Работоспособность валковой тарельчатой мельницы для помола цемента

Полный текст

Введение[‡‡] Известно, что для помола цемента используют шаровые и валковые мельницы. Первая конструкция шаровых мельниц была запатентована во Франции более 120 лет назад. Долгое время эта конструкция не имела конкурентоспособных альтернатив. Однако в последние десятилетия она активно вытесняется с рынка валковыми мельницами. Эти мельницы позволяют проводить операции сушки, помола и сепарации в одном агрегате [1]. В работе [2] проведено сравнение опыта эксплуатации шаровой мельницы и первой валковой вертикальной мельницы, введенной в эксплуатацию в США в 2002 г. В [3] описано аналогичное многофакторное исследование, проведенное в Люксембурге. Показано, что валковые мельницы менее энергоемкие, чем аналоги, но более чувствительны к качеству сырья и более сложны в техническом обслуживании. Кроме того, стоимость валковой мельницы обычно выше, но этот недостаток компенсируется высокой производительностью [4; 5]. Главной проблемой при эксплуатации валковых мельниц является интенсивный износ трущихся деталей [6], оказывающий превалирующее влияние на их работоспособность. Целью настоящего исследования является разработка математической модели контактной задачи расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) валковой мельницы и технических мероприятий, продлевающих срок ее службы. 1. Объект исследования Объектом исследования является валковая тарельчатая мельница с гладкими тарельчатыми валками, предназначенная для измельчения материала методом истирания производства компании FLSmidth (отделение в России «ООО ФЛСмидт Рус») (рис. 1). Рис. 1. Конструкция исследуемой валковой мельницы [Figure 1. The design of the investigated roller mill] Рис. 2. Разрушение секторов в области их контакта между собой [Figure 2. Destruction of sectors in the area of their contact with each other] Мельница состоит из трех помольных валков, движущихся по помольному столу. Мелющие валки вместе с общей для них нажимной рамой, оснащенной тремя тягами, образуют статически определимую систему, создающую равномерное распределение нагрузки на слой размалываемого продукта. Каждый мелющий валок подвижно соединен через нажимной элемент с нажимной рамой и может выполнять качающиеся боковые движения. В связи с этим и благодаря пружинной подвеске натяжной системы мелющие валки могут оптимально прижиматься к рабочей поверхности мелющего диска. Размалываемый продукт, попадающий в мельницу при загрузке, затягивается в промежуток между мелющими валками и мелющим диском, где подвергается измельчению. Необходимые для измельчения усилия создаются в результате прижатия мелющих валков к мелющему диску. Давление прижатия осуществляется с помощью гидропневматической натяжной системы и может быть изменено во время процесса. Измельчаемый продукт подвергается размолу под действием сил давления и сдвига. В процессе работы происходит износ трущихся деталей мельницы. Наибольшему износу подвергается внешняя часть секторов валков, которые подлежат периодической замене. Экономичной альтернативой замене является наплавка твердым сплавом изнашиваемых поверхностей. Сегментная конструкция изнашиваемых поверхностей позволяет производить многократную наплавку твердым сплавом на протяжении всего срока службы. Кроме того, в процессе работы происходит фреттинг-износ пары «втулка - сектор». Износ втулки подшипника в зоне ее контакта с секторами приводит к увеличению радиальных смещений секторов и росту контактных напряжений в зоне контакта секторов друг с другом в окружном направлении. Значительные контактные напряжения являются причиной разрушения секторов в области их контакта между собой в зоне приливов (рис. 2). 2. Моделирование напряжено-деформированного состояния валков мельницы Оценка НДС мельницы производилась методом конечных элемента (МКЭ) c помощью пакета прикладных программ ANSYS. Расчетная схема мельницы представляет собой втулку подшипника, на которую надеты секторы (рис. 3). В расчетной схеме втулка жестко соединена с кольцом. Секторы, закрепленные на втулке с помощью прижимов, опираются на кольцо и своей внутренней поверхностью контактируют со втулкой. Контактные поверхности представлены на рис. 4-6. На рис. 4-6 приняты следующие цифровые обозначения контактных поверхностей: 1 - втулки с прижимом; 2 - втулки, кольца и сектора; 3 - прижима с сектором; 4 - между секторами. Таким образом, конструкция мельницы имеет многокомпонентную систему сопряжения различных деталей, контактные связи между которыми - неголономные. При расчете использован вариационно-энергетический подход МКЭ. Согласно [7-9], разрешающие уравнения МКЭ получены минимизацией полной энергии системы Э: где U - потенциальная энергия деформации; UK - потенциальная энергия контактной зоны взаимодействия; А- работа внешних сил. Приращение потенциальной энергии деформации системы контактирующих тел имеет вид где σ - вектор напряжений; ε - вектор деформаций; V - объем элемента. Контактная зона разделена на ряд контактных элементов. Контактный элемент описывает взаимодействие между поверхностным узлом одного тела с соответствующей поверхностью элемента другого тела. Приращение потенциальной энергии контактной зоны взаимодействия площадью S равно: где un - величина контактного зазора в направлении нормали к поверхности; ut - величина контактного зазора в тангенциальном направлении; Pk - контактное давление в направлении нормали к поверхности (Pk = 0, если un > 0, или Pk = Knun, если un ≤ 0); Kn - матрица жесткости контактной поверхности; τ - фрикционное напряжение. При построении конечно-элементной модели применялись объемные конечные элементы SOLID285. Конечно-элементная модель представлена на рис. 7. При моделировании контакта поверхностей втулки с прижимом, втулки с сектором, прижима с сектором и контакта между секторами использованы контактные элементы CONTA174 и TARGE170. Рабочая нагрузка включала силы давления в радиальном Fy = 2,6 МН, в осевом направлении Fz = 0,43 МН и силы затяжки крепежных шпилек прижима Fз = 0,71 МН. Рис. 3. Расчетная схема помольного валка [Figure 3. The design scheme of the grinding roll] Рис. 4. Контактные поверхности втулки подшипника и кольца [Figure 4. Contact surfaces of bearing sleeve and ring] Рис. 5. Контактные поверхности прижима [Figure 5. Contact surfaces of a clamp] Рис. 6. Контактные поверхности сектора (дано изображение половины сектора) [Figure 6. The contact surface of the sector (given the image of half the sector)] Рис. 7. Конечно-элементная модель [Figure 7. The finite element model] Согласно имеющейся технической документации втулка подшипника и сегменты изготовлены из чугуна. Материал втулки подшипника - чугун EN-GJS 400-18U. Наиболее близкий российский аналог высокопрочный чугун с шаровидным графитом ВЧ-40. Материал сегментов - высокопрочный чугун с шаровидным графитом EN-GJN-HV6000 (XCR18), что подтверждается протоколом химического анализа образцов, взятых из разрушенных сегментов (рис. 3). Наиболее близкий российский аналог - хромистый чугун типа ЧХ16М2. В качестве характеристики, определяющей уровень напряженного состояния материала, принято эквивалентное напряжение по Мизесу. Рис. 8. Первое главное напряжение, Па [Figure 8. The first main stress, Pa] Рис. 9. Эквивалентные напряжения, Па [Figure 9. Equivalent stresses, Pa] Рис. 10. Перемещения сектора и прижима в радиальном направлении, м [Figure 10. Sector and clamp movements in the radial direction, m] 3. Результаты моделирования Основные результаты расчета НДС представлены на рис. 8, 9. Расчет показал, что значения напряжений невысоки. Максимальные значения растягивающих напряжений достигают 43 МПа, а эквивалентные - 82 МПа в контактной зоне взаимодействия секторов. Вычисленные перемещения сектора и прижима показаны на рис. 10. Недеформированное состояние показано черным контуром. Смещение прижима составили 0,4-0,64 мм, максимальное смещение сектора 0,14 мм. 4. Исследование влияния износа втулки на разрушение сегмента По мере износа контактирующих поверхностей сегменты конструкции мельницы смещаются и садятся на уменьшенный изношенный посадочный диаметр втулки подшипника. В конструкции мельницы предусмотрены зазоры между секторами, которые, как правило, составляют от 1 до 4 мм. При уменьшении посадочного радиуса имеющиеся зазоры постепенно выбираются. После того как зазоры оказываются выбранными, секторы начинают распирать друг друга в зонах приливов. При этом контактные напряжения в зоне приливов возрастают. При работе мельницы условие самоторможения в резьбе крепежных шпилек прижима нарушается и происходит самоотвинчивание [10]. В случае неравномерности этого процесса износ контактирующих поверхностей сегментов и втулки также происходит неравномерно. Поэтому секторы могут смещаться относительно друг друга в радиальном направлении (перемещение Δ на рис. 11). При относительном смещении секторов на величину Δ = 0,5 мм главные растягивающие напряжения достигают 64 МПа (рис. 12), а эквивалентные напряжения в зоне растяжения - 90 МПа (рис. 13). Рис. 11. Смещение Δ одного сектора относительно другого [Figure 11. The displacement Δ of one sector relative to another] Рис.12. Первые главные напряжения с учетом относительного смещения секторов, Па [Figure 12. The first principal stresses, taking into account the relative displacement of the sectors, Pa] Рис. 13. Эквивалентные напряжения с учетом относительного смещения секторов, Па [Figure 13. Equivalent stresses, taking into account the relative displacement of sectors, Pa] При упругом деформировании конструкции эквивалентные напряжения, возникающие в результате действия рабочей нагрузки 82 МПа, суммируются с напряжениями от смещения. При одновременном воздействии рабочей нагрузки и смещения Δ = 0,5 мм суммарные эквивалентные напряжения составляют 172 МПа. Предел выносливости материала валков, равный 200-210 МПа, с учетом понижающих факторов уменьшается практически в два раза и становится равным 100-105 МПа [11-14]. Таким образом, ресурс работы конструкции мельницы становится ограниченным, и создаются условия для развития усталостных трещин в контактной зоне приливов секторов, что и наблюдалось при обследовании мельницы. Для определения допустимых параметров трещиноподобных дефектов можно использовать методику, предложенную в [15], разработанную для базовых деталей кузнечно-прессовых машин. Заключение Проведенное исследование выявило причины разрушения деталей валковой мельницы: при одновременном воздействии рабочей нагрузки и смещения секторов, возникающего из-за интенсивного износа, суммарные эквивалентные напряжения превышают значение предела выносливости при циклическом нагружении. Следовательно, происходит накопление усталостной повреждаемости материала, формирование и рост трещин, что отрицательно сказывается на работоспособности мельницы. Для предотвращения разрушения сегментов и продления срока их службы необходимы следующие мероприятия: - область контакта между секторами сформировать в виде приливов плавной формы, не имеющих концентраторов напряжений; - обеспечить своевременную наплавку твердым сплавом изнашиваемой поверхности втулки подшипника в зоне ее контакта с сегментами; - стабилизировать в процессе эксплуатации силу затяжки крепежных шпилек прижима; - для уменьшения трения и износа целесообразно использовать антифреттинговые покрытия и смазки.

Об авторах

Надежда Вячеславовна Калягина

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)

Автор, ответственный за переписку.
Email: kornilova-av@rudn.ru

доцент кафедры прикладной механики факультета робототехники и комплексной автоматизации МГТУ имени Н.Э. Баумана; кандидат физико-математических наук, доцент

Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1

Иван Иванович Карпухин

ЗАО «Прочность»

Email: kornilova-av@rudn.ru

генеральный директор

Российская Федерация, 109428, Москва, Рязанский пр-кт, д. 8а

Анна Владимировна Корнилова

Российский университет дружбы народов

Email: kornilova-av@rudn.ru

профессор департамента строительства Инженерной академии РУДН; доктор технических наук

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Игорь Николаевич Сильверстов

ЗАО «Прочность»

Email: kornilova-av@rudn.ru

главный инженер; кандидат технических наук

Российская Федерация, 109428, Москва, Рязанский пр-кт, д. 8а

Список литературы