Построение цифровой модели приводного барабана ленточного конвейера

CONSTRUCTION OF DIGITAL MODEL OF A DRIVE PULLEY BELT CONVEYOR

Системы автоматизированного проектирования (САПР) с каждым годом находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности. Применение САПР обеспечивает сокращение сроков создания и выпуска новых видов продукции и улучшение её качеств, снижает затраты на создание и эксплуатацию проектируемых изделий, повышает производительность труда проектировщиков, конструкторов и технологов.

С учетом изменения экономической ситуации в стране, вопросы снижения себестоимости производимого оборудования выходят на одно из первых мест. Наиболее эффективно применение САПР при решении задач, имеющих многовариантное решение, как, например, задач оптимизации конструктивных параметров сложных систем. При этом задачи обычно имеют несколько критериев оптимизации разной значимости. Использование САПР для решения таких задач позволяет выбрать наиболее оптимальный вариант решения.

К таким задачам относится и проектирование ленточных конвейеров. Необходимость проектирования ленточных конвейеров именно с использованием САПР обусловлена дефицитом материальных и других ресурсов. Это связано с большими объемами производства, со значительной стоимостью изготовления оборудования и, как следствие, необходимостью оптимизации его элементов, как для каждого отдельного случая, так и для отдельных серий.

Применение оптимизации при проектировании позволяет значительно снизить металлоемкость применяемого оборудования, использовать менее мощные, а, следовательно, и менее дорогие узлы и механизмы. При этом надежность и долговечность этих элементов не только не уменьшается, но и может увеличиться.

Из сказанного выше возникает необходимость создания САПР ленточных конвейеров в настоящее время.

Разработка САПР ленточного конвейера требует всесторонней проработки и анализа вопросов проектирования, расчета и конструирования конвейера. При этом необходима разработка новых методов расчета (с учетом возможностей и особенностей современной вычислительной техники) как всего конвейера в комплексе, так и отдельных его узлов и элементов.

Приводной барабан является одним из самых нагруженных и одним из ответственных узлов ленточного конвейера. На мощных длинных ленточных конвейерах нагрузки на барабан могут составлять сотни тысяч ньютонов. Нагружение элементов барабана носит сложный характер: нормальные нагрузки сочетаются с касательными, причем они не являются постоянными по углу обхвата и ширине ленты.

Метод точного расчета осуществить достаточно эффективно вручную невозможно, а приближенные методы приводят к необоснованному завышению коэффициентов запаса прочности. В результате конструкция барабана получается более металлоемкой, не увеличивая существенно её надежности и долговечности.

Детальный расчет позволяет проектировать отдельные элементы и узлы конвейеров, и конвейеры в целом, с более высокими техникоэкономическими показателями и затраты на выполнение дополнительного расчета представляют собой незначительную величину по сравнению с экономией, которая получается при создании и эксплуатации ленточных конвейеров.

Для анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов приводного барабана ленточного конвейера с помощью САПР была разработана цифровая модель приводного барабана. Цифровая модель создана в пакете прикладных программ ANSYS (продукт фирмы ANSYS Inc.).

Моделирование напряженно-деформированного состояния начинается с построения геометрической модели, которое можно произвести двумя способами:

• 1)    создание геометрической модели программными средствами комплекса ANSYS;

• 2)    создание геометрической модели в одной из CAD-систем с последующим экспортом модели в ANSYS.

Часть построений модели барабана ленточного конвейера была сделана в Mechanical Desktop (рис. 1), а часть непосредственно в программном комплексе ANSYS (рис. 2 – 5).

Построенная в Mechanical Desktop модель экспортируется в ANSYS и, уже там дорабатывается до конечного состояния.

Это можно было сделать и в САПРе, но в данном случае доработка осуществлена средствами пакета для моделирования.

Рис. 1. Создание геометрической модели в Mechanical Desktop

Рис. 2. Создание геометрической модели. Экспорт геометрической модели в ANSYS

Рис. 3. Создание геометрической модели. Разделение поверхностей линиями

Рис. 4. Создание геометрической модели. Построение поверхностей вращением

Рис. 5. Создание геометрической модели. Построение участков для наложения нагрузки (давления) от ленты

После завершения доработки геометрии модели, осуществляется следующий этап: задается тип элементов (рис. 6), который будет использоваться при разбивке модели, и, свойства используемого материала (рис. 7, модуль упругости стали, коэффициент Пуассона).

Рис. 6. Задание элементов

Рис. 7. Задание свойств материала

Затем переходим к построению сетки конечных элементов. На рис. 8 представлена модель приводного барабана ленточного конвейера после разбивки на конечные элементы.

Рис. 8. Сетка конечных элементов модели

При расчете долговечности обечайки приводного барабана необходимо располагать данными её напряженно-деформированного состояния. Это состояние определяется натяжениями в набегающей и сбегающей ветвях ленты и характером изменения натяжения по дуге обхвата. Так, при постоянном коэффициенте сцепления ленты с барабаном µ и полном использовании сил трения по углу обхвата имеем следующее соотношение (формула Л. Эйлера) [2]:

s. 6 = S c6 e^{i a} Н.               (1)

где, S нб ^, S сб – натяжения в набегающей и сбегающей ветвях ленты, Н;

^а об - угол обхвата,

или         Sa)=seXp)

где ^а - текущее значение угла а , изменяющееся от 0 до ^а об .

В соответствии с формулой (1) натяжение в ленте по дуге обхвата от S сб до ^S нб изменяется по экспоненте (рис. 9). Таким же образом по дуге обхвата меняется давление ленты на обечайку p ^{( а} ) .

Для получения картины деформации барабана ленточного конвейера разбиваем его по дуге обхвата на шесть равных участков (рис. 10). Задаем давления, приходящиеся на конкретный участок разбивки поперечного сечения барабана.

Рис. 9 Характер изменения натяжения

Рис. 10

и давления по дуге обхвата по Л. Эйлеру

Рис. 11. Картина деформации барабана ленточного конвейера

В процессоре ANSYS запускаем решение из меню Solution. Затем входим в режим просмотра результатов. Просмотр результатов осуществляется в постпроцессоре ANSYS. На рис. 11 показана картина деформации приводного барабана ленточного конвейера.

Среди задач, решение которых выполнено с использованием разработанной модели, является задача по оценке долговечности обечайки барабана и анализ влияния на неё различных конструктивных и силовых факторов.

Подробно описывается построение цифровой модели приводного барабана ленточного конвейера. Дана картина деформации барабана ленточного конвейера.

For the analysis of stress-strained state of the driving pulley of belt conveyor has been developed a digital model of the drive pulley. The digital model is created in the application package ANSYS (product from ANSYS Inc.).

Describes in detail the construction of a digital model of the drive pulley of belt conveyor. Given deformation pattern pulley conveyor belt.