2.3.3 Обоснование конструктивно-геометрических характеристик разрабатываемой мешалки системами инженерного анализа
Для проверочного расчета на прочность и обоснования основных геометрических размеров деталей и узлов разрабатываемой мешалки и ее технологической оснастки применен вычислительный комплекс APM FEM, основанный на методе конечных элементов и имеющий большое количество моделей, описывающих механические свойства материалов нагружаемых деталей. Узлом мешалки, которой непосредственно рассчитывался на статическую нагрузку, является перемешивающее устройство, так как именно он воспринимает нагрузку в процессе перемешивания молока.
Мешалка 4-х лопастная представляет собой сборочный узел, состоящий из 43 деталей (включая стандартные изделия): вала, на поверхность которого с помощью сварочного соединения размещены 2 опорные шайбы, 8 пластин и лопаток. В качестве материалов деталей, контактирующих с продуктом, выбрана из библиотеки Компас нержавеющая сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 2590-2006, наиболее применяемой в качестве материала для оборудования пищевой промышленности.
Центробежная сила, развиваемая шнековым устройством, задавалась через угловую скорость равную ω = nр.о./9,55 = 186,7/9,55 = 19,5 рад/с.
Давление оказываемое на поверхность лопасти мешалки определялось ранее и составило 2041 Па. Так как мешалка подвешена консольно, дополнительно на всю сборку добавлялся специальный тип нагрузки APM FEM – сила тяжести [20].
Таким образом, общая схема креплений и нагрузок на твердотельную модель мешалки в APM FEM представлена на рис. 2.4.
Рисунок 2.4 Схема креплений и нагрузок на твердотельную модель мешалки
Твердотельная модель сборочного узла мешалки с помощью сеточного генератора на основе стандартной сетки была разбита соответственно на 49738 узлов и 26717 конечных элементов (рис. 2.5), что обеспечило достаточную точность вычислений [20].
Рисунок 2.5 Сетка конечных элементов твердотельной модели мешалки
По результатам расчета были построены эпюры напряжений по Мизесу, абсолютных перемещений и запаса прочности, представленные на рис. 2.6.
Из расчетов следует, что наиболее нагруженным элементом сборочного узла является лопатки в месте их контакта с пластинами, так как в данном месте происходит передача вращающего момента от вала к лопаткам. Как видно из эпюр напряжений указанное место промежуточного вала является зоной концентраций напряжений, чье максимальное значение достигает 24,73 МПа. Однако, минимальный коэффициент запаса прочности составляет величину 10,92. Следовательно, условие прочности выполняется, а рассматриваемый сборочный узел с заданными конструктивно-геометрическим характеристиками является работоспособным.
а) б) в)
Рисунок 2.6 Результаты расчетов: а - эпюра запаса прочности твердотельной модели мешалки; б - эпюра перемещений твердотельной модели мешалки; в - эпюра напряжений твердотельной модели мешалки
В результате реализации предложенного технического решения уменьшиться время охлаждения молока по всему объему резервуара охладителя, за счет организации большего количества потоков, которые из-за взаимопроникновения ускоряют процесс охлаждения, а следовательно, позволяют снизить затраты энергии на охлаждение молока и повысить его качество.