CC BY
65
УДК 004.891.2
А. Г. Трошина, асп., [email protected],
Н. Н. Трушин, д-р техн. наук, проф., (4872)35-18-87 (Россия, Тула, ТулГУ)
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИВОДА ШАРОВОЙ МЕЛЬНИЦЫ
Представлена информация касательно компьютерного моделирования привода шаровой цементной мельницы. Представлен анализ разработки всех этапов разработки программного продукта для решения задачи эскизного проектирования и фор-мадлизации процесса выбора оптимального расположения нового редуктора на существующей производственной площадке. Представлена разработанная для данной проблемы математическая модель.
Ключевые слова: 3П-модель, компьютерное моделирование, математическая модель, модернизация, оптимальное расположение, привод цементной мельницы, редуктор, эскизный проект.
После многолетней эксплуатации и выработки своего технического ресурса приводы горизонтальных шаровых мельниц подвергаются модернизации. При этом наиболее изнашиваемым элементом привода является редуктор. В процессе модернизации производится проектирование и изготовление нового редуктора, а также создается проект монтажа нового редуктора на существующей производственной площадке предприятия.
В настоящее время процесс разработки и согласования проекта заказа на сложную техническую продукцию между клиентом и поставщиком занимает довольно много времени вследствие необходимости детализации проекта и подготовки рабочих чертежей. Сократить время проектирования сложного технического изделия возможно при помощи современных компьютерных средств и технологий.
С помощью разработанной системы компьютерного моделирования можно по исходным данным разработать эскизный проект, выбрать оптимальный способ модернизации привода и объем работ участников. Рассмотрим далее структурно-функциональную организацию компьютерной системы и методические аспекты ее практической реализации.
Уже при разработке эскизного проекта модернизации привода мельницы возникают трудности, обусловленные противоречиями между требованиями цементного предприятия и техническими возможностями изготовителя редуктора. В процессе модернизации привода принимают участие три стороны: клиент (или заказчик), производитель (или поставщик) и агент.
Клиент - это цементное предприятие, обладающее мельницей, привод которой израсходовал свой технический ресурс.
Производитель - фирма, занимающая производством и поставкой приводов цементных мельниц (в первую очередь, такого компонента как редуктор).
Агент - представитель производителя, осуществляющий функции посредника между двумя вышеуказанными сторонами в процессе совершения сделки и исполнения контракта на модернизацию привода.
С целью выявления трудностей компоновки нового привода на существующей производственной площадке необходимо определить, какие данные необходимо собрать от участников проекта. Данные, необходимые для разработки проекта модернизации, получаемые от клиента:
- параметры фундаментов и параметры старого привода (размеры ям: 1Я1, /я2 - длина каждой ямы и мЯ1, wя2 - ширина каждой ямы; расстояние от фланца мельницы до первой ямы /1 и расстояние между ямами /2; расстояние осей анкерных болтов от фланца мельницы «1 и между собой «2 и аз, а также расстояния между анкерными болтами на одной оси
w, Wll, Wl2, W21, W22, Wзl и Wз2);
- информация о том, будет ли перемещаться электродвигатель (если да, то рассчитывается необходимая величина перемещения электродвигателя - разница между исходным Ь и после расчета, если нет, то клиент предоставляет данные о точном расстоянии между валом электродвигателя и фланцем мельницы);
- данные о заменяемых узлах привода (меняются ли муфты, меняется ли вспомогательный привод и если да, то будет ли он установлен за главным электродвигателем или же между ним и редуктором).
От производителя редуктора в зависимости от принятого типоразмера редуктора и рассчитанных параметров соединительных муфт для данного крутящего момента поступают следующие данные:
- габаритные ограничения на муфты (минимальные и максимальные размеры от /^ т^ до /^ тах и от /т т^ до /т тах для каждой из муфт соответственно - в случае их замены);
- параметры редуктора (габаритные размеры: длина gl и ширина gw; минимальные и максимальные размеры лап gal и gaw; длины выступающих за эти границы быстроходного g/^ и тихоходного g/да валов редуктора);
- параметры вспомогательного привода (в случае, если вспомогательный привод интегрирован с быстроходной муфтой, то его длина равна длине быстроходной муфты).
В результате совместного анализа перечисленных исходных данных необходимо получить следующие результаты:
- тип (способ) модернизации привода (выбор одного из существующих типов модернизации, описывающий возможность установки на старые анкерные болты или необходимость проведения соответствующих фундаментных работ);
- параметры монтажа привода (gal, gaw, /т, /^, Ь).
Кроме этого, следует получить графическое отображение результатов работы компьютерной системы, а именно:
- эскизный проект модернизации привода;
- 3Б- модель редуктора для визуализации принимаемого решения.
Выполнение всех расчетов и чертежей проекта модернизации привода мельницы только вручную является довольно трудоемким процессом, требующим большого опыта и объема знаний от проектировщика. Для автоматизации процесса проектирования формализуем данную задачу.
Основными типами (способами) модернизации, которые обычно применятся на цементных предприятиях для приводов горизонтальных шаровых мельниц с центральным или смещенным приводом, являются следующие:
1) двигатель остается на прежнем месте, а редуктор устанавливается на существующие анкерные болты;
2) двигатель остается на месте, а редуктор устанавливается на новые анкерные болты на переходную раму, которая в свою очередь монтируется на существующие анкерные болты;
3) двигатель переносится на новое место, редуктор устанавливается на существующие анкерные болты;
4) двигатель переносится на новое место, редуктор устанавливается на новые анкерные болты на переходную раму, которая, в свою очередь, монтируется на существующие анкерные болты;
5) модернизация фундаментов, при которой может удаляться часть фундаментов для прокладки новых коммуникаций. В существующем фундаменте сверлятся отверстия, в которые с помощью специального эпоксидно-цементного раствора, устанавливаются новые анкерные болты.
Математическое обеспечение решения поставленной задачи включает в себя определение выходных данных через входные и промежуточные данные. Для выбора оптимального типа модернизации необходимо учитывать как качественные, так и количественные параметры. К качественным параметрам относится комплектность поставки нового привода.
Рассмотрим выбор, основанный на качественных критериях. Имеется объект "привод" с атомами, определяющими состояния объекта: С (г)
- центральный привод г, Н (г) - меняется компонент г, М (г) - изменяется местоположение компонента г, Т (г) - производится попытка установить на
(1)
старый фундамент привод г, x - привод, у - вспомогательный привод, г -приводной двигатель, к - фундаментные ямы, р - муфты.
Формулы, определяющие состояние объекта следующие:
С(х) л -.М^) л Т(х) л (Н(у) V -.Н(у)) л ((Н(р) л х > к^)) V
V (—|Н(р) л х > к})) з Тип1 ;
С(х) л -М^) л (Н(у) V ^Н(у)) л (^Т(х) V (Т(х) л ((Н(р) л л х < к^) v-lH(p))) ^ Тип2 ;
(-.С(х) V С(х)) л М(2) л Т(х) л (Н(у) V ^Н(у)) л ((Н(р) л х > к^) V V (—|Н(р) л х > к})) з ТипЗ ;
(^С(х) V С(х)) л М(7) л (Н(у) V ^Н(у)) л (^Т(х) V (Т(х) л ((Н(р) л л х < к^) v-lH(p))) ^ Тип4 ;
-.(Тип1 V Тип2 V ТипЗ V Тип4) з Тип5 .
Несмотря на то, что по законам математической логики некоторые конструкции в вышеуказанных формулах взаимно уничтожаются (например, Н(у) V -1Н(у)), их упоминание необходимо для выбора комплектности
поставки и для работы с проектом на следующих стадиях его разработки.
Кроме критериев качественных необходимо учитывать и количественные критерии. Для установки редуктора на старые анкерные болты должны выполняться условия:
l6 + lm + gl~ L;
a1 + a2 = lm + glm + gal;
a1 = lm + glm;
w > wH\;
или
l6 + lm + gl~ L; a1 + a2 + a3 = lrn + glm + gal; a1 ^ a2 _ lm ^ glm; w > wR 2.
(2)
Если эти условия не выполняются, то идет проверка выполняемости следующего условия (3) для установки редуктора на переходную раму, которая в свою очередь устанавливается на старые анкерные болты.
1б + lm + gl- L;
a1 + a2 = lm + glm + gal'; или
a1 = lm + glm;
І6 + lm + gl- L;
a1 + a2 + a3 = lrn + g lm + gal; (З)
a1 ^ a2 _ lm ^ glm;
При этом следует отметить, что при выполнении условий (2) и (3) необходимо, чтобы выполнялись следующие неравенства:
< w < g '
n — — & aw max ?
ga
g al min ~ g al ~ g al max ;
l . < l < l ;
m min m m max 5
L . < l д < l д .
6 min б б max
На основе построенной математической модели необходимо разработать программное обеспечение для решения указанной задачи. Выше уже были определены входные и выходные данные программы, а также основные задачи, решаемые компьютерной системой. Рассмотрим создание необходимого программного обеспечения по этапам.
Выбор инструментария для решения задачи. Для создания нового программного обеспечения была выбрана САПР КОМПАС, которая предоставляет сторонним разработчикам возможности для работы с ней посредством различных сред программирования. В рассматриваемом случае использовалась система программирования Бе1рЫ 7.
Разработка базы данных для хранения параметров редуктора и других компонентов привода, полученных от производителя. База данных параметров редуктора должна включать все необходимые для выбора типа модернизации данные о типовых или теоретически возможных проектах, полученные от производителя. Решение выбирается в зависимости от типоразмера редуктора, который оценивается по передаваемой мощности и скорости вращения редуктора на входе и выходе. Организация базы данных выполнена на основе реляционных моделей. Учитывая, что с программой могут работать клиент, агент и производитель, необходимо организовать выполнение базой данных следующих операций:
- для клиента - поиск по базе в соответствие с его данными мощностью и скоростью вращения.
- для производителя - редактирование базы данных (как добавление новых записей, так и редактирование уже имеющихся).
- для агента - обе указанные возможности.
Разработка модуля расчета основных параметров и выбора типа модернизации производится на основе вышеизложенной математической модели. Следует также отметить, что данный модуль передает входные данные в модуль выбора оптимального варианта типа модернизации и модуль расчета трехмерной модели редуктора, а также объединяет их и передает рассчитанные параметры далее в модули работы с САПР.
Разработка модуля подключения к САПР и передачи данных из расчетного модуля в САПР. Как показано на рис.2, этот модуль объединяет процедуры и функции, необходимые для подключения к системе КОМПАС по АР1-интерфейсу, а также для передачи данных в САПР. Кроме того он объединяет данные от модуля генерации двумерного чертежа и модуля перестроения ЗБ-модели по рассчитанным параметрам.
КОМПАС предоставляет большие возможности работы с его внутренними функциями по созданию как сторонних приложений, подключаемых к САПР, так и для создания встраиваемых библиотек сторонними разработчиками. Для этого используются средства разработки приложений КОМПАС-Мастер - набор динамически подключаемых библиотек (БЬЬ),
которые можно использовать из любой стандартной системы программирования для Windows на языках C/C++, Delphi, Visual Basic.
Отметим, что для работы с трехмерной сборкой редуктора из программного модуля предварительно была создана его параметрическая модель, часть параметров которой выражаются одна через другую уже внутри нее. Итоговые внешние переменные и будут меняться уже из программы. Ввиду их большого количества (более 90) их расчет производится в отдельном модуле. К таким переменным относятся размеры корпусов, подшипников, числа зубьев всех зубчатых компонентов, длины валов ит. д.
Для расчета параметров планетарного редуктора разработаны отдельные программные модули для расчета зубчатых колес, отдельно для расчета зацеплений и корпусов. Отдельные модули разработаны также и для расчета параметров соединительных муфт, вспомогательного привода, установочных фундаментов. С целью упрощения перечисленные модули на рис. 2 не отражены.
Разработка интерфейса пользователя с компьютерной системой. Интерфейс взаимодействия пользователя с компьютерной системой спроектирован в виде главного окна с несколькими вкладками (меню). С помощью первой из них осуществляется выбор комплектности поставки привода. На второй вкладке вводятся параметры существующего фундамента. Далее идет выбор типа редуктора (для клиента) и редактирование базы данных (для агента и производителя). На последней вкладке осуществляется выбор представления результатов работы программы:
- вывод в текстовой файл;
- вывод в виде двумерного (2D) чертежа;
- генерация трехмерной (3D) модели редуктора.
В текстовый файл выводятся исходные данные и рассчитанные параметры привода. Если пользователь задал вывод данных в 2D чертеж, то с такого чертежа он может считать только размеры и уже сам для себя определить необходимый тип модернизации. Данный чертеж аналогичен рис.1 с проставлением конкретных размеров нашего проекта. Такой чертеж является уже разработанным эскизным проектом, а следовательно, достаточным результатом для согласования проекта между клиентом и агентом и для дальнейшей проработки проекта производителем. В случае осуществления генерации 3D модели, изменяются параметры редуктора, в соответствие со значениями, заданными производителем и рассчитанными в процессе работы программы.
После построения чертежа проекта можно сохранить его в файл или распечатать для последующего обсуждения и построения технического проекта, опираясь на него.
Тип модернизации описывает как необходимые компоненты для замены привода (иногда возникают ситуации, когда выбранных компонентов для замены недостаточно для нормального функционирования нового привода), так и способы установки редуктора - на промежуточную раму, с изменением фундамента, на старые или новые анкерные болты. Параметры установки привода детализируют эти данные, указывает не только как будет установлен редуктор, но и точные размеры крепежа. Чертеж и 3D модель служат для визуализации и более простого понимания полученных результатов. Кроме того, чертеж можно рассматривать как эскизный проект модернизации привода. С трехмерной модели пользователь может делать любые необходимые чертежи, а также дает представление о том, что будет ему поставлено в случае заказа (для клиента).
Разработанное методическое и программное обеспечение применяется в проектной деятельности предприятий, осуществляющих проекты модернизации приводов мельниц на российских цементных заводах. Данное ПО позволяет значительно сократить затраты времени на разработку эскизного проекта монтажа привода (с одного - двух дней до одного -двух часов), а с учетом времени на внесение исправлений в проект в случае уточнения требований клиента экономия времени оказывается довольно большой. Кроме того, если раньше для разработки проекта требовался высококвалифицированный специалист, то теперь для проведения данной работы опыт и большой багаж знаний не требуется, что позволяет освободить специалиста для других работ. В некоторых случаях разработка проекта можно идти параллельно с переговорами с заказчиком относительно согласования проекта.
Список литературы
1. ДудаВ. Цемент. М.: Стройиздат, 1981. 232 с.
2. Трошина А. Г. Модернизация приводов горизонтальных шаровых мельниц // Цемент и его применение. 2009. № 3. С. 4-8.
A. Troshina, N. Trushin
COMPUTER SIMULA TION OF BALL MILL DRIVE
The information about the system of simulation of the gear drive of the ball cement mill is presented. The analysis of all stages of working the software to solve the problem of creation the draft and to formalize selection the optimal arrangement of new gearbox on exist foundation is proposed. The mathematical model for this application was developed.
Key words: 3D-model, computer simulation, mathematical model, modernization, optimal arrangement, cement mill drive, gearbox, draft.
Получено 12.12.10
