Актуальность работы. В технологических процессах различных отраслей промышленности довольно часто возникает необходимость разрушения материала до более мелких фракций. В качестве примера можно привести сельское хозяйство – необходимость разрушения исходных материалов для приготовления комбикормов; химическая промышленность – измельчение слежавшихся химических реагентов, удобрений, солей для применения в производстве; угольная промышленность – необходимость дробления угля до мелких фракций, а также для возможности отделения за счёт дробления пустой породы. Для решения этих задач распространённое применение получили молотковые дробилки.

Цель работы: провести исследование прочностной нагруженности исполнительного органа молотковых дробилок для выбора его параметров с использованием программного комплекса APM WINMachine.

В качестве объекта исследования выбран: молоток молотковой дробилки. Предметом исследования является прочностная нагруженность молотка.

Задачи исследования: разработать 3d модель молотка; подготовить модель для проведения модельных исследований; провести модельные исследования.

В процессе работы дробилки поступающий в загрузочную камеру материал подвергается ударным нагрузкам молотков, закрепленных на вращающемся роторе. При появлении критических внутренних напряжений в разрушаемом сырье, дробимый материал измельчается и проваливается через отверстия колосниковых решеток и затем поступает на конвейер или в бункер [1, 2]. На рисунке 1 представлен общий вид а и рабочие органы б молотковой дробилки.

Рис. 1. Общий вид а и рабочие органы б молотковой дробилки

Под влиянием ударных нагрузок и воздействия измельчаемого материала на рабочие поверхности дробилок происходит их интенсивный износ, при этом нарушается балансировка всей конструкции, а наибольшему изнашиванию подвержены молотки. Процесс замены молотков вызывает значительные трудности, так как при этом возникает необходимость разобрать ротор дробилки.

С резким ростом требований к эффективности использования и конкурентоспособности современного оборудования возрастает необходимость повышения производительности измельчающих машин в промышленности и увеличения их межремонтных циклов.

Таким образом, в процессе проектирования необходимо разрабатывать конструкции молотковых дробилок с обязательным проведением прочностных расчетов в современных САПР и особое внимание необходимо уделить долговечности молотков для обеспечения надежной и долговременной эксплуатации измельчающих машин ударного действия. Проведённый анализ методов расчёта деталей машин на прочность [3-13] показал, что современным требованиям в наибольшей степени отвечает метод конечных элементов.

Проведенный анализ современных САПР показал, что отечественная система APM WinMachine в наибольшей степени отвечает поставленным задачам автоматизированного расчета и проектирования оборудования химических производств.

Для проведения исследований был использован программный модуль APM Studio, предназначенный для моделирования конструкции объектов с целью создания рабочей конструкторской и технологической документации, обеспечивающий автоматическую генерацию конечно-элементной сетки на выполненных моделях, и их дальнейший импорт в расчётный модуль APM Studio для проведения анализа напряжённо-деформированного состояния под действием различного рода силовых факторов.

На первом этапе исследования была создана модель молотка (рис. 2), предварительно задан его конструкционный материал – сталь 45Х, в соответствии с применяемым материалом и способ закрепления,  далее была приложена распределённая нагрузка (35000 Н), действующая на молоток при ударе (рис. 2) и проведена разбивка исследуемой детали на конечные элементы (рис. 3) (четырёхузловые тетраэдры со стороной 5 мм и коэффициентом разряжения на поверхности и в объёма модели 1,5).

Удобство применения данного метода расчета состоит в том, что в случае, когда по прочностным показателям элементы дробилки не проходят модельных испытаний, существует возможность изменить конструкционный материал, или применить другие решения и повторить расчет. Это позволяет экономить время и средства на проведение натурных экспериментов.

На рис. 4а и 4б представлены результаты статического расчёта на прочность молотка

Рис. 4. Результаты статического расчёта.

В результате проведенных исследований определены возникающие в процессе работы основные прочностные характеристики молотка молотковой дробилки. Анализ результатов прочностных расчётов молотка показывает, что действующие нагрузки не превосходят допустимых величин.

Удобство применения данного метода расчета состоит в том, что в случае, когда по прочностным показателям элементы дробилки не проходят модельных испытаний, существует возможность изменить конструкционный материал, или применить другие решения и повторить расчет. Это позволяет экономить время и средства на проведение натурных экспериментов.

Выводы

После проведения необходимых прочностных расчетов в САПР созданы трехмерные модели всех элементов молотковой дробилки, произведена их сборка, в результате чего разработана конструкция молотковой дробилки (рис. 5), которая обеспечивает создание динамических нагрузок для разрушения измельчаемого материала, сохраняя при этом прочностные характеристики рабочих органов.

Рис. 5. Общий вид разработанной конструкции молотковой дробилки

Проведенные прочностные исследования позволили определить наиболее рациональные геометрические параметры и конструкционный материал элементов дробилки, обеспечивающие высокую производительность и долговечность разрабатываемого дробильного оборудования.