Общие принципы разработки оборудования для производства строительных материалов на основе различных конфигураций состава изделия

РЕФЕРАТ. В статье описан подход к многовариантному проектированию оборудования технологических линий производства портландцемента, рассмотренный на примере шаровых мельниц. Современное программное обеспечение позволяет создавать электронно-цифровые макеты изделия и комбинировать различные углы агрегата для получения различных конфигураций готового изделия, а также осуществлять инженерные расчеты отдельных узлов и конструкций. Применяемые совместно с системами управления жизненным циклом, эти программные пакеты позволяют сократить цикл разработки и изделия и снизить трудоемкость работ.

Ключевые слова: шаровая мельница, проектирование, электронно-цифровой макет (ЭЦМ), управление жизненным циклом.

Keywords: ball mill, designing, digital mockup, PLM.

Введение

Цементная промышленность является одной из наиболее динамичных отраслей экономики нашей страны. Положительные перспективы развития отрасли определяются, в частности, продолжающимися модернизацией инфраструктуры и реализацией государственных программ по строительству жилья.

Сегодня стоит вопрос о возрождении в России машиностроительной отрасли, в том числе цементного машиностроения. По показателям эксплуатационной надежности качество отечественного оборудования может быть сопоставимо с зарубежными аналогами. Вместе с тем несомненными преимуществами оборудования зарубежного производства являются высокая степень его автоматизации и контроля технологического процесса, высокие эксплуатационные показатели отдельных машин и всей технологической линии в целом. 

Для решения вопросов импортозамещения наряду с созданием производственных мощностей отрасли необходимо внедрять современные технологии комплексного многовариантного проектирования. 

Многовариантное проектирование

Современные технологии автоматизированного проектирования позволяют управлять составом изделия. При проектировании оборудования промышленности строительных материалов, например щековой дробилки, можно, изменяя состав изделия (машины), менять конфигурацию рабочих элементов, а для шахтной мельницы — создать несколько вариантов исполнения ротора.

В настоящей статье описан один из вариантов комплексного подхода к проектированию шаровых мельниц, которые являются одним из основных агрегатов, применяемых при производстве цемента: они используются и для помола сырьевых компонентов c получением шламов, и при помоле клинкера. 

Существующие типы шаровых мельниц можно классифицировать по следующим основным признакам:

• по принципу работы — оборудование периодического и непрерывного действия;

• по способу помола — мельницы сухого или мокрого помола; 

• по конструкции и форме барабана — цилиндрические однокамерные, многокамерные и конические; 

• по способу загрузки и разгрузки — мельницы с загрузкой и разгрузкой через люк, с периферийной разгрузкой, с центральной загрузкой и разгрузкой через пустотельные цапфы;

• по конструкции привода — с периферийным (шестеренчатым) приводом и с центральным приводом;

• по схеме работы — мельницы, работающие по открытому или замкнутому циклу.

Отметим, что в конструкциях шаровых мельниц всех типов присутствуют и одинаковые, и различающиеся элементы (узлы), которые в конечном счете подлежат унификации. 

При помощи систем автоматизированного проектирования можно построить электронно-цифровой макет (ЭЦМ) шаровой мельницы, который включал бы в себя различные узлы, определяющие ее конструкцию. Затем, используя программное обеспечение для управления составом изделия, можно сконфигурировать тот или иной состав шаровой мельницы, отвечающий заданным парамет­рам. Такой подход позволяет ускорить процесс проектирования мельницы, приблизить момент ее сборки и ввода в эксплуатацию и, в конечном счете, выпуска готовой продукции. 

На рынке программного обеспечения, предназначенного для автоматизированного проектирования, существует множество решений — от систем автоматизированного проектирования низкого уровня до систем высокого уровня, которые включают в себя полный цикл разработки будущего изделия. Наряду с этими программными пакетами, предназначенными для разработки модели изделия, на рынке также представлены системы управления данными (Product Data Management — PDM) и системы управления жизненным циклом изделия (Product Lifecycle Management — PLM), предназначенные для организации коллективной работы над проектом. 

Данные пакеты обладают широким функ­ционалом, позволяющим решать множество задач, связанных с управлением жизненным циклом изделий и, в том числе, изменять состав будущего изделия. В этой статье мы рассмотрим, как применяются технологии по управлению составом изделия, на примере продуктов NX и Teamcenter компании Siemens PLM Software. 

Проектирование шаровой мельницы

Рассмотрим конструкции и пример построения ЭЦМ двух мельниц, выполняющих различные технологические операции: сырьевой мельницы размерами ∅ 3 × 8 м для подготовки шлама и цементной мельницы размерами ∅ 3 × 14 м.

Шаровая мельница практически любого типа состоит из одинаковых узлов, таких как:

1. загрузочная часть;

2. разгрузочная часть;

3. привод;

4. барабан мельницы, который может оснащаться различными внутримельничными устройствами, перегородками и футеровками;

5. цапфовые подшипники.

В результате изучения конструкции обеих мельниц были выявлены следующие возможные основные узлы этих агрегатов:

1. три типа обечайки (рядовая, с отверстием под люк, с отверстием под разгрузку);

2. два типа привода (центральный и периферийный);

3. два типа разгрузочных устройств;

4. три типа загрузочных устройств;

5. барабаны мельницы, имеющие различную длину (от 8 до 14 м);

6. пять типов внутримельничных устройств;

7. пять типов футеровки.

Затем проработаны различные варианты исполнения мельницы, схематично показанные на рис. 1. 

Рис. 1. Структурная схема вариантов исполнения шаровых мельниц

ЭЦМ мельницы была построена в CAD/ CAM/CAE-системе NX с использованием технологии «Скелет сборки». На первом этапе при помощи вспомогательных элементов, таких как координатные оси и плоскости, определяется общая структура агрегата (рис. 2). 

Рис. 2. Скелет сборки мельницы

Координатные плоскости определяют число обечаек, входящих в ту или иную конструкцию, а координатная ось — центральную ось будущего изделия. Используя структурную схему, можно задавать и «редактировать» сопряжения между различными узлами мельницы.

В ЭЦМ входят все узлы обеих мельниц. Модели сборочных единиц мельницы представлены на рис. 3—7.

Рис. 3. Приводы: периферийный (а) и центральный (б)

Рис. 4. Обечайки: рядовая (а), с отверстием под люк (б), с отверстиями для разгрузки (в)

Рис. 5. Различные варианты исполнения загрузочных и разгрузочных устройств шаровой мельницы

Рис. 6. Внутримельничные узлы: элеваторные решетки, разгрузочные перегородки, классификаторы, пересыпные устройства

Рис. 7. Различные типы футеровок шаровых мельниц

В качестве PLM-системы была использована система Teamcenter от Siemens PLM Software, которая, в частности, позволяет управлять составом изделия. Для этого служит приложение «Менеджер структуры». На рис. 8 в виде скриншота отображен состав изделия, который включает в себя все возможные варианты исполнения мельницы.

Рис. 8. Состав изделия в приложении «Менеджер структуры» Teamcenter

Управление составом изделия ведется через применение вариативных структур, которые описывают тот или иной состав по ранее указанным правилам. В нашем случае опциями являются: 

• тип мельницы — цементная или сырьевая;

• тип привода — центральный или периферийный;

• тип перегородки — наклонная, прямая или отсутствует;

• тип внутримельничных устройств — с классификатором или без него.

Управляя составом изделия, можно сконфигурировать шесть различных вариантов мельницы, отображаемых в «Менеджере структуры» (рис. 9).

Рис. 9. Варианты исполнения мельниц: а — цементная мельница размерами 3 × 14 м с центральным приводом, с наклонной и прямой перегородкой; б — цементная мельница 3 × 14 м с центральным приводом и прямой перегородкой; в — цементная мельница 3 × 14 м, с периферийным приводом и прямой перегородкой; г — цементная мельница 3 × 14 м с периферийным приводом и наклонной перегородкой; д — сырьевая мельница 3 × 8 м, с периферийным приводом и с внутримельничным классификатором; е — сырьевая мельница 3 × 8 м, с периферийным приводом и без классификатора

Таким образом, при помощи специального программного комплекса создается ЭЦМ каж­дой мельницы. На основе информации, заложенной в такую модель, возможен дальнейший анализ полученной конструкции. Рассмотрим расчет на прочность корпуса мельницы, заключающийся в определении числа и толщины обечаек, формирующих корпус барабана. 

На рис. 10 показано напряженно-деформированное состояние одного из сконфигурированных вариантов мельницы 3 × 14 м. На нее действуют следующие нагрузки: собственный вес мельницы, вес футеровки, вес внутримельничных устройств, вес шароматериальной загрузки. Мельница рассчитана в приложении NX «Расширенная симуляция» методом конечных элементов. Соединения между компонентами мельницы моделировались при помощи контакта поверхность—поверхность.

Рис. 10. Распределение перемещений в корпусе мельницы и обечайке

В результате расчета выявлены максимальные напряжения — 57 МПа и максимальные перемещения — 2,5 мм. После того как в конструкцию были внесены изменения, масса обечайки снизилась на 3 %, а общая масса мельницы — на 5 %.

После расчета всех деталей и узлов сконфигурированного варианта мельницы выпускается проектно-конструкторская документация, которая включает в себя графические и текстовые документы. В качестве примера на рис. 11 приведен сборочный чертеж мельницы, а на рис. 12 — вид изометрии.

Рис. 11. Сборочный чертеж мельницы

Рис. 12. Вид изометрии мельницы

Заключение

Используя вышеописанный принцип проектирования оборудования, можно получать составы изделия практически для любого типоразмера мельницы и любых используемых в ней внутримельничных энергообменных устройств. Эта технология позволяет предприятию значительно сократить сроки проектирования, расширить ассортимент выпускаемой продукции и упрочить свое конкурентное преимущество на рынке. 

Благодарность

Проект выполнен при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Белгородской области в рамках проекта № 15-47-03057 с использованием оборудования ЦВТ БГТУ им. В.Г.Шухова.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сапожников М.Я. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. М.: Высшая школа, 1971. 382 с.

2. ГОСТ 2.053—2013 Единая система конструкторской документации. Электронная структура изделия. М.: Стандартинформ, 2014.

3. Богданов В.С. и др. Учебник. Основы расчета машин и оборудования предприятий строительных материалов и изделий. Старый Оскол.: Изд-во ТНТ, 2013. 680 с.

4. Ельцов М.Ю. и др. Проектирование в NX под управлением Teamcenter. Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. 783 с.