Оптимизация конструкции помольной камеры вибрационной мельницы для тонкого измельчения отработанных катализаторов

© Н.Н. Сычёв, 2007

УДК 621.926.55 Н.Н. Сычёв

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ помольной КАМЕРЫ ВИБРАЦИОННОЙ МЕЛЬНИЦЫ ДЛЯ ТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ОТРАБОТАННЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ

Проектирование оптимальных конструкций является одной из важных составляющих в области авиастроения. За последние несколько десятилетий было разработано множество алгоритмов оптимизации, обладающих различной скоростью сходимости и точностью. Проектирование авиационных конструкций требует использование наиболее эффективных (обладающих высокой скоростью сходимости) алгоритмов оптимизации, так как задача оптимизации авиационной конструкции включает в себя огромное число проектных переменных и ограничений и, следовательно, накладывает высокие требования на производительность ЭВМ.

Широкое распространение в машиностроении получил программный комплекс МБС. НАБТЕДН. Наряду с расчетом конструкций МБС. ЫАБ-ТНДЫ может использоваться и для оптимизации проектов. Оптимизацию можно проводить для задач статики, устойчивости, установившихся и неус-тановившихся динамических переходных процессов, собственных частот и форм колебаний, акустики и аэроупругости. И все это делается одновременно, путем вариации параметров формы, размеров и свойств проекта. Благодаря своей эффективности алгоритмы оптимизации обрабатывают неограниченное число проектных параметров и ограничений.

Вес, напряжения, перемещения, собственные частоты и многие другие характеристики могут рассматриваться либо в качестве целевых функций проекта (в этом случае их можно минимизировать или максимизировать), либо в качестве ограничений. Алгоритмы анализа чувствительности позволяют исследовать влияние различных параметров на поведение целевой функции и управлять процессом поиска оптимального решения.

Целью данной работы было определение рациональной конструктивно-силовой схемы помольной камеры вибрационной мельницы. Для составления расчётной схемы вибромельницы был использован метод конечных элементов (МКЭ), который представляет собой наиболее распространенный приближенный метод в механике твердого тела и может быть интерпретирован с физической или математической точки зрения. В результате использования данного метода были установлены напряжения, возникающие по всему объёму помольной камеры и намечены пути снижения напряжений в местах их концентрации.

На рис. 1 показано распределение напряжений в оболочке камеры при толщине стенки 10 мм. Отметим достаточно низкий уровень интенсивности напряжений (не превышает 20 МПа) по всей поверхности камеры.

а)

Рис. 1. Напряжения в оболочке помольной камеры с уменьшенной толщиной стенки: а) - общий вид; б) - торцевое сечение

Значения толщины стенки взяты из опыта эксплуатации вибромельниц. При этом масса помольной камеры становится соизмерима с массой шаровой загрузки и на движение камеры тратится значительное количество «лишней» энергии. Вследствие этого была поставлена задача найти оптимальное значение толщины стенки помольной камеры, при котором обеспечивалась бы прочность конструкции и снижался её вес.

Сначала толщина неподкреплен-ной оболочки была уменьшена до 2 мм. Это привело к существенному

увеличению максимального напряжения (57 МПа), которое наблюдается в центральной части оболочки рис. 1. При этом хорошо заметна локальная деформативность (до 0.8 мм) в такой оболочке. Возникает вопрос, как с использованием минимального количества материала, максимально снизить напряжения в оболочке. Для этой цели представляется необходимым осуществить подкрепление оболочки вдоль образующей.

Проведены параметрические расчеты напряженного состояния вибромельницы при варьировании количества

а)

D\ MSC.Patran 12.0.044 07-Jan-06 19:05:02

Frirge:DEFAULT.SC1. A18:S1atic Subcase: Stress Tensor. -AtZ2 (VONM) DetornrDEFAULT.SCI, A18:Static Subcase: Displacements. Translational

11+000

2.20+00

2.00+00

6.00+0001

4.oo+oool

2.00+000I

default_Fringe:

Max 3.95+001 @Nd 65^1 Min 2.41+000 ©Nd 262 default_Deformation: Max 4.08+000 @Nd 1199

Рис. 2. Напряжения в подкрепленных оболочках помольной камеры. Расстояние между рёбрами жёсткости: а) - 33 мм; б)

100 мм; в) - 333 мм; г) - 500 мм.

ребер. Подкрепляющее ребро выполнено в виде стенки высотой 50 мм и толщиной 1.5 мм. На рис. 2 представлены результаты расчетов подкрепленных оболочек с шагом ребер 33 мм, 10 мм, и 333 мм и 500 мм Раскраска цветами соответствует напряженному состоянию. Максимальное напряжение также указано для

Рис. 3. Зависимости максимальной интенсивности напряжений от количества ребер жесткости: а) - в зависимости от напряжения; б) - в зависимости от массы

каждого варианта на рисунках. Стоит отметить, что во всех подкрепленных оболочках максимальное напряжение смещается к торцевым сечениям и слабо зависит от количества ребер подкрепления, за исключением случая, когда имеем очень частое подкрепление (шаг 33 мм).

В результате произведённых расчётов были найдены зависимости максимальной интенсивности напряжений от количества ребер жесткости, представленные на рис. 3. Из графиков видно, что одним из наиболее рациональных вариантов является вариант оболочки с шагом между ребрами жесткости -200 мм. Масса помольной камеры в этом варианте в 2.5 раза меньше, по сравнению с исходным вариантом с неподкрепленной оболочкой. Отметим также снижение напряжений в подкрепленной оболочке на 46 % по сравнению с неподкрепленной оболочкой с уменьшенной толщиной. При этом необходимо только незначительное увеличение (на 7 %) массы силового материала, затрачиваемого на рёбра жёсткости.

Итогом проведённых исследований явилось проведение оценки ре-

Stress Range

Life < Cycles)

Рис. 4. Оценка ресурса помольной камеры вибрационной мельницы

сурса помольной камеры вибромельницы. Необходимо отметить, что уменьшение напряжений при вибрационном воздействии на конструкцию значительно влияет на улучшение ее ресурсных характеристик. Считая, что рассмотренный режим работы вибромельницы является наиболее часто эксплуатируемым и высоконагруженным, можно оценить ресурс базового и рацио-

нального вариантов. На рис. 4 приведена кривая выносливости (в логарифмическом масштабе) для типовой стали. Здесь же представлены уровни изменения напряжения (двойная амплитуда) как для базовой, так и рациональной (жирной линией) конструкций. Как видно на оси абсцисс, в данном случае количество циклов до разрушения конструкции увеличивается в 4,5 раз.

— Коротко об авторах-----------------------------------------------------

Сычев Н.Н. - советник Министра образования Правительства Московской области.

-------------------------------------------------- РУКОПИСИ,

ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ

МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

1. Астахова ТВ. Исследование напряженно-деформируемого состояния рам карьерных автосамосвалов и повышение эффективности их эксплуатации (559/04-07 — 23.01.07) 12 с.

2. Иванов Д. А. Результаты изучения кольматации водоносных горизонтов (560/04-07 — 23.01.07) 20 с.

3. Склянов В. И. Теоретические и экспериментальные исследования по разработке технических средств для повышения эффективности процесса бурения скважин (561/04-07 -- 23.01.07) 10 с.

4. Шкваря Ё.В. Нефтегазовый комплекс арабских стран и его роль в развитии интеграционных процессов на субрегиональном уровне (562/04-07 — 29.01.07) 21 с.