Срок реализации программы: 2011 – 2015учебный год;pdf

1* я \ 11861-072"
Н АЦ И О Н АЛЕН К О М И Т Г Г ПО I К ОРИ я
НА М КХЛНИ Ш И П
М ЕХ А Н И К А
II М М Ш Ш И ГГ
НА М А Ш И Н И Т Е
ГОДНЫ \ X X . К Н И ГА 4. 2012
п и л т к . к I КО НА ТУ-В А Р Н Ч
Механика на чаш м нии-
Н А У Ч Н О Е О БО С Н О ВА Н И Е И РА ЗРА БО Т КА М ЕТО Д О В И СРЕД С ТВ РА Н Н ЕЙ
ДИ А Г Н О С Т И К И Ж С Т Р А К Ц И О Н Н О Г О О Б О Р У Д О В А Н И Я
Алексин ![• С’ерс! ии, В ъ р б а н М илков
кегуонпюоН икг. т ч
упш 1
(2Т.сх
К афедра теоретической механики и ресурсосберегающих технологии IIУ П Т - Киев
Кафедра технической механики ТУ - Варна
Разработана концепция научного обоснования и методология средств ранней диагностики
экстракционного оборудования. Предложенный измерительный теишлштрическии комплекс
позволяет вести непрерывную запись крутящих моментов и других силовых параметров
бесконтактно. Результаты оно / т а но /ученных данных д аю т возможность предупредить а
своевременно устр ани ть о т каш в ропоте технологического жстракиионного оооруоованих.
Клю чевые слова:
-жстрагироиаиие.
тензометрия,
бесконтактный
I . Введение
Важнейшей
задачей
разработки
современного экстракционного оборудования
МВЛНОГС» повышение ВЫ ХО , (21 сихара ИЧ С В С К Л Ы .
снижение его материалоемкости, повышение
надежное ги и долговечное ги (11.
В
данной
статье
представлено
обоснование и разработка методов и средств
ранней диаги0 е 1 ики, обеспечения надежности
и долговечности диффузионных установок,
прочности их деталей и узлов.
Ответственным
этапом
обеспечения
долговечности
при
проектировании
Iцффузионны N
аппаратов
является
определение
деформаций.
напряжений,
перемещений и усилии, крутящих моментов
вызываемых силовыми нагрузками в процессе
перемещения стружки в аппарате.
Некоторые из я их нагрузок были
определены численными меюдами теории
упругости (расчетом упругих оболочечных
конструкций)
или
"экспериментальными
(исследованием
напряженнодеформаиионного состояния в элементах
транспортных систем). Это требовало при
проектировании диффузионных аппаратов
большого числа расчетных схем и вариантов
силового взаимодействия злемептов конст­
104
метод
рукций, расчета
прочности.
измерений.
диагностика,
напряжений
и
опенок
Разнообразные условия взаимодействия
частей и узлов аппарата в настоящей работе
представлены
предлагаемым
матричным
методом
[2].
Расчеты
выполнены
по
разработанной нами методике и составленным
компькхгерным программам 11],|(>1
Экспериментальные
исследовании
напряженного состояния деталей и узлов
проведены
нами
с учетом
резулыаюв
георежческого
анализа
деформаций
и
напряжений и выполнены с применением
методов прик. К1дной механики и численных
методов геории упругости [3].
Предвари гельно
проведенные
исследовании напряжений на моделях [5]
позволяю! при статическом и динамическом
тензометрнровании натурной конструкции
использовать меиьшее число необходимых
тензодатчнков и наиболее правильно выбирать
их расположение на исследуемом элементе.
Первые геизометрические исследования
дйффу шоиного аппарат нами проведены на
Салинонкояском сахарном заводе (Украина)
[4].
Использование
информационноизмеричельной системы позволило отработать
меюдпку универсальною исследования. И
Научное обоснование и...
представленной
рабою
определены
следующие
этапы
экспериментальных
исследований:
определение
напряжений,
усилий, перемещений и крутящих моментов в
элементах транспортной системы с целью
оценки динамических характеристик лопастей
различных
конструкций;
определение
действительных параметров возмущаюших
воздействий
и
соответствующих
нм
деформаций и напряжений в элементах конст­
рукции; накопление статистических данных о
на1руженноети.
получаемой
в
процессе
эксплуатации диффузионных аппаратов, для
разработки уточненных методов расчет и
обосновании эксплуатационного
ресурса:
контроль реальной натуженное I и и состояния
конструкции для оисики остаточного ресурса
аппарата.
Высокая эффективность современных
числовых методов расчета с использованием
ЖМ
позволила решиэь многие задачи
проектировании
экстракционного
оборудования, включая опт имитацию форм и
размеров иемеиюи >ранспортной системы [6].
Однако, при сложной конфигурации рабочей
поверхности
транспортной системы
и
различных сочетаниях внешних на!рузок.
численные
методы
оказывались
неэффективными для
расчета напряжен иодеформ ироваи ноп> состояния
из-за
не
обоснованных упрощений* Действительные
нагрузки,
обусловленные
спецификой
эксплуатации
аппарата.
особенно
при
аварийных
и нескшдаршых
ситуациях,
существенно отличаются от номинальных,
принятых при проектировании. Поэтому для
определения
реальной
погруженности
элементов транспортной системы при доводке
опытных образцов в реальных условиях
эксплуатации.
мы
применяли
методы
экспериментальной механики и. в частности,
тензометрию,
используя
бесконтактные
методы измерения крутящего момента | ! О|.
Рассмотрим специфику исследований и
постановку тснзомефических жеперимеитов
на 1 СХН0 Л01 ическом «оборудовании, результаты
натурных
исследований
папряжеинодеформировапного состояния 1 рансиорттних
систем колонных диффузионных аппаратов и
расчетно-экспериментальный
системный
подход, разработанный и проведенный нами
на ряде сахарных заводов Украины. России и
Белоруссии.
1.
Методика
экспериментального
измерения
напряженною
состояния
в
лопастях и коптрлонастях транспортной
системы
Ишерепня напряжений в лопастях и
контрлопастях
диффузионных
аппаратов,
проведенные на сахарных заводах Украины,
достаточно полно описаны в работах [I. 4].
Тем не мсисс. имеются вопросы, которые
следует осветить более полно.
К
ним
относится
получение
непрерывной записи напряжений в процессе
эксплуатации.
бсскон1 актным
методом
измерения
нагрузок
кыбор
и
монтаж
1 ензорезисторов работающих в афессивиой
среде и при пульсирующих температурах с
применением бесконтак! ных измерительных
систем. Предложенная методика позволяет
проводить
измерения
деформаций
при
переменных
температурах
с
достаточно
высокой точностью, используя при этом
привариваемые «ермостойкне тензорсзисторы
жил
I IЬ-73. Разностные 1 смиерат\рные
харак1ерие 1 ики рабочего и компенсационного
тензорсзнс I оров.
полученные
в
нашей
лаборатории, аппроксимировались линейной
функцией
и
уточнялись
с
иомошью
тенэорезисторов
свидетелей,
усгаианливаемых с корпусе колонны.
На рис. I. показана схема диффузионной
установки
с измененной
конструкцией
транспортной системы. Трубрвад 4. вращаясь
вокруг оси О
О, с заданной угловой
скорое I ью в зависимости от необходимой
производительности, передвигает лопасти 1.
При вращении трубовада лопасти перемещаю!
стружку, однако, хзя обеспечения устойчивою
и
равномерного
транспортирования
контрлопасти препятствуют
закручиванию
стружки в горизонтальных плоскостях вместе
с лопастями и изменяют се движение в
требуемом
направлении.
При
этом
контр-юпасти. через сокос I ружечную смесь,
оказывают силовое действие на допае чь,
Таким образом, в процессе движения лопасть
взаимодействует с сокостружечной смесью,
испытывая при этом двойную нагрузку
сокостружечной смеси и контрлопаегей. И
результате такого взаимодействия возникает
пульсирующее напряженное состояние. Оиыг
гюкаэал.
что
целесообразно
размешать
затчики в тех местах элементов оборудования,
где
имеются
наибольшие
деформации.
Максимальные
напряжения
в
зопастях
105
Механика на машинитс
возникают в местах крепления лопастей к
трубовалу 4. а в контрлопастях - в местах их
крепления к корпусу (рис.1-.).
Схема измерительного комплекса включает
уаановку первичных датчиков Д| .Д
Л»
.Д* на лопасти 1 и кошрлопасти 2. прокладку
соединительной проводки ' вн\три фубонала
4 и их подсос ли пенис к ртхтиому
$
остановки и сбросы нагрузки). На переходных
режимах
возможно
возникновение
значшельных
напряжений одного знака,
которое может привести к авариям, а также к
возникновению значительных переменных и
пульсирующих
напряжений,
вызывающее
образование усталостных трещин.
Для всестороннего анализа них явлений
в
натурных условиях
на лопастях
и
контрлоиастяч
рамных
конструкций
проводили
два
вида
тензометрических
измерений:
о.
Рис. 1. Схема измерительного комплекса
колонного |||фф'\ томного аппарат»
токосъемнику 5. Измерения ведись при
помощи пульта управления 6. комму «ашюннобнланеировочных пультов 7. блоков усилении
МСР-|^1Регистрации
велась
передвижным
измерительно-вычислительным
многоканальным комплексом, размешенным в
здании
сахарною
завода.
В
состав
измерительно-вычислительного комплекса для
измерений напряжений и деформаций входили
серийные приборы
типа [9]. Комплекс
содержит также РС вместе с дополнительными
устройствами хтя оперативной обработки
результатов измерений по разработанной нами
программе [61.[8).
Для
исследования
распределении
напряжений
в
лопасти
регистрировали
напряжения и деформации о двух местах
рабочей поверхности Д1 и Д2. при ном
регистрация
производилась
с
воспроизведением постоянной и переменной
составляющих напряжений (Рис 2.)
Существенное значение при оценке
прочности лопастей и кОнтрлонпстей имеет
учет напряжений при быстропротекаюших
переходных
режимах
аппарата
(пуск,
нормальный останов аппарата, аварийные
106
а*
Рис. 2. Схема размещения теншагчйкон на
лопасти транспортной системы
статические измерения деформации в
относительно большом числе точек (порядка
20) для изучения распределения напряжений
при установившихся режимах, которые мшул
выдерживаться в аппарате .тигельное время:
компьютерную
регистрацию
динамических деформаций и перемещений
при рабочих режимах аинарша одновременно
в 5 - 10 точках на лопасти и конфлонаети с
координированной
по
времени
записью
основных показаний, определяющих рабочее
состояние аппарат и иарамегры нагрузки
(у ровень воды в колонне, нагрузка, обороты
трубовала.
потребляемая
мощность,
отдельные
отметки
изменения
режимов
работы аппарата
и
отметка
времени).
Диапазон частот изменений тгих деформаций
от 0 до 50 гц.
При гензомефировании контрлопастей,
имеющих трещины в местах крепления их к
Научное обоснование и...
корпусу
и
к
кольцу.
гензодатчики
устанавливались к чонах трещин и в тех же
местах на контрлопастях, не имеющих
третий. Таким образом оценивалось влияние
перегрузок. Для оценки снижения напряжений
теизодатчики
устанавливались также
на
контрлопастях,
имевших
трещины
и
усиленных накладками.
Расположение основных гегподатчиков
на поверхности кон трлопастей показано на
рис.З.
Для обеспечения помехоустойчивости
исследуемых сигналов и исключения их
взаимного
влияния
все
соединения
в
измерительных каналах осуществляются экра­
нированными кабелями тина РК-49. При
итмерепии деформаций на лопастях и коитрлопастях аппарата применяли проволочные,
термокомпенсированные.
влагостойкие
датчики с базой 20 мм и сопротивлением 400
Ом. Чувствительная решетка тензодагчиков
выполнена из константа новой неотожженной
проволоки диаметром 30 мк. Коэффициент
тензочувствигелыюсти К —2.01.
3
4
5
6
ш
2
т
а
,
Р4>т«|ке. расположенной на расстоянии 200 мм
от трубовала, кривые 2 - па расстоянии 400
мм.
Через 60 с после начала таписи
останавливали
трубовад
и
напряжения
снижались до нуля. ')н> давало возможное Iк
. 1ля каждого датчика опрелелить начало
отсчета.
Момент
пуска
показан
на
осциллограмме рис.6.
На
приведенных
ос шило» рпммах
о|че 1ливо видны пульсации напряжений и
очевидна
причина.
вызывающая
такое
напряженное с о с т о я н и е
пульсирующая
нагрузка. При установившемся режиме раСччы
аппарата
переменная
составляющая
напряжений не превышает 20 - 30% от
постоянной
состав.» яв>1ней.
I Наибольшее
нормальное напряжение в лопастям мри
номинальной мощности аппарата возникает в
месте соединения лопасги и фубовала. При
пиковых повышениях мощности напряжения в
отдельных
точках
лопастн
превышают
номинальные. Такое увеличение напряжении
совпадает
во
времени
е
момешгом
прохождения лопасти иод кОн >рлопаетыо.
Вея
жепериментадьиая
рабо*а
проводилась
при
различных
эксплуатационных режимах с одновременной
непрерывной
записью
возникающим
напряжений.
Результаты расшифровки осциллограмм
напряжений и лопасти при частоте вращения
трубовала 0.21 об/мин 1 0.0035 с" ). удельном
наполнении 520 кл/м и производительное I и
105 |/час.
«м
Рис. 3. Схема расположения тензодатчиков ни
кон 1 рлоинс I н I ранспортиой системы
11а рис.4,
представлена одна
из
осциллограмм напряжений, возникающих в
лопасти диффузионного аппарата Лучи не к*ого
сахарного
завода
(Украина).
Запись
напряжений велась при производительности
аппарата 07,2 г час и частоте вращения
трубовала 0,0053 с'1. Первые гри кривые I
покатываю! изменение напряжений т . х:. х-. в
Дпадизир\я экспериметальные запные.
можно отметить, что различные по конструкции траисноршые системы обеспечиваю!
примерно одинаковую часовую переработку
при различных частотах вращения фубовалов
и затратах энергии. 1рапспортпая система
установки КДА-30-66. вращаясь е чаеютой
0.54 об/мин <0,009 е ‘). потребляет в 4.5 раза
больше электроэнергии, чем привод трубовала
КДА 25-59м с модернизированной системой,
обеспечивающей
почти
такую
же
производительность при вращении с частотой
0,1 об/мин (0,0016с ). Сравнивая величины
удельных наполнений, производительности,
времени экстрагирования, можно езелать
вывод.
что
?нач1ттел1.иое
изменение
потребления энергии приводом трубовала
КДА-30-66 по сравнению с КДД-25-59 можно
107
Механика на м ашиною
объяснить
только
интенсивным
перемешиванием сокост ружечной смеси в
процессе транспортирования Хотя среднее
интегральное время диффундирования не
отменяется, увеличенное рассеивание выхода
стружки приводит к повышению потерь сахара
в жоме [7].
а.МПа
50 55 60 65 70 75 80 85 90 95100 091015
А т/мм
Рис. 5. Зависимость напряженного состояния от
производительное!и аппарат
а)
б)
Рис. 4. ОспиллО! раммы напряжённого
состоянии п лопасти при пуске (и) и остановке
(б) лнффу тонною аппарата
Результаты
обработанных
данных
представлены на рис. 5. в графическом виде.
Максимальные
напряжения
представлены
кривой I. минимальные напряжения - кривой
2, кривая 3 показывает изменение угла,
характеризующее
положение
главных
напряжений в плоскости и во времени.
Изменение по времени главных напряжений
определяемся
их средним
значением
и
относительным отклонением от них
Величина среднего значения главных
напряжений зависит от удельного наполнения
колонны стружкой и скорости вращения
трубовала. При час юге вращения 0.21 об/мин
(0.0035 с'1) и удельном наполнении 520 к! м
среднее значение ыавных максимальных
напряжений равно в КДД-25-59м 108.3 кг см
(10.83 МПа), в КДА-30-66 - 325 кч /ем'(32.5
МПа). Относительное отклонение главных
напряжений от среднего значения является
функцией геометрической формы лопасти и
величины
зазора
между
лопастью
и
коитрлопастыо
I \шксим11и>мн'. .'.швшм напряжении: 2
- и ’ - у го I. Щ ш ш ’р итощ ий направление
/.швных напряжений ни поверхности лояиспт;
3 - о.. ., лшиилииыше главное напряжении
С'ДВИ!
кривых
во
времени
на
осциллограмме относительно друг друга
подтверждает, что кроме из» иод лопасть
испытывав!
кручение
Изменение
угла
направления главных напряжений показывает
оеиень совместною дейечвия на лопаем ь
изгиба и кручения. При действии па лопасть
скручивающей
нагрузки
зазор
между
лопастью
и
контрлопастью
сверху
увеличивается, при этом практически не
изменяется зазор
донасги
с
нижней
конфлоиасгью.
Вызвано 4го тем, что закручивание
лопасти происходит вокруг центра тяжести
поперечного сечения. Центр тяжести смешен к
лобовой кромке лопасти, следовательно,
нижний зазор увеличивается незначительно.
Это
исключает возможность зацепления
допасти и контрлопасти, как ото имело место в
транспортной
системе
е
лопастями
треугольного поперечного сечения, где центр
гяжсеги сечения и центр нагрузки лопасти
совпадал. Поэтому при перегрузках лопасть
прогибалась
и
возникала
возможность
аварийной ситуации
Смешение
центров
I яжест и
и
приложения
нагрузки
в
модернизированных лопастях приводит также
к эффекту саморазгружения и более плавного
ее нагружения.
В
топасти
напряжения
перераспределяются так. что они не достигают
критических. Зависимость между величиной
наг рузки и деформацией лопасти установлена
аналитическим путем в [2].
Научное ооосшжпинс и...
На рис.5, показана зависимость средних
максимальных
и
минимальных
главных
напряжений и угла, характеризующего их
ориентацию на плоскости лопасти, а значит и
соотношение
изгибающих
и
крутящих
нагрузок при разной производительности
аппарата КДЛ-25-59,
Из рисунка 5 видно, что с увеличением
производительности
аппарата
нагрузка,
скручивающая лопасть, увеличивается более
интенсивно, чем оЛ и с % Это характеризует
жесткость лопасти па кручение и степень ее
надежности.
Напряжение
в
измеряемых точках
находится
в
сложной
зависимоет
ог
мощности,
потребляемой
приводом.
и
меняется и чаниеим<к:ти от соотношения
размеров лопасти и контрлопасти и других
параметров
аппарата.
По-видимому. т »
связано с перераспределением тавлений на
рабочую поверхность лопасти от потока
смеси.
Существенное влияние на возникновение в
лопасти динамических напряжении оказывают
форма и размеры лопасти и контрлопасти и
особенно их взаимное расположение. В
проделанных
экспериментах
с
модернитированной 1 ранснор1 нон системой
выходная кромка не приводит к образованию
за
ней
вихрей.
что
нарушало
бы
технологический процесс экстракции. При
переходных режимах работы дополнительные
составляющие
напряжений
в
лопастях
вочрастают по 30 - 40% 01
средней
составляющей, но суммарные напряжения
в яоиасти не превосходят но абсолютной
величине
наибольшие
напряжения,
действующие
в ней
при
номинальных
ншрузк'.чч аппарата
3. Заключение.
Установлено,
что
1ффекчикнля
и
надежная
эксплуатация
жстрзктров
нуждается
в
поддержании
заданных
технологических режимов. Важнейшими для
процесса экстракции является диагностика и
перемешивание твёрдой фазы. Перемешивание
необходимо для восстановления упругих
свойств
смеси
и
улучшения
гидродинамической обстановки в колонне, но
интенсивность перемешивания должна иметь
обоснованные
1 ранниы.
Излишнее
перемешивание вредно и приводит только к
дополнительному измельчению егружки и
ухудшению
I илродинамнческих
свойств
сокостружечной
смеси.
Вместе
с
тем
установлено, что форма лоп ает может
создавать гидродинамическую
обстановку
интенсифицирующую
массообменные
процессы в аппарате. Этот вывод позволит
определить научно-обоснованныс направления
по
совершенствованию
конструкции
транспортных систем экстракторов.
Литература:
1. Серегин Д.. Люлька Д.. Пономаренко В
Практический опыт эксплуатации, днагностки и
ремонта промышленных экстракторов. Сахар
Украины. 2011.
2. Люлька Д.. Сербгни Д.. Драпов О
Эффективные
способы
лиагностики
экстракционного оборудования Сахарных ввозов
Нишевая и перерабатывающая промышленность
2005
л. Алешин Н.. ДупачСв [V Ультразвуковая
чефсктоскопия. Справочное пособие
Мн..
Выш.шк.. 1^87.
4 Серёшн А Модерничация конструкции
колонного шффу шинного аииара«а Сахар. - 1<В)0.
5. СерСгин Д.. МоиовыП Р.. Путан ко II
КолониыП лиффучионнмй аннарш ЭКА-2. Пищевая
и перерабатывающая промышленное! ь. - 2001. -Хй
I.
6. Серёлш Д.. Люлька Д.. Петрушка П..
ЕурыП II. Автоматизация и опы» жеилуаг.тнн
зиффузиопной установка Сахар 2005
7. Люлька Д.. Серегин А. ‘Зависимость
ин1енсивжлл и масоотдичи в системе в системе
«(свекловичная стружка
диффузионной сок» от
конструкции транспортных систем колонных
диффузионных аппаратов. Сахар 2010.
К В Милков. Р Арсенов. & Поянов. П. Стоя­
нов. Хр
Хистосков
Безжичнн измерителии
системи на механични всличинн и приложения.
Механика на машииите. 2010.
Ч.
В. Майков. Прорамен шкет за статични и
динамичнн
анализы
'СДАН'
ТУ-Варна.
\у\у\у.«.()ап.Ни.Ье
10 В. Милков. Р.Арсснов. И Иванов. Д.Дншсв.
Ьсзконтактно измерваие на вьргят момею и при­
ложения. Механика на машиннге. 2010
1уц,чу> тс*сг.Ы1.Ь$
109