 1974. 240 с.

53. Шелофаст В.В. Основы проектирования машин. М.: Издательство АПМ, 2000. 367 с.

54. Масленников A.M. Расчет строительных конструкций численными методами: Учебное пособие. JL: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1987. - 224 с.

55. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы: Учеб. Пособие. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 600 с.

56. Стренг Г. Линейная алгебра и ее применения: Пер. с англ. М.: Мир, 1980 - 454 с.

57. Амосов В.Б., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высшая школа, 1994. - 544 с.

58. Розин JI.A. Метод конечных элементов в применении к упругим системам.- М.: Стройиздат, 1977. 129 с.

59. Розин Л.А. Метод конечных элементов. // Сорос, образ, ж. -2000. -Т.6, №.4. С. 120 - 127.

60. Математика и САПР: Кн.1. Пер. с франц. / П. Шенен, М. Коснар, И. Гардан и др. М.: Мир, 1989. - 204 с.

61. Математика и САПР: Кн.2. Пер. с франц. / П. Жермен-Лакур, П.Л. Жорж, Ф. Пистр, П. Безье. - М.: Мир, 1989. - 264 с.

62. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций: Учебное пособие для технических вузов / P.A. Хечумов, X Кеплер, В.И. Про-копьев / под общ. ред. P.A. Хечумова. М.: Издательство ассоциации строительных вузов, 1994. - 353 с.

63. Комплексная автоматизация процессов проектирования АРМ WinMachine. М.: Изд-во АПМ, 2004. - 64 с.

64. Замрий A.A. Проектирование и расчет методом конечных элементов трехмерных конструкций в среде АРМ Structure3D. М.: Издательство АПМ, 2004. - 208 с.

65. Соловьев Е., Плотников В., Пенкин А. Проектирование и расчет рамных конструкций мототранспортных средств с применением комплекса программ АРМ WinMachine // САПР и графика. 2003. №11. - С. 32 - 44.

66. Прокопов В. А., Шелофаст В. В. Оптимальное проектирование строительных объектов в модуле АРМ Structure3D в режиме расчета и проектирования ферменных конструкций // САПР и графика. 2003. №8. 25-31.

67. Прокопов В. А., Шелофаст В. В. Новые возмодности АРМ ЗипсШгеЗО. // САПР и графика. 2003. №3. - С. 52 - 58.

68. Агапиев А.П. Опыт создания оригинальных строительных конструкций в среде АРМ ЗтгсШгеЗО // САПР и графика. 2003. №2. - С. 41 - 45.

69. Трофимов А., Ефремов ИВалуева Е. Практический опыт использования системы АРМ \VinMachine при проектировании несущих металлоконструкций в машиностроении и строительстве // САПР и графика. 2002 №11.-С. 18-26.

70. Шелофаст В. В. АРМ \VinStructure3D совершенный механизм строительного проектирования // САПР и графика. - 2001. №8. - С. 40 - 43.

71. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учебное пособие. М.: Машиностроение, 1988. - 368 с.

72. Егер С.М., Лисейцев Н.К., Самойлович О.С. Основы автоматизированного проектирования самолетов. -М.: Машиностроение, 1986. 232 с.

73. Савинова Н.В. Выбор критериев оптимизации при проектировании корпусов дробилок// Обогащение руд. 2000. №1.-С. 16-17.

74. Прочность. Устойчивость. Колебания: Справочник в трех томах. Том 1. / Под общей ред. А.И. Биргера и Я.Г. Пановко. М.: Машиностроение, 1968-831 с.

75. Прочность. Устойчивость. Колебания: Справочник в трех томах. Том 2. / Под общей ред. А.И. Биргера и Я.Г. Пановко. М.: Машиностроение, 1968-463 с.

76. Прочность. Устойчивость. Колебания: Справочник в трех томах. Том 3. / Под общей ред. А.И. Биргера и Я.Г. Пановко. М.: Машиностроение, 1968 -567 с.

77. Бояршинов С.В. Основы строительной механики машин. М.: Машиностроение, 1973. - 456 с.

78. Биргер И.А. Стержни, пластинки, оболочки. М.: Физматлит, 1992. - 392 с.

79. Колтунов М.А., Васильев Ю.Н., Черных В. А. Упругость и проч-I ность цилиндрических тел: Учеб. Пособие. М.: Высшая школа, 1975. 526 с.

80. Цилиндрические оболочки, ослабленные отверстиями / А.Н Гузь, И.С. Чернышенко, В.Н. Чехов и др. М.: Наукова думка, 1974. - 272 с.

81. Савинова Н.В. Применение МКЭ для расчета корпусных деталей дробилок // Совершенствование методов проектирования горных машин, нефтегазопромыслового и дробильно-размольного оборудования / Сб. науч. тр. Екатеринбург, 1997. - С. 124 - 130.

82. Савинова Н.В. Алгоритм прочностного расчета корпусных деталей конусных дробилок // Компьютерные технологии в горном деле. Тез. докл. III науч.-практ. конф. Екатеринбург: УГГТА, 1998.- С. 55 - 56.

83. Савинова Н.В. Расчет на прочность сварных станин конусных дробилок (КСД, КМД) // Горный информационно-аналитический бюллетень «Неделя горняка 1999». - 1999. №8. - С. 174 - 175.

84. Савинова Н.В. Обоснование выбора метода расчета корпусов конусных дробилок // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Тез. докл. науч.-тех. конф. «Чтения памяти В.Р. Куба-чека». Екатеринбург: УГГГА, 1999. - С. 23 - 25.

85. Савинова Н.В. Моделирование корпусов конусных дробилок // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Сб. докл. межд. науч.-тех. конф. «Чтения памяти В.Р. Кубачека». Екатеринбург: УГГГА, 2002. - С. 111 -115.

86. Савинова Н.В. Создание моделей к расчету станин конусных дробилок // Горные машины и автоматика. 2003 №6. - С. 21 - 24

87. Руднев В.Д. Конусные дробилки среднего и мелкого дробления. -Томск: Издательство Томского университета, 1988. 117 с.

88. Осадчий A.M., Быков Ю.Д. Расчет нагрузок эксцентрикового узла конусных дробилок // Производство крупных машин «Экскаваторы и дробилки»: Сб. ст. / НИИТЯЖМАШ, Уралмашзавод. М.: Машиностроение, 1969. - Вып. XIX. - С. 92 - 102.

89. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / В.И. Мяченков, В.П. Мальцев, В.П. Майборода и др.; Под общ. Ред. В.И. Мяченкова. -М.: Машиностроение, 1989.-520 с.

90. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1995. -416 с.

91. Яблонский A.A. Курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1984.-Ч. 1 -2. 367с., 423 с.

92. ЮО.Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики. СПб.: Лань, 1998. - 736 с.

93. Толстое Г.П. Ряды Фурье. 3-е изд. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. - 384 с.

94. Теория механизмов и механик машин: Учеб. Для втузов /К.В. Фролов. С.А. Попов, А.К. Мусатов и др.; под. Ред. К.В. Фролова. 3-е изд., стер. - М.: Высш. Шк., 2001. - 496 с.

95. Клушшщев Б.В., Яисоп JT.A., Болотин М.А. Уравновешивание конусных дробилок среднего и мелкого дробления // Тр. ин-та / ВНИИСТРОЙ-ДОРМАШ. 1973. -вып. 61. - С.60-63.