Институт механики и энергетики, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет
им. Н.П. Огарёва»
Моделирование условий эксплуатации мешалок резервуаров и емкостей технологического назначения средствами системы SolidWorks
Борисов Виталий Иванович
кандидат технических наук, доцент, кафедра
механизации переработки сельскохозяйственной продукции
Зайцев Владислав Олегович, студент
Аннотация
В статье описывается процесс поэтапного расчета и обоснования конструктивно-геометрических характеристик мешалки лопастного типа, применяемой в резервуарах и емкостях технологического назначения в условиях ее эксплуатации. Расчет осуществлялся моделированием в системе инженерного анализа SolidWorks методом конечных элементов.
Любое пищевое производство невозможно представить без использования в них емкостей и резервуаров различного назначения [1-3], которые в настоящее время выпускаются промышленностью в большом количестве. Современные конструкции от выпускаемых ранее отличаются усовершенствованными устройствами автоматики и управления процессами, обеспечения безопасности и удобства обслуживания. При этом все конструктивные элементы, непосредственно влияющие на работу оборудования, не претерпели серьезных изменений.
Наиболее распространенная конструкция технологического резервуара представляет собой трехстенный цилиндрический сосуд с эллиптическим, коническим или наклонным днищем [1-3]. Внутренняя емкость является рабочей, контактирует с продуктом и изготавливается из нержавеющей стали. Между внутренней и средней стенкой находится пространство для подачи тепло- или хладоносителя - пароводяная рубашка. Пространство между средней и наружной стенками заполнено теплоизоляционным материалом. Перемешивание продукта осуществляется мешалками преимущественно лопастного типа.
Основным способом повышения эффективности работы резервуаров и емкостей [3-4] является интенсификация процесса теплообмена между хладоносителем и продуктом с целью ускорения технологического процесса, что в свою очередь достигается усовершенствованием конструкций перемешивающих устройств.
Любое изменение конструктивно-геометрических характеристик, вызванных модернизацией или совершенствованием конструкций резервуаров и емкостей, предполагает их прочностной расчет с определением основных физико-механических характеристик. Выполнение данного вида расчета аналитическими методами вызывает затруднения и требует значительных временных ресурсов.
В последнее время широкое распространение получили методы численного моделирования, которые позволяют существенно сократить стоимость и сроки создания новых конструкций различных машин и аппаратов, в том числе отдельных узлов и механизмов. Наиболее важным инструментом этих исследований многие инженеры считают метод конечных элементов.
В настоящее время существует ряд специализированных программных продуктов для анализа методом конечных элементов, так называемые CAE - системы или системы компьютерного инженерного анализа [5-6]. Данные системы, используемые для анализа и оценки функциональных свойств проектируемых узлов и деталей, охватывают широкий круг задач моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций. Отлично зарекомендовавшей себя системой инженерного анализа считается система SolidWorks.
С целью оценки работоспособности мешалки и обоснования ее конструктивно-геометрических характеристик проведено численное исследование влияния различных нагрузок на элементы конструкций деталей устройства. В качестве образца принята наиболее распространенная и унифицированная мешалка лопастного типа резервуара Р4-ОТН-2.
Для проверочного расчета на прочность и обоснования основных геометрических размеров устройства применен вычислительный комплекс SolidWorks Simulation, основанный на методе конечных элементов и имеющий большое количество моделей, описывающих механические свойства материалов нагружаемых деталей.
Мешалка резервуара представляет собой сборочный узел, состоящий из четырех деталей: собственно мешалки, вала и двух штифтов, обеспечивающих соединение указанных деталей. В качестве материала деталей из библиотеки SolidWorks Materials выбрана отожженная нержавеющая сталь AISI 321, являющаяся аналогом российской нержавеющей стали 12Х18Н10Т ГОСТы 2590-2006, 7417-75 и 7350-77, широко применяемой в качестве материала для емкостного, теплообменного оборудования пищевой промышленности. Механическое поведение деталей сборочного узла определяется линейным, упругим, изотропным типом модели указанного материала. Отожженная нержавеющая сталь AISI 321 имеет следующие физико-механические характеристики [6]:
- предел текучести - 2,34422·108 Н/м2;
- предел прочности при растяжении - 6,2·108 Н/м2;
- модуль упругости - 1,93·1011 Н/м2;
- коэффициент Пуассона - 0,27;
- массовая плотность - 8000 кг/м3;
- коэффициент теплового расширения - 1,7·105 1/К.
Для реализации указанных выше целей в программном комплексе SolidWorks построена твердотельная модель сборочного узла мешалки резервуара, представленная на рисунке 1.
Рис. 1. Твердотельная модель сборочного узла мешалки резервуара в SolidWorks
В качестве креплений и нагрузок (рис. 2), действующих на элементы конструкций сборочного узла мешалки, представлены следующие параметры и значения [1]:
- зафиксированный шарнир (наружная поверхность вала и подпятника);
- зафиксированная геометрия (торцевая поверхность подпятника);
- давление, оказываемое столбом смеси, находящемся в резервуаре, на поверхности лопасти мешалки: p=с·g·h=1033,3·9,81·1,4=14200 Н/м2 (где h - высота столба смеси, h=1,4 м);
- центробежная сила, выраженная через угловую скорость: щ=2р·n=2·3,14·0,933=5,9 рад/с;
- вращающий момент: Т=22,4 Н·м.
Рис. 2. Схема креплений и нагрузок на твердотельную модель сборочного узла мешалки резервуара в SolidWorks Simulation
Твердотельные модели сборочного узла мешалки с помощью сеточного генератора на основе кривизны были разбиты соответственно на 56235 узлов и 30256 конечных элементов (рис. 3), что обеспечило достаточную точность вычислений. Максимальная размер элемента составил 30,2258 мм, минимальный - 6,04517 мм.
По результатам расчета были построены эпюры напряжений по Мизесу, абсолютных перемещений и запаса прочности, представленные на рисунках 4-6.
Рис. 3. Сетка конечных элементов твердотельной модели сборочного узла мешалки резервуара в SolidWorks Simulation
Рис. 4. Эпюра напряжений твердотельной модели сборочного узла мешалки резервуара в SolidWorks Simulation
Рис. 5. Эпюра перемещений твердотельной модели сборочного узла мешалки резервуара в SolidWorks Simulation
Рис. 6. Эпюра запаса прочности твердотельной модели сборочного узла мешалки резервуара в SolidWorks Simulation
мешалка резервуар solidworks
Из расчетов следует, что наиболее нагруженным элементом сборочного узла является лопасть мешалки в месте ее примыкания к втулке. Как видно из эпюры напряжений (рис. 4) указанное место примыкания лопасти к втулке мешалки является зоной концентраций напряжений, чье максимальное значение достигает 8,077·107 Н/м2. Однако, минимальный коэффициент запаса прочности (рис. 4) составляет величину 2,902. Следовательно, условие прочности выполняется, а рассматриваемый сборочный узел с заданными конструктивно-геометрическим характеристиками является работоспособным.
Список использованных источников
1. Курочкин А. А. Оборудование и автоматизация перерабатывающих производств: учеб. для студ. вузов. М.: КолосС, 2007. 591 с.
2. Березин М. А., Борисов В. И., Борисов В. С. Оборудование для переработки молока и производства молочных продуктов. Саранск: Мордовия-Экспо, 2011. 92 с.
3. Борисов В. С., Борисов В. И. Современное оборудование для охлаждения молока // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем: труды междунар. науч.-техн. конф. Саранск: [б. и.], 2007. С. 369-373.
4. Березин М. А., Истихин С. В., Слепцов Р. Ю. Расширение технологических возможностей резервуаров для производства кисломолочных продуктов // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем: материалы Всерос. науч.-техн. конф. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2009. С. 404-408.
5. Что такое CAD, CAM, CAE - технологии? [Электронный ресурс]: сайт о системах автоматизированного проектирования. URL: http://www.procae.ru/articles/15-other/10-what-is-it.html (дата обращения: 20.05.2018).
6. Что такое SolidWorks [Электронный ресурс]: сайт о системах автоматизированного проектирования. URL: http://www.procae.ru/articles/19-cads-program/22-solidworks-what-it-is.html (дата обращения: 20.05.2018).