MODELOWANIE I ANALIZY W PROCESIE MODERNIZACJI PRASY FILTRACYJNEJ PFK 570N

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 46, ISSN X MODELOWANIE I ANALIZY W PROCESIE MODERNIZACJI PRASY FILTRACYJNEJ PFK 570N Krzysztof Kwaśny 1a, Arkadiusz Tomas 1b, Piotr Matusiak 1c 1 Instytut Techniki Górniczej KOMAG a kkwasny@komag.eu; b atomas@komag.eu; c pmatusiak@komag.eu Streszczenie W artykule przedstawiono proces modelowania oraz wyniki analiz wytrzymałościowych, jakie wykonano w trakcie modernizacji prasy filtracyjnej PFK 570N, opracowanej w ITG KOMAG. Prace modernizacyjne miały na celu zwiększenie wydajności prasy, poprzez, między innymi, zwiększenie ciśnienia podawania nadawy. Weryfikację wytrzymałościową konstrukcji prasy wykonano na podstawie analiz MES modelu, utworzonego w programie Autodesk Inventor. W pierwszej kolejności wykonano analizy pojedynczych, głównych elementów prasy, następnie zakres analiz rozszerzano o poszczególne zespoły, aż do całości jej konstrukcji. MODELLING AND ANALYSES IN THE PROCESS OF MODERNIZATION OF PFK 570N FILTRATION PRESS DESIGN Summary Modelling process and strength analyses made during modernization of PFK 570N filtration press, designed at KOMAG, are presented in the paper. The project aimed at increasing its output by increase of pressure of feed delivery. Strength of the filtration press structure was verified using FEM analyses of its model created in Autodesk Inventor program. At the beginning the analyses of single main components of the press were made, then analyses were extended to subassemblies and finally to the entire structure. 1. WSTĘP W zakładach przeróbczych kopalń węgla kamiennego prasy filtracyjne stosowane są do odwadniania drobnoziarnistych produktów wzbogacania. Proces filtracji polega na oddzieleniu cieczy od części stałej poprzez ciśnienie wywierane przez zawiesinę na filtr. Ciecz zawarta w zawiesinie przechodzi przez szczeliny filtra, natomiast części stałe pozostają po stronie, w której wywierane jest ciśnienie. Proces filtracji jest złożony i zależny od wielu czynników, m.in. od: rodzaju filtrowanej zawiesiny, ciśnienia, filtra [1,2,3]. Na rys. 1 przedstawiono model prasy filtracyjnej. Prasy filtracyjne stosowane są m.in. w: zakładach mechanicznej przeróbki węgla, w zakładach wzbogacania rud, w oczyszczalniach ścieków oraz w przemyśle spożywczym. Do głównych zalet pras filtracyjnych można zaliczyć: prostą budowę, łatwość dostosowania parametrów procesu filtracji, prostą automatyzację pracy, wygodną obsługę. W pracy prasy filtracyjnej wyróżnić można następujące etapy: - zamknięcie płyt i docisk, - napełnianie nadawą (zawiesiną) do uzyskania ciśnienia roboczego, - filtracja, 64

2 Krzysztof Kwaśny, Arkadiusz Tomas, Piotr Matusiak - luzowanie płyt, - rozsuwanie płyt i usuwanie placków filtracyjnych, Uzyskiwane wilgotności odwodnionego materiału wynoszą: - dla osadów pogalwanicznych: 33,0 80,0%, - dla koncentratów miedzi: 13,5 20,0%. 2. BUDOWA MODELU DO CELÓW ANALIZ Pierwszym etapem prac związanych z wykonaniem analiz było wykonanie uproszczonego modelu prasy ze względu na znaczne wymiary urządzenia oraz dużą liczbę elementów. Usunięto Rys. 1. Model prasy filtracyjnej PFK 570N; 1 głowica stała z cylindrem, 2 głowica stała z przegubem, 3 głowica przesuwna, 4 głowica przegubowa, 5 płyty filtracyjne, 6 belka nośna [4] - dla osadów z przemysłu węglowego: 18,0 30,0% [3]. Prasy budowane są jako komorowe, membranowe oraz ramowe. Występują jako konstrukcje z belkami bocznymi lub z belką górną [3]. W latach 70. ubiegłego wieku, w ówczesnym Centralnym Ośrodku Projektowo-Konstrukcyjnym Maszyn Górniczych KOMAG w Gliwicach, opracowano szereg konstrukcji pras filtracyjnych, m.in. prasę PF 570. Prasa filtracyjna PF 570, produkowana przez firmy Pioma i Rybnickie Zakłady Naprawcze, znalazła zastosowanie w wielu zakładach mechanicznej przeróbki węgla kopalń węgla kamiennego. Po 40 latach eksploatacji pras zaistniała potrzeba wymiany bądź modernizacji eksploatowanych urządzeń. Podjęto zatem prace mające na celu unowocześnienie rozwiązania prasy filtracyjnej PF 570 z uwzględnieniem obowiązujących norm i zastosowaniem materiałów i elementów dostępnych na rynku, a także z uwzględnieniem zmian dokonanych przez użytkowników na przestrzeni 40 lat eksploatacji. Prace modernizacyjne wykonano z zastosowaniem modelowania trójwymiarowego jako narzędzia do projektowania urządzeń oraz wykonania dokumentacji, skracającego istotnie jego czas, oraz zmniejszającego ryzyko popełnienia błędu. Wykonany wirtualny model przestrzenny umożliwił analizę wytrzymałościową, ruchową oraz wykrycie ewentualnych kolizji pomiędzy elementami. wszystkie elementy nieistotne z punktu widzenia wytrzymałości konstrukcji prasy. Usunięto między innymi: osłony, agregat hydrauliczny wraz z całą armaturą, zespół przesuwu płyt, wszystkie przyłącza rurowe z uszczelnieniami, uchwyty, zaciski itp. Pozostałe elementy uproszczono poprzez usunięcie zbędnych otworów, fazowań, zaokrągleń, podcięć itp. Stopień wykonanych uproszczeń uzależniony był od rodzaju wykonywanych analiz. W przypadku analiz pojedynczych elementów uproszczenia były mniejsze, natomiast w analizach całości konstrukcji prasy większe (rys. 2). W modelu pominięto również nadlewy spoin. Stopień uproszczenia elementów wynikał z dwóch faktów. Po pierwsze, program Autodesk Inventor, który nie jest typowym środowiskiem do wykonywania analiz wytrzymałościowych, posiada ograniczone możliwości obliczeniowe w tym zakresie. Po drugie, celem przeprowadzanych analiz było uzyskanie orientacyjnych wartości naprężeń, które miały jedynie charakter pomocniczy i stanowiły uzupełnienie do klasycznych obliczeń [5]. 65

3 MODELOWANIE I ANALIZY W PROCESIE MODERNIZACJI PRASY FILTRACYJNEJ Rys. 2. Uproszczenie modelu płyty oporowej przegubu; a) pierwotna postać płyty, b) postać płyty do analizy pojedynczego przegubu, c) postać płyty do analizy całej konstrukcji prasy [4] 3. ANALIZY WYTRZYMAŁOŚCIOWE Obliczenia wytrzymałościowe metodą elementów skończonych wykonano w programie Autodesk Inventor. W pierwszej kolejności wykonano analizy pojedynczych, głównych elementów prasy. Następnie zakres analiz rozszerzano o poszczególne zespoły, aż do analizy całości konstrukcji prasy. 3.1 ANALIZY POJEDYNCZYCH ELEMENTÓW PRASY W konstrukcji prasy, podobnie jak w konstrukcjach wszystkich urządzeń mechanicznych, można wyróżnić elementy decydujące o poprawnej wyniki analizy, gdy na wewnętrzne powierzchnie płyty zostało zadane dodatkowo ciśnienie o wartości 1,5 MPa odpowiadającej maksymalnej, przewidywanej wartości ciśnienia nadawy. W celu symulacji warunków zbliżonych do rzeczywistych użyto pakietu płyt połączonych ze sobą, jak w rzeczywistej prasie. Płytom nadano więzy i zadano obciążenia. Następnie ukryto wszystkie płyty, poza jedną, znajdującą się na środku pakietu, w stosunku do której zastosowano lokalne zagęszczenie siatki podziałowej. W dalszej kolejności przeprowadzono analizy, których wyniki pokazano na rys. 3. Na tym etapie prac wykonano również analizy pozostałych elementów, o których wspomniano wcześniej. Ich przebieg był analogiczny jak w przypadku płyt filtracyjnych. Analizy tych elementów wykonywano również w połączeniu Rys. 3. Wyniki analizy płyty filtracyjnej; a) zadana siła ściskająca (pochodząca od siłownika), b) zadana siła ściskająca i ciśnienie nadawy 1,5 MPa [4] pracy. Można do nich zaliczyć: płyty filtracyjne, elementy oporowe przegubów występujących w obu głowicach, cylinder oraz inne elementy składowe siłownika. Dla tych części wykonano odrębne, szczegółowe analizy. W modelach wprowadzono jedynie niewielkie uproszczenia. W celu zwiększenia dokładności zastosowano większe zagęszczenie siatki podziałowej. Na rys. 3 przedstawiono przykładowe wyniki analiz płyt filtracyjnych, przy różnych rodzajach obciążeń. Rys. 3a przedstawia sytuację, gdy płyta jest obciążona siłą ściskającą, występującą w czasie zamykania prasy. Natomiast na rys. 3b pokazano z bezpośrednio sąsiadującymi komponentami, na których powierzchnie zadawano obciążenia. 3.2 ANALIZY ZESPOŁÓW PRASY FILTRACYJNEJ W kolejnym etapie prac wykonano analizy poszczególnych zespołów prasy. Objęto nimi wszystkie głowice prasy, belki nośne oraz zespół siłownika z tłoczyskiem. Na rys. pokazano przykładowe wyniki dwóch analiz. 66

4 Krzysztof Kwaśny, Arkadiusz Tomas, Piotr Matusiak Rys. 4. Przykładowe analizy poszczególnych zespołów prasy: a) głowica stała z cylindrem, b) głowica przegubowa [4] Rys. 5. Wyniki analizy całości konstrukcji prasy [4] Modele zastosowane w tych analizach charakteryzowały się większym stopniem uproszczenia niż w przypadku analiz opisanych w punkcie 3.1. Przyjęto siatkę podziałową o mniejszym zagęszczeniu ze względu na większą złożoność modelu. Wyniki analiz były bardziej zbliżone do stanu rzeczywistego niż w przypadku analiz pojedynczych elementów. Wynika to z lepszego odwzorowania rozkładu sił na poszczególnych elementach. Rozkład sił był inny, ze względu na występowanie odkształceń współpracujących ze sobą elementów. Przeprowadzone analizy dostarczyły wielu informacji na temat poszczególnych zespołów, szczególnie w przypadku głowic bezpośrednio współpracujących z płytami filtracyjnymi, gdzie niewielkie odkształcenia ich krańców mogą powodować rozszczelnienie układu filtracyjnego. 3.3 ANALIZA CAŁOŚCI KONSTRUKCJI PRASY Do analizy całej konstrukcji prasy zastosowano model o największym stopniu uproszczenia, zwłaszcza w odniesieniu do płyt filtracyjnych. W pierwszych analizach zastosowano model z kompletem odpowiednio uproszczonych płyt. Okazało się jednak, że program Autodesk Inventor nie był w stanie wykonać analizy zespołu z tak dużą liczbą części, nawet przy zastosowaniu siatki podziałowej o małym zagęszczeniu. Problem ten rozwiązano przez zastąpienie zestawu płyt jednolitym modelem o odpowiadających mu wymiarach (rys. ). Pozwoliło to na wykonanie analiz i uzyskanie wyników o wymaganej dokładności. Analizowanemu modelowi nadano wiązania odpowiadające przytwierdzeniu prasy do podłoża. Obciążenia konstrukcji zostały zadane w postaci nacisków powierzchniowych, na wewnętrznych ścianach siłownika. Wartość nacisków powierzchniowych wynosiła 40 MPa i odpowiadała maksymalnemu ciśnieniu czynnika roboczego zasilającego siłownik. 3.4 ANALIZA WPŁYWU WARTOŚCI CIŚNIENIA NADAWY NA ROZKŁAD NAPRĘŻEŃ W GŁOWICACH W analizie całości konstrukcji prasy konieczne było zastąpienie płyt filtracyjnych jednolitym modelem. W związku z tym wykonano dwie serie analiz, które dotyczyły głowic bezpośrednio sąsiadujących z płytami filtracyjnymi, w zestawieniu z kilkoma skrajnymi płytami (rys. ). 67

5 MODELOWANIE I ANALIZY W PROCESIE MODERNIZACJI PRASY FILTRACYJNEJ Rys. 6. Analiza głowicy przesuwnej w zestawieniu z płytami filtracyjnymi: a) z zadaną siłą ściskającą, b) z zadaną siłą ściskającą i ciśnieniem 1,5 MPa pochodzącym od nadawy [4] W pierwszej kolejności wykonano analizę z zadaną siłą ściskającą płyty. Odpowiadała ona sile wywołanej przez siłownik. Jej wartość wyznaczono na podstawie wartości maksymalnego ciśnienia w siłowniku i średnicy tłoka. Analiza pozwoliła na uzyskanie informacji o rozkładzie naprężeń i odkształceniach, jakie występują w pierwszej fazie pracy prasy, czyli w czasie jej zamykania (rys. a). Następnie dodano obciążenia, w postaci nacisków powierzchniowych, na wewnętrznych ścianach płyt filtracyjnych. Odpowiadały one ciśnieniu nadawy podawanej do prasy. Dla tak obciążonego modelu przeprowadzono serię symulacji, zmieniając wartość nacisków ciśnienia ok. 1,6 MPa stwierdzono możliwość utraty spójności pomiędzy krawędziami płyt filtracyjnych. 3.5 ANALIZA NAPRĘŻEŃ I PRZEMIESZCZEŃ W GŁOWICY W FUNKCJI JEJ GRUBOŚCI Do celów analizy użyto tego samego modelu co w analizie opisanej w punkcie 3.4. Głowicę obciążono siłą ściskającą oraz obciążeniem odpowiadającym ciśnieniu nadawy 1,5 MPa. Przeprowadzono serię symulacji, w których kolejno zmieniano grubość głowicy w zakresie od 160 do 750 mm. Wyniki Rys. 7. Wyniki analiz; a) model głowicy (grubość 220 mm) b) odkształcenia krawędzi głowicy, c) naprężenia w rurze do przedmuchu i w konstrukcji głowicy [4] powierzchniowych w zakresie od 0 do 2 MPa. Na podstawie uzyskanych wyników określono wpływ wartości ciśnienia nadawy na rozkład naprężeń i odkształceń w głowicach. Określono również przybliżoną wartość ciśnienia nadawy, przy której może nastąpić rozszczelnienie prasy. Przy wartości 68 analizy, dla głowicy przesuwnej, przedstawiono w formie wykresów na rys.. W czasie analiz wykorzystano funkcję parametryzacji modelu, jaką oferuje program Autodesk Inventor. Polega ona na połączeniu pliku modelu 3D z plikiem arkusza kalkulacyjnego,

6 Krzysztof Kwaśny, Arkadiusz Tomas, Piotr Matusiak w którym definiuje się poszczególne parametry. Następnie przypisuje się parametry do odpowiednich wymiarów modelu. Dzięki temu, zmieniając jedynie wartości parametrów w arkuszu, można sterować dowolnymi wielkościami modelu. Wielkościami rejestrowanymi w czasie analiz były odkształcenia krawędzi głowicy (rys. a) oraz występujące w niej naprężenia (rys. b). W przypadku odkształceń rozróżniono odkształcenia bezwzględne oraz względne, odniesione do powierzchni głowicy, do której przylegają płyty filtracyjne. W przypadku naprężeń rejestrowano wartości dla konstrukcji nośnej głowicy oraz dla rury doprowadzającej powietrze do przedmuchu. Wynikało to z funkcji, jakie pełnią oba elementy. Zadaniem konstrukcji nośnej jest przenoszenie obciążeń, natomiast rura ma za zadanie doprowadzenie powietrza do komór filtracyjnych i powinna być obciążona w jak najmniejszym stopniu. 4. PODSUMOWANIE W artykule opisano przebieg analiz wytrzymałościowych, począwszy od najprostszych, z udziałem pojedynczych elementów, aż do analizy całości konstrukcji prasy. Każda z analiz dostarczyła informacji, na podstawie których zidentyfikowano słabe punkty prasy, czyli miejsca, w których występowały największe naprężenia. Dla tych miejsc wykonano dodatkową weryfikację klasycznymi metodami obliczeniowymi i w razie konieczności dokonywano modyfikacji konstrukcji. W niektórych przypadkach wyniki analiz były sprzeczne z wynikami tradycyjnych obliczeń. Przykładem może być pokrywa siłownika. Na rys. 4 pokazano wyniki uzyskane w czasie analizy całości konstrukcji prasy. Zarejestrowano tu znaczne przekroczenie dopuszczalnej wartości naprężeń. Jednak po wykonaniu weryfikujących obliczeń wytrzymałościowych stwierdzono, że wszystkie warunki wytrzymałościowe są spełnione. W analizie pokazanej na rys. 4. naprężenia przekraczające dopuszczalne wartości występują jedynie na krańcach pokrywy, na bardzo małych obszarach. Stwierdzono, że są one wynikiem nierównomiernego rozkładu obciążeń spowodowanego odkształceniami całej konstrukcji. Przyjęto zatem, na podstawie wyników tradycyjnych obliczeń, że w rzeczywistej konstrukcji rozkład obciążeń będzie bardziej korzystny. Rys. 4. Pokrywa siłownika [4] Pierwsze analizy wykonywano dla konstrukcji prasy przed modernizacją, przy stałych warunkach, odpowiadających maksymalnemu obciążeniu. W dalszej kolejności wykonano analizy wybranych zespołów, zmieniając wartości obciążeń w ustalonym zakresie, oraz analizy dla różnych postaci konstrukcyjnych zespołów, przy stałym obciążeniu. Pierwszą analizę opisano w punkcie 3.4. Dotyczyła ona głowicy przesuwnej i pakietu płyt filtracyjnych. Wielkościami, jakie zmieniano, były obciążenia odpowiadające ciśnieniu nadawy. Ich wartość zmieniano od 0 do 2 MPa, przy czym, przewidywana, maksymalna wartość ciśnienia nadawy w prasie wynosi 1,5 MPa. Wyniki tej serii analiz dały informacje na temat naprężeń oraz przemieszczeń, jakie mogą występować w czasie napełniania prasy nadawą. Zwrócono uwagę na fakt, że występował spadek wartości naprężeń w głowicy w miarę wzrostu ciśnienia nadawy. Spadek ten następował do osiągnięcia wartości ciśnienia około 1,7 MPa. Powyżej tej wartości naprężenia w głowicy gwałtownie rosły. Było to spowodowane prawdopodobnie budową płyty filtracyjnej. Przy występowaniu jedynie siły ściskającej obciążenia przenoszone są na głowicę poprzez krańce płyty i wypusty. Po podaniu ciśnienia nadawy rozkład obciążenia stał się bardziej równomierny na całej powierzchni głowicy. W opisanej serii analiz przyjęto stałą wartość siły pochodzącej od siłownika. W rzeczywistości wraz ze wzrostem ciśnienia nadawy wartość siły rośnie. Widać to na podstawie ciśnienia w obwodzie siłownika. W celu uproszczenia analizy przyjęto stałą wartość siły, wynikającą z maksymalnego ciśnienia, jakie można uzyskać w instalacji hydraulicznej prasy. W dalszej kolejności wykonano analizy obu głowic ruchomych, w których zmieniano ich grubości i obserwowano zmiany odkształceń oraz naprężeń. Celem tych analiz było określenie minimalnej grubości głowic, dla której odkształcenia i naprężenia mieszczą się w zakresie wartości dopuszczalnych. W przypadku odkształceń, w aspekcie możliwości rozszczelnienia prasy, bardziej istotne są odkształcenia względne. Są one mierzone względem powierzchni głowicy 69

7 MODELOWANIE I ANALIZY W PROCESIE MODERNIZACJI PRASY FILTRACYJNEJ stykającej się z płytami filtracyjnymi i mają bezpośredni wpływ na odkształcenia płyt filtracyjnych. Ukazujące się nowe wersje programu Autodesk Inventor są wyposażone w moduł do analiz wytrzymałościowych MES. Głównym przeznaczeniem programu Inventor jest modelowanie 3D, a moduł MES jest jedynie narzędziem pomocniczym. Jest on znacznie mniej rozbudowany niż programy dedykowane do wykonywania tego typu analiz. Również możliwości definiowania siatki, wiązań oraz obciążeń są bardziej ograniczone. Jednak pomimo wspomnianych ograniczeń moduł ten może być bardzo przydatnym narzędziem w czasie projektowania. Nie jest on bardzo rozbudowany, w związku z czym jego obsługa jest bardzo prosta. Ogromną zaletą jest również bezpośrednie połączenie modułów do modelowania 3D z modułem do wykonywania analiz MES. Pozwala to na szybkie i wygodne wprowadzanie zmian w analizowanych modelach. Wykorzystano to w analizach opisanych w niniejszym artykule. Moduł MES w programie Autodesk Inventor pozwala na wykonywanie prostych analiz elementów lub zespołów na bieżąco w czasie projektowania urządzeń i nie wymaga angażowania dodatkowego, specjalistycznego oprogramowania. W takich zastosowaniach zawarty w programie Autodesk Inwentor moduł do analiz wytrzymałościowych sprawdza się bardzo dobrze. Jednak w razie konieczności wykonania bardzo dokładnych analiz, w których wymagana jest duża pewność wyników, zalecane jest zastosowanie specjalistycznego oprogramowania. Literatura 1. Battalia A.: Odwadnianie produktów wzbogacania i obiegi wodne płuczek. Katowice: Wyd. Górniczo - Hutnicze, Leszczyński S.: Filtracja w przemyśle. Warszawa: WNT, Nawrocki J.: Budowa i eksploatacja maszyn do odwadniania produktów wzbogacania. Gliwice: Wyd. Pol. Śl., Praca statutowa Nowe rozwiązanie prasy filtracyjnej typu KOMAG przeznaczonej do odwadniania produktów wzbogacania. Materiały niepublikowane ITG KOMAG, Gliwice Jankowski Ł., Garczyński Z, Czartoryski B. i in.: Opracowanie linii do gięcia belki czołowej wózka jezdnego wagonu kolejowego. Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie 2012, nr 4 (55), s Proszę cytować ten artykuł jako: Kwaśny K., Tomas A., Matusiak P.: Modelowanie i analizy w procesie modernizacji prasy filtracyjnej PFK 570N. Modelowanie Inżynierskie 2013, nr 46, t. 15, s