Даненова Г.Т., Коккоз М.М., Токарев А.С. (магистрант гр.ВТМ-11-1)

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Исследование контактных напряжений в конструкции планетарной мельницы

Отечественное и мировое машиностроение испытывает большую потребность в эффективных механических приводах, обеспечивающих высокую нагрузочную способность и достаточный ресурс при их минимальной материалоемкости и низкой стоимости. Более полно этим условиям удовлетворяют планетарные передачи, обладающие также компактностью, малой массой, возможностью получения больших передаточных отношений в одной ступени и сравнительно высоким КПД.

Процесс измельчения материалов является одним из энергоемких. С этой точки зрения определенный интерес представляют планетарные мельницы, у которых усилие разрушения создается инерционными силами. В таких мельницах можно легко изменить не только величину усилия, но и частоту циклов воздействия.

В данной работе рассматривается моделирование конструкции планетарной мельницы периодического действия при взаимодействии помольных барабанов и внутренней поверхности кожуха. Моделирование начинаем с построения концептуальной модели. Построение модели выполняется с использованием программы ANSYS Workbench.

Анализ, который проводится с помощью программы ANSYS Workbench, состоит из трех стадий: препроцессорная подготовка, получение решения и постпроцессорная обработка. На стадии препроцессорной подготовки задаются необходимые для решения исходные данные. Пользователь выбирает координатные системы и типы конечных элементов, указывает упругие постоянные и физико-механические свойства материала, строит твердотельную модель и сетку конечных элементов, выполняет необходимые действия с узлами и элементами сетки, задает уравнения связи и ограничения. Можно также использовать модуль статистического учета для оценки ожидаемых размеров файлов и затрат ресурсов памяти.

В построенной модели имеются две контактные области: между кожухом и ободками барабана; между внутренней поверхностью барабана и упрощенной моделью мелющих тел.

Для того чтобы обозначить контактные области необходимо в структурной панели выбрать меню «Connections» и создать новый контакт. Далее ANSYS предложит выбрать контактные поверхности, выбираем внутреннюю поверхность кожуха типа «target» и поверхность ободков барабана типа «contact» (рис.1).

Рисунок 1 Контактные поверхности между барабаном и кожухом.

Следующий этап – обозначение нагрузок, действующих на модель. Центробежная сила направлена вдоль радиуса кожуха, перпендикулярно плоскости упрощенной модели мелющих тел.

По завершении расчетовANSYSWorkbench позволяет просмотреть распределение минимальных и максимальных напряжений по всем осям, и деформации в любой точке, как в кожухе, так и в помольных барабанах.

На рисунках 2 и 3 представлено распределение напряжений по оси Х на поверхности кожуха и барабана соответственно.

После окончания расчетов получили максимальные значения напряжений в зоне контакта 79МПа. Максимальное допускаемое напряжение, возникающее в области контакта, для стали равно 430 МПа. Значения, полученные в результате проведения эксперимента, не превышают значений допускаемых контактных напряжений, то есть выполняется условие прочности по контактным напряжениям, поэтому можно утверждать, что при заданных начальных условиях не будет наблюдаться разрушение и деформация кожуха планетарной мельницы и остается большой запас прочности.

Рисунок 2 Распределение напряжений на поверхности кожуха

\

Рисунок 3 – Распределение напряжений на поверхности барабана

При начальных условиях элементы планетарной мельницы не подвержены разрушению и имеют большой запас прочности. Поэтому для дальнейшего развития и модернизации планетарной мельницы, были проведены еще два эксперимента с большим значением силы, с которой барабан действует на внутреннюю поверхность кожуха. Было решено использовать еще два значения силы: 200000Н и 400000 Н.

При проведении эксперимента с центробежной силой равной 200000 Н, были получены следующее максимальное значение контактных напряжений: 205МПа. Данные значения не превышают максимальное допускаемое напряжение, следовательно, при увеличении силы в 2 раза в зоне контакта кожуха и барабана, не будет наблюдаться разрушение и деформация. Поскольку квадрат угловой скорости пропорционален силе, то можно сделать вывод, что при увеличении квадрата угловой скорости, с которой вращается барабан, в 2 раза, можно уменьшить время измельчения руды при этом детали мельницы не будут подвержены сильному износу.

При силе равной 400000Н, значения максимальных контактных напряжений следующие: 434МПа.Контактное напряжение, возникшее на поверхности барабана превышает допустимое значение напряжения, следовательно, барабан, при силе 400000Н будет подвержен разрушению.

Анализируя результаты исследований, были сделаны следующие выводы:

1. Исследование с помощью программного комплекса ANSYS Workbench позволяет наиболее точно определить значения контактных напряжений. Так как можно наблюдать не только максимальные и минимальные значения напряжений, но и напряжения по всей площади контакты, а также распространение напряжений внутри модели;

2. Значения прикладываемой нагрузки не должно превышать 400кН, то есть увеличение угловой скорости в 2 раза приведет к превышению допустимых напряжений;

3. Было выявлено, что частоту вращения барабана можно увеличить, приблизительно в 1,5 раза, при этом детали мельницы не будут подвержены разрушению, и уменьшится время необходимое для измельчения руды.

4. Разработанная методика может быть применима и для других параметров модели (толщина стенок кожуха и барабана, параметры стали, ширина и высота ободков барабана, значение нагрузки и другие).