Virtuální prototypy v těžkém průmyslu

Tags: Analýzy | ANSYS | virtuální prototypy | výpočtové modely

Ostravská akciová společnost Paul Wurth, dceřiná společnost lucemburské firmy Paul Wurth S.A., dodavatel zařízení vysokých pecí, konstruuje a vyvíjí mimo jiné i skipové vrátky a sklápěče pánví. Tato zařízení musí splňovat požadavky zákazníka a musí být naprosto spolehlivá po celou dobu svého technického života, protože pracují v nepřetržitém provozu a není za ně náhrada. Sebemenší závada znamená odstávku vysoké pece či havárii s tragickými následky. Proto jsou daná zařízení virtuálně testována za pomoci počítačového systému ANSYS.

Skipový vrátek otáčením lanového bubnu namotává dvojici lan, která po skipové dráze dopravuje nahoru plně naložený skipový vozík s hmotností i 30 tun. Prázdný vozík je upevněn na druhé dvojici lan, která se z bubnu odvíjí. Sestava skipového vrátku patří k výpočtovým lahůdkám, protože namáhání je během navinování lana v každém okamžiku jiné. Také zde působí více zdrojů zatížení: tahy v lanech, spojení pomocí tangenciálních klínů nebo předepnutí šroubů. Aby výpočet odpovídal co nejvíce skutečnosti, byla vymodelována a analyzována celá sestava skipového vrátku. Tato sestava se skládá z bubnu s navinutým lanem, který je spojen s hřídelí pomocí tangenciálních klínů. Hřídel je uložená v ložiskových domcích a spojkou je spojená s převodovou skříní a pohony. Všechny tyto komponenty jsou na rámu, který je uchycen přes kotevní šrouby k základu.

Celková sestava skipového vrátku v řezu

3D model sestavy byl vytvořen v ProEngineeru pro potřeby výpočtáře a naimportován do systému ANSYS. V ANSYSu byla geometrie upravena a použita pro tvorbu konečnoprvkové sítě z 3D solid prvků. Na tvorbu sítě byl kladen velký důraz. Aby objem dat byl přijatelný a spočitatelný a přitom výpočtový model byl včetně detailů, jako jsou svary, konstrukční zaoblení a zkosení atd., byla síť vytvořena převážně prostorovými šestistěny. Uložení jednotlivých komponent je simulováno pomocí vazbových rovnic a kontaktů.

Spoj tangenciálními klíny

Dynamická analýza

Výhodou je, že celkový výpočtový model je možno lehce modifikovat tak, abychom mohli výpočtový model analyzovat v různých polohách během odvíjení lan a řešit různé typy úloh – statická, dynamická a různé situace – brzdění za pomoci kotoučový brzd, havarijní stav, kdy dojde k zablokování tahaných vozíků či k výpadku jednoho ze dvou motorů. Zvýšená pozornost byla kromě bubnu věnována ložiskovým domkům, protože tah v lanech je směrem svisle vzhůru a toto zatížení plně přenáší předepnuté šrouby v domcích. Poddimenzování by znamenalo uvolnění pohybujícího se bubnu. Geometrie výpočtového modelu byla optimalizována tak, aby byla zaručena spolehlivost a bezporuchovost zařízení po předepsanou délku technického života skipového vrátku.

Sklápěč pánví těsně před začátkem zvedání pánve

Sklápěč pánví v okamžiku začátku vylévání

Sklápěč pánví v konečné poloze

Stejně výpočtově zajímavým zařízením je sklápěč pánví, který je umístěn na sloupech ve výšce 8 metrů a musí být schopen překlopit a vylít z pánve 120 tun tekutého železa. Konstrukci bylo nutné optimalizovat tak, aby hmotnost zařízení byla minimální při zaručené spolehlivosti. Výpočtový model byl vytvořen z 3D šestistěnných solid prvků, tam, kde bylo vysíťování obtížné, byly použity 3D parabolické čtyřstěnné solid prvky. Model byl konstruován včetně svarů tak, abychom na základě výpočtů měli navrženy správné velikosti a typy všech svarů. Sklápěč byl analyzován v několika polohách a funkcích: při položení plné pánve na sklápěč včetně dynamických účinků, počátek zvedání pánve, náklon těsně před počátkem vylévání pánve a poloha při úplném vylití pánve. Také byla simulována havarijní situace, kdy přestane fungovat jeden ze dvou hydraulických pohonů.

Doba potřebná k vypracování těchto úloh je okolo 4 týdnů. Naše skipové vrátky spolehlivě fungují v náročných podmínkách Finska, Rumunska a Indie, sklápěč pánví pracuje bez problémů na Tchaj-wanu.

Autor pracuje v akciové společnosti Paul Wurth.
www.paulwurth.com