Результаты компьютерного моделирования
По результатам компьютерного моделирования получены картины эквивалентных напряжений вдоль вала и лопаток импеллера, а также графики абсолютной величины эквивалентной нагрузки. Их анализ позволяет представить реальную картину напряженно-деформированного состояния исследуемых элементов.
Из рисунков распределения эквивалентной нагрузки Seqv (рисунок 14, 15, 16) видно, что интересующая нас область, лопаток импеллера загружена следующим образом: наиболее нагружен узел 7 со стороны противоположной стороне нагруженной торкрет смесью, у основания лопатки. Также наблюдается повышение нагрузки у края вершины лопатки со стороны, нагруженной торкрет смесью. Для получения более подробной картины распределения эквивалентной нагрузки, в интересующих нас направлениях, построены графики зависимости напряжений в исследуемой области от длины произвольно выбранного контура.
Распределение эквивалентных напряжений
Рисунок 14.
Распределение эквивалентных напряжений
Рисунок 15.
Распределение эквивалентных напряжений
Рисунок 16.
Из графика (рисунок 17) изменения эквивалентных напряжений по направлению 1-2 (вдоль оси вала), видно, что наибольшие напряжения на валу наблюдаются на расстоянии 0,6 м (Seqv= 4458 кПа).
График изменений эквивалентных нагрузок по направлению 1- 2
Рисунок 17.
Из графика (рисунок 18) изменения эквивалентных напряжений по направлению 3- 4 (вдоль основания лопатки), видно, что максимальное напряжение приложено у края лопатки (точка 3) и составляет 9050 кПа.
График изменения эквивалентных напряжений по направлению 3- 4
Рисунок 18.
Из графика (рисунок 19) изменения эквивалентных напряжений по направлению 5- 6 (поперек вершины лопатки), видно, что максимальное напряжение складывается на участке удаленном от края лопатки нагруженного торкрет смесью (узел 5) на 1,3 мм; Seqv= 15417 кПа.
Из графика (рисунок 20) изменения эквивалентных напряжений по направлению 7- 8 (поперек основания лопатки), видно, концентрация напряжений у противоположенных торцов лопатки, в точке 7 (Seqv= 12020 кПа), и в точке 8 (Seqv= 9880 кПа).
График изменения эквивалентных напряжений по направлению 5- 6
Рисунок 19
График изменения эквивалентных напряжений по направлению 7- 8
Рисунок 20.
Из графика (рисунок 21) изменения эквивалентных напряжений по направлению 9- 10 (от одной вершины лопатки до противоположной), видны симметричные скачки напряжений в точках равноудаленных от оси вала на 22 мм (т- кА К), и составляют соответственно 11975 кПа и 11950 кПа.
График изменения эквивалентных напряжений по направлению 9- 10
Рисунок 21.
Из графика (рисунок 22) изменения эквивалентных напряжений по направлению 11- 10 (вдоль вершины лопатки), видны скачки напряжения у концов лопатки, т-ка 11 Seqv= 4080 кПа, т-ка 10 Seqv= 3500 кПа.
График изменения эквивалентных напряжений по направлению 11- 10
Рисунок 22.
Анализируя данные полученных графиков, можно сделать следующие выводы:
При рассмотрении концентраций напряжений по различным направлениям вала центробежного нагнетателя, выяснилось, что зачастую предельное напряжение материала сталь 40Х (σв= 620МПа), во много раз превышает приложенные нагрузки, что дает основания для пересмотра конфигурации сечение лопаток импеллера вала центробежного нагнетателя МЦТ, в целях экономии материала, снижения массы и увеличении срока их службы.
На основе анализа величины эквивалентных напряжений возникающих в построенной структурной модели вала центробежного нагнетателя МЦТ, предлагается увеличить сечение в основании лопатки до 10 мм со стороны возникновения наибольших нагрузок, и уменьшить сечение у вершины лопатки до 6 мм с наименее загруженной стороны (рисунок 23). Экономия материала лопатки (сталь 40Х) составляет 56 г на одной лопатке, и соответственно 448 г на восьми лопатках импеллера.
Модернизированная конфигурация лопатки импеллера
Рисунок 23.
С учетом вышеупомянутого предложения была построена структурная модель вала центробежного нагнетателя МЦТ с модернизированным сечением лопаток импеллера.
Модель подверглась разбиению на конечные элементы, закреплению ряда поверхностей и линий, приложению пары сил по схеме аналогичной предыдущей модели (рисунки 24, 25, 26).
Геометрическое построение структурной модели вала центробежного
нагнетателя с модернизированной конфигурацией лопаток импеллера
Рисунок 24.
Разбиение областей структурной модели на конечные элементы
Рисунок 25.
Закрепление поверхностей и приложение пары сил
Рисунок 26.
Распределение эквивалентных напряжений на валу модернизированной
конфигурацией лопаток импеллера
Рисунок 27.
Распределение эквивалентных напряжений
Рисунок 28.
Распределение эквивалентных напряжений на лопатке модернизированной
конфигурации
Рисунок 29.
Далее были построены графики зависимости эквивалентных напряжений длины контура, в тех же направлениях что и у первой модели (рисунок 30-35)
График изменения эквивалентных напряжений по направлению 1 -2
Рисунок 30.
График изменения эквивалентных напряжений по направлению 3- 4
Рисунок 31.
График изменения эквивалентных напряжений по направлению 5- 6
Рисунок 32.
График изменения эквивалентных напряжений по направлению 7- 8
Рисунок 33.
График изменения эквивалентных напряжений по направлению 9- 10
Рисунок 34.
График изменения эквивалентных напряжений по направлению 11- 10
Рисунок 35.
По результатам сравнительного анализа графиков изменения эквивалентных напряжений была составлена таблица 9.
Таблица 9
Изменение эквивалентного напряжения
Направ- ление |
Напряжение эквивалентное 1- ый вариант Seqv , кПа |
Напряжение эквивалентное 2-ой вариант Seqv , кПа |
Изменение эквива- лентного напряже- ния , кПа |
Изменение эквива- лентного напряже- ния , % |
1- 2 |
4458 |
4639 |
+181 |
+4
|
3- 4 |
9052 |
6528 |
-2524 |
-27,9
|
5- 6 |
15420 |
16820 |
+1400 |
+9
|
7- 8 |
12030 |
11760 |
-270 |
-2,3
|
9- 10 |
11975 |
12080 |
+105 |
+0,9
|
11- 10 |
4080 |
4171 |
+91 |
+2,2
|
Данные результатов анализа графиков изменения эквивалентных напряжений подтверждают целесообразность изменение конфигурации лопаток импеллера вала центробежного нагнетателя МЦТ.
Анализ графиков распределения эквивалентных нагрузок позволяет рекомендовать методику расчета элементов МЦТ по средневзвешенному значению эквивалентных нагрузок. Места с пиковыми значениями нагрузок должны проверяться на допустимую перегрузку в соответствии с существующими проектными нормативами.
Выводы
1. В результате исследовании надежности работы основных узлов машины МЦТ с помощью компьютера выявлены наиболее слабые детали с точки зрения долговечности, и рекомендованы предложения разработчиками. В частности рекомендованы новые конфигурации вала центробежного нагнетателя и лопаток рабочего колеса, что неизбежно повышает долговечность работы этих узлов и машины в целом.
2. В ходе исследований определены пути дальнейшего совершенствования конструктивных параметров и функциональной возможности машины центробежного торкретирования. Предложено снабдить машину МЦТ смесь образующим узлом. При этом не только не усложнилась конструкция машины, а напротив, стало возможным отказаться от сложного скребкового механизма сполипастной системой и гидроцилиндром, не изменяя габаритные размеры МЦТ.
3. Предложено техническое решение позволяющее отказаться от дополнительного бетоносмесительного узла. При этом эксплуатационная производительность МЦТ выше за счет организации технологических работ по снабжению компонентами бетонной смеси.
4. По результатам исследований разработаны конструкторские, документация на модернизированный вариант МЦТ, необходимо финансирования для изготовления нового опытного образца МЦТ.