Využití CAD a CAE technologií při výzkumu přesypů hadicových dopravníků

Tags: CAD | CAE | DEM | dopravníky

Přesypy v rámci kontinuální dopravy sypkých materiálů představují důležitá místa jednotlivých dopravních zařízení, která významně ovlivňují celý dopravní systém. V místě přesypů dochází v první řadě k předávání dopravovaného sypkého substrátu z jednoho dopravníku na jiný (obr. 1). Uvedený proces je spojen s více faktory působícími na životnost dopravních pásů, životnost konstrukce dopravního zařízení a přesypů. Přesyp dále svými vlastnostmi výrazně ovlivňuje celkovou spotřebu energie poháněcího zařízení apod.

Jak tedy vyplývá z uvedeného, výzkum přesypů v oblasti pásové dopravy je velmi důležitý a nabízí možnosti pro další zvyšování efektivity dopravních procesů.

V rámci výzkumu a analýzy přesypů pásových dopravníků se využívá široká škála metod založených na teoretických a experimentálních poznatcích. CAD a CAE systémy nabízejí pro potřeby analýzy přesypů hadicových dopravníků možnost získání široké škály informací, které se běžnými konvenčními metodikami nedají zaznamenat, resp. je lze registrovat pouze ve velmi omezené míře.

Obr. 1 Příklady přesypů pásového dopravníku [16]

Charakteristika „Discrete element method (DEM)"

DEM metoda se využívá pro sledování chodu jednotlivých částic při pohybu hromadně přepravovaného materiálu. Metoda DEM se poprvé uvádí v roce 1979. „Discrete element method" patří do skupiny numerických metod, které slouží ke zkoumání pohybu velkého množství částic malých rozměrů.

V současnosti se DEM stává široce akceptovanou účinnou metodou řešení technických problémů úzce spjatých například s granulovanými a diskrétními materiály, zejména s ohledem na sledování toku granulí, analýzou práškové mechaniky a mechaniky hornin.

Aplikace metody je poměrně výpočetně náročná, což působí často jako omezující faktor buď na délku simulace, nebo počet sledovaných částic. Z tohoto důvodu několik používaných DEM kódů využívá při řešení jednotlivých typů úloh přednosti paralelních výpočtů, přičemž se využívají sdílené nebo distribuované systémy. Takovým způsobem je následně umožněno navýšení počtu částic, případně zvětšení délky simulace. DEM je možné využít i při řešení problémů souvisejících s výzkumem mechaniky kapalin.

V inženýrské praxi se využívá několik programových nástrojů založených na DEM. Nejobsáhlejší z nich jsou například PASSAGE/DEM Software, Newton AC•Tek, Helix Chute Design, EDEM, Rocky 3D apod. (obr. 2).

Program Helix Chute Design

Helix Chute Design je programový nástroj z dílny australské firmy Helix Technologies, který kombinuje jednoduchý CAD program a 3D simulační program do jednoho komplexního analytického nástroje, jehož hlavním cílem je modelování a analýza pohybu částic přepravovaného materiálu pomocí „Discrete element method" . Software také umožňuje uživateli importovat vytvořený model dopravníku i z jiného CAD programu a následně stačí v přehledných dialogových oknech nastavit všechny potřebné parametry pro výpočet.

Obr. 2 Příklady využití DEM [1, 2]

Helix Chute Design umožňuje konstruktérům odhadnout dráhu toku materiálu například při násypu materiálu na pásový dopravník. Pomáhá tak navrhovat optimální řešení dopravních systémů pro konkrétní provozní podmínky.

Program Rocky 3D

Program Rocky je výkonný nástroj pro analýzu a simulaci toku materiálu v rámci pásové dopravy z dílny americké firmy Conveyor Dynamics, která vyvíjí i další známé programy pro pásovou dopravu, jako například BeltFlex a BeltStat. Software Rocky 3D se také řadí do kategorie programů simulujících částice prostřednictvím DEM. Kromě toho simulační program velmi dobře spolupracuje s více CAD softwary.

Program Chute Analyst

Simulační program Chute Analyst od americké společnosti Overland Conveyor Company byl vyvinut speciálně pro potřeby simulace a výpočtů v rámci problematiky pásové dopravy. V rámci práce v programu se postupuje po jednotlivých krocích. Prvním krokem je vytvoření projektu. V druhém kroku jsou vytvářeny komponenty pásového dopravníku nebo je lze importovat z programu AutoCAD. Třetím krokem je zadání parametrů a vytvoření simulace. V posledním kroku program graficky prezentuje jednotlivé požadované výsledky výpočtů.

Program EDEM Simulator

EDEM Simulator je v současnosti předním simulačním programem založeným na DEM. Jde o simulační program pro simulaci, analýzu a optimalizaci pohybu částic. EDEM dokáže simulovat více než jeden milión částic v rámci jednoho modelu. Firma, která vyvíjí program, úzce spolupracuje s vědci v NASA v Kennedyho vesmírném středisku.

Obr. 3 Příklad výsledku výpočtu přesypů materiálu vzájemnou kombinací programů EDEM a ANSYS Fluent [3]

Velkou předností programu EDEM je možností propojení s jinými programy například na bázi FEM (například ANSYS Fluent; obr. 3) a tím se výrazně rozšiřují možnosti výpočtů a analýz.

Simulace přesypů hadicového dopravníku

Jednou z hlavních výhod programu Helix Chute Design, jak již bylo uvedeno, je spolupráce s CAD programy a možnost importování nákresu přímo do simulace. Nákres, který byl použit v rámci výpočetního příkladu, byl získán jako volně dostupný na internetu.

Obr. 4 Importovaný nákres z programu AutoCAD [15]

Modelový příklad byl realizován prostřednictvím volně dostupné demo verze programu Helix Chute Design (platnost 30 dní). V rámci příkladu byla vytvořena simulace přesypů materiálu dopravovaného pásovým dopravníkem (obr. 4).

Po importu připravené geometrie modelu v externím CAD programu bylo dalším krokem při tvorbě příkladu simulačního modelu zadání základních vstupních parametrů simulovaného dopravního systému. Jejich provádění bylo realizováno přes dialogová okna, která jsou umístěna v záložce DEM inputs. V rámci této záložky byly definovány následující parametry: critical time step, calc. recording frames per second, particle co-eff. of restitution, particle stiffness co-eff., face stiffness co-eff., particle penetration a particle cohesion.

Obr. 5 Dialogové okno programu Helix Chute Design se základními vstupními parametry potřebnými
pro realizaci výpočtu a s nastavením vizualizace částic přepravovaného materiálu [15]

Program Helix Chute Design umožňuje při simulování systémů pásových dopravníků přidávat libovolný počet bubnů, přes které dochází k přesypům materiálu. V rámci tvorby modelového příkladu byl do modelu přidán jeden vratný buben, který byl charakterizován následujícími parametry: pulley diameter, number of segments, pulley face stiffness, co-eff. restition, surface co-eff. friction a belt speed.

Po zadání těchto parametrů bylo nutné ještě zajistit, aby byl buben správně umístěn v modelu (obr. 6). Na závěr byl pro lepší přehlednost barevně zvýrazněn.

Obr. 6 Dialogové okno programu Helix Chute Design se základními parametry vratného
bubnu hadicového dopravníku uvažovaného v rámci výpočtu [15]

Formulace charakteristik násypky, která je zodpovědná za přivádění přepravovaného substrátu na dopravní pás, byla realizována v dalším kroku tvorby simulačního modelu. Nejprve bylo nutné definovat polohu násypky prostřednictvím souřadnicového systému. Násypka v rámci modelové úlohy byla složena ze dvou částí a parametry, které byly pro ni definovány, jsou následující: particle density, particle size max, particle size min, feed capacity a rotation percentage.

V posledním kroku byla ještě definována barevná škála, aby bylo možné rozeznat, jakou rychlostí se jednotlivé materiálové částice v rámci simulačního modelu pohybují. Kliknutím na Max Velocity Colour se určila barva maximální rychlosti a kliknutím na ZeroVelocity Colour se určila barva minimální, tedy nulové rychlosti (obr. 5, 7).

Simulace přesypů hadicového dopravníku v programu Abaqus

Druhý typ simulačního modelu, který byl vytvořen pro potřeby analýzy přesypů hadicového dopravníku, popisuje pohyb pouze jedné částice přepravovaného materiálu. Uvedený simulační model byl vytvořen v programu Abaqus. Jeho hlavním cílem bylo sledovat a popsat pohyb částice materiálu na pohybujícím se dopravním pásu, její následné oddělení z dopravního pásu a interakci s tlumicím štítem, který zajišťuje požadované směrování částic přepravovaného materiálu.

Vytvořený model tak umožňuje zkoumat kinematické a dynamické pochody vznikající při nárazu částice přepravovaného materiálu na tlumicí štít, dále model umožňuje sledovat a popsat trajektorii vrhové křivky částice po jejím opuštění dopravního pásu.

Obr. 7 Ukázka prezentace výsledků simulačního experimentu v Helix Chute Design [15]

Tvorba geometrie výpočtového modelu byla realizována preprocesorem programu Abaqus. Tvoří ji čtyři „party" reprezentující dopravní pás, vratný buben, tlumicí štít a částici přepravovaného materiálu (obr. 8).

Filosofie modelu je založena na tom, že dopravní pás obíhá kolem vratného bubnu, částice materiálu je volně uložena na pohybujícím se dopravním pásu. Po jejím dopravení na vratný buben je následně vymrštěna a narazí do pevného tlumicího štítu, od kterého se odrazí a volným pádem směřuje na jiný dopravník.

Okrajové podmínky jsou definovány tak, že vratný buben rotuje kolem vlastní osy, dopravní pás má přidaný jeden stupeň volnosti v axiálním směru a zároveň je veden přes vratný buben. Materiálová částice má všechny stupně volnosti a je volně umístěna na dopravním pásu. Tlumicí štít má odebrány všechny stupně volnosti.

Obr. 8 Geometrie simulačního modelu přesypu hadicového dopravníku v programu Abaqus

V rámci simulačního modelu jsou definovány tři kontaktní dvojice, konkrétně částice materiálu – dopravní pás, dopravní pás – vratný buben a poslední kontaktní dvojicí jsou tlumicí štít – částice materiálu. Simulační model byl řešen metodou Abaqus Explicit.

Obr. 9 Ukázka prezentace výsledků simulačního experimentu v programu Abaqus
(nevhodné naklonění tlumicího štítu)

Na obr. 9 je prezentace výsledku simulace přepravy sypkého materiálu. V prvotních fázích probíhá proces přepravy materiálu dle očekávaných předpokladů. Po příjezdu materiálu na místo přesypů dochází k jeho odpoutání od dopravního pásu a vržení směrem na druhý dopravní systém, který se nachází v prostoru někde pod prvním dopravníkem. Správné směrování proudu přepravovaného materiálu má zajistit tlumicí štít.

V důsledku nastavení jeho nesprávného sklonu se však materiál zpětně odráží do místa přesypů. Po druhém kontaktu s dopravním pásem je materiál znovu vržen na tlumicí štít, od kterého se po kontaktu odrazí a směřuje volným pádem směrem k druhému dopravníku. Simulační model tak ukázal nevhodnou konfiguraci dopravního systému.

Závěr

CAD a CAE prostředky představují velmi efektivní nástroj pro analýzu přepravy materiálu prostřednictvím pásových dopravníků (obr. 10). Získané informace o chování přepravovaného materiálu v klíčových místech jednotlivých dopravních systémů napomáhají k jejich optimálnímu nastavení a provozování. Výsledkem je tak například výrazné snížení provozních nákladů na energii. Dalším možným pozitivem je prodloužení životnosti dopravních pásů.

Obr. 10 Prezentace výsledku simulace materiálu na přesypy při využití pásového dopravníku [8]

Prezentované simulační modely byly navrženy pro realizaci podrobnějšího výzkumu hadicového dopravníku. Cílem výzkumu je navrhnout vhodnou konstrukci míst, v jejichž rámci dochází k předávání materiálu mezi jednotlivými dopravníky, a sledování materiálového proudu v uzavřeném dopravním pásu.

Článek je součástí řešení grantového projektu VEGA 1/0922/12, VEGA 1/0184/12 a projektu VEGA 1/0036/12.

Literatura

[1] http://www.scientific-computing.com/features/images/SCWDec06PhysicsDEM.jpg
[2] http://www.dem-solutions.com/content/themes/dem/img/rightcolumn/EDEM2-3PR_Mining_Benetech_small.jpg
[3] http://leap.ecommetrix.com/newsletter.asp?n=E46418BD25BCF461&s=1DC6FAACFEC2E736
[4] Fabian, M. – Spišák, E.: Navrhování a výroba s pomocí CA.. technologií. 1. vyd. Brno: CCB, 2009. 398 p. ISBN 978-80-85825-65-7
[5] Tittel, V. – Zelenay, M.: A comparison of die geometry in the drawing process. In: Vedecké práce MtF STU v Bratislave so sídlom v Trnave. Research papers Faculty of Materials Science and Technology Slovak University of Technology in Trnava. – ISSN 1336-1589. – Č. 26 (2009), s. 81–86
[6] Spišák, E., Fabian, M.: Strojárske technológie s CAx podporou, 1. vyd. – Košice: elfa – 2010. – 379 s. – ISBN 978-80-8086-136-0
[7] Fabianová, J., Janeková, J.: Implementácia PLM systémov, jej prínosy a riziká. In: Transfer inovácií. 9/2006. – Košice: TU-SjF, 2006. S. 80–82. – ISBN 8080737010
[8] http://web678.public1.linz.at/media/DEM/wear/wear_transferchute.png
[9] Husáková, N., Marasová, D., Taraba, V.: Procesy reverznej logistiky a dopravné pásy – 2008. In: Doprava a logistika. Mimoriadne č. 5 (2008), s. 262–265. – ISSN 1451-107X
[10] Molnár, V., Michalik, P.: Design experiences of pipe – 2011. – 1 elektronický optický disk (CD-ROM). In: Doprava a logistika. – Košice, TU, 2011. Mimoriadne číslo 9 (2011), s. 542–546. – ISSN 1451-107X
[11] http://www.helixtech.com.au/
[12] http://www.conveyor-dynamics.com/rocky.htm
[13] http://www.overlandconveyor.com/software/dem.html
[14] http://www.dem-solutions.com/software/edem-simulator/
[15] Barč, L.: Možnosti počítačovej simulácie v pásovej doprave. Bakalárska práca. TU Košice F BERG 2012, 65 s.
[16] http://www.dds-online.de/images/Artikel/534577.jpg