Моделирование гидродинамики и напряженно-деформированного состояния циркуляционного кармана флотационной машины
Моделирование гидродинамики и напряженно-деформированного состояния циркуляционного кармана флотационной машины |
|
Авторы: В.П. Муленков, Ю.В. Костылев (группа компаний «Возрождение»),
В рамках данной работы определены параметры потока пульпы и характеристики нагрузки в стеклопластиковом кармане флотационной машины. Карман устанавливается в ванну и полностью погружен в раствор с пульпой (рис. 1).
Рис.1. Модель установки
Проблема эксплуатации стеклопластиковых карманов флотационной машины заключается в том, что, во-первых, они подвержены абразивному износу. Изнашивается покрытие внутренней полости кармана. Во-вторых, происходит частичное перекрывание проходного сечения в районе щелевой части. Возможно, это происходит за счет недостаточной жесткости рабочих поверхностей кармана при действии на них разницы давлений. Необходимо количественно оценить возникающие эффекты с тем, чтобы предложить технические мероприятия по их исключению. В рамках гидродинамической части задачи необходимо определить: - распределение скоростей в проточном тракте; - распределение давлений в проточном тракте. Расчеты производятся в рамках моделей. С учетом и без учета твердых частиц в потоке. При определении нагрузки на карман твердые частицы не учитывались. Для прочностных расчетов необходимо определить: - распределение перемещений в конструкции кармана; - распределение напряжений в конструкции кармана. Для исследования поведения стеклопластикового кармана во флотационной камере использованы программные комплексы FlowVision (Россия) и ABAQUS (США). Поле полных давлений показано на рис. 2. В основном объеме ванны наблюдается избыточное давление 0,0015 МПа. Такое же давление фиксируется и на входе в карман. Лишь на расстоянии 0,03 м от входа в карман фиксируется падение атмосферного давления на 0,0053 МПа, а затем, по мере продвижения потока вдоль канала кармана на 0,0099 МПа. После входа в горизонтальный цилиндрический канал падение давления достигает максимума и ниже атмосферного на 0,00167 МПа. Примерно такое же давление в вертикальных патрубках, которые выше места стыка с горизонтальным каналом. Минимальное давление наблюдается в зоне импеллера. Здесь оно ниже атмосферного на 0,2 ат. Давление в проточной части насадка выше у бокового края кармана. На входной части давление ниже атмосферного на 10000 Па и равно Р = -10000 Па, затем, при движении потока в сторону цилиндрического патрубка, наблюдается рост давления (Р = -6600 Па), а затем, вблизи точки перехода в цилиндрический насадок наблюдается падение давления до Р = -9500 Па. Минимальные избыточные давления наблюдаются вблизи вертикальной плоскости симметрии и достигают Р = -2270,9 Па. Напротив подкрепляющих, ближней к центру и дальней, перегородок давление возрастает: на 1589 Па и на 2400 Па соответственно. В целом, рост давления от центра к боковой стенке происходит до уровня атмосферного. Вблизи дальней от центра перегородки и вблизи стенки избыточное давление становится положительным, т.е. становится выше атмосферного уровня. Минимальные давления наблюдаются вблизи вертикальной плоскости симметрии и достигают Р = -7075,4 Па. Напротив подкрепляющих, ближней к центру и дальней, перегородок давление возрастает на 3355 Па и на 1344 Па соответственно. В целом, рост давления от центра к боковой стенке происходит практически до уровня атмосферного.
Рис. 2. Поле полных давлений
Расчет напряженно-деформированного состояния кармана производился в системе ABAQUS. Твердотельная модель была разработана в пакете Solid Works. Давления на внутренней поверхности Рвнутр = 93 000 Па и наружной Рнар = 102 500 Па поверхности пластин насадка показаны на рис. 3. Рассматривались несколько вариантов конструктивного оформления кармана. Вначале был просчитан базовый вариант. Принималось, что толщина пластин δ = 7 мм, а σв = 1800 кг/мм2. При этом получена расчетная величина зазора h = 3 мм. Затем толщина пластин была увеличена до 8 мм. При этом получена расчетная величина зазора h = 4 мм. Как видно, эффект получен незначительный. Затем был проведен расчет с усилением кромки продольным сегментом. Сегмент отстоял от кромки на 30 мм. Радиус скругления сегмента 100 мм. Высота сегмента 20 мм. Задавалась толщина стенок кармана вне сегмента δ, толщина усиливающего сегмента δус, толщина пластины под усиливающим сегментом δпласт. В первом расчете принималось δ = 7 мм, δус = 4 мм, δпласт = 3 мм. При этом получена расчетная величина зазора h = 2,8 мм.
Рис. 3. Схема нагружения
Для поиска более эффективного варианта были проведены дополнительные расчеты с усилением кромки продольным сегментом, где принималось δ = 7 мм, δус = 3 мм, δпласт = 7 мм. При этом получена расчетная величина зазора h = 2,9 мм. Как видно, несмотря на сохранение δпласт на уровне основной конструкции (7 мм), эффект получен незначительный. Проведены расчеты со вставкой из стеклопластика с более высокими механическими характеристиками σв = 4000 кг/мм2. Вставка отстояла от кромки на 30 мм. Ширина вставки 110 мм. Задавалась толщина стенок кармана вне вставки δ, задавалась толщина вставки δвст= 3мм, и толщина всей стеклопластиковой пластины в месте установки вставки δэлем. В первом расчете принималось δ = 7 мм, δвст = 3 мм, δэлем = 8,6 мм. При этом получена расчетная величина зазора h = 12 мм. Для поиска более эффективного варианта были проведены дополнительные расчеты с усилением кромки вставкой. В расчете принималось δ = 9 мм, δвст = 3 мм, δэлем = 8,6 мм. При этом получена расчетная величина зазора h = 18 мм. Кроме того, проведен расчет, где принималось δ = 10 мм, δвст = 3 мм, δэлем = 8,6 мм. При этом получена расчетная величина зазора h = 20 мм. Таким образом, проведен расчет деформации и прогибов элементов кармана при его различных конструктивных исполнениях. Разработаны практические рекомендации по снижению величины прогибов кармана и обеспечению его работоспособности.
Опубликовано в сборнике |
