автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Разработка методик энергетического, прочностного, динамического и точностного расчетов кривошипных прессов и автоматов

Московский государственный технический университет им.Н.Э.Баумана

1 / '

Г \

/ > ; г

Д-/ ц

о

На правах рукописи

Ьезидиум ВАК Рос-

(решение от

> УЛ И

присудил ученую степень

Начальник

Николаевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО, ПРОЧНОСТНОГО, ДИНАМИЧЕСКОГО И ТОЧНОСТНОГО РАСЧЕТОВ КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ И АВТОМАТОВ

Специальность 05.03.05 - Процессы и машины

обработки давлением

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...................................................

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ, МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ И АВТОМАТОВ IЛ. Аспекты проектирования, состав и содержание расчетных методик в кривошипном прессостроении

и автоматостроении ............................. 14

1.2. Состояние теории кривошипных прессов и автоматов 32 1.2Л. Энергетические расчеты ..................33

1.2.2. Расчеты прочности, надежности

и долговечности ......................... 68

1.2.3. Вспомогательные расчеты ................ II?

1.2.4. Расчеты точности ....................... 119

1.2.5. Расчеты кулачковых механизмов штамповочных автоматов ...........................123

1.3. Выводы по главе ............................... 127

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ, ПРОГРАММНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ

СИСТЕМ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

2.1. Методы получения математических моделей динамических систем с сосредоточенными параметрами ................................... 130

2.2. Вычислительные методы математического моделирования систем с сосредоточенными параметрами ................................... 136

2.3. Программные комплексы анализа динамических

систем с сосредоточенными параметрами ......... 139

2.4. Элементная база программных комплексов в состоянии их поставки и адаптация программных комплексов к предметной области кривошипного прессо- и автоматостроения ....... 142

2 .5. Выводы по главе ............................... 146

2.6. Цель и задачи работы .......................... 14?

Глава 3. РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ И АВТОМАТОВ

3.1. Требования к элементной базе математического моделирования кривошипных прессов и автоматов 149

3.2. Методические основы разработки математических моделей кривошипных прессов и автоматов ...... 150

3.3. Структурный анализ прессов-представителей

и автомата-представителя и выделение типовых конструктивных элементов» как объектов разработки их математических моделей ......... 160

3.4. Принципы назначения свойств типовых конструктивных элементов, подлежащих воспроизведению

их математическими моделями .................. 170

3.5. Состав библиотеки математических моделей типовых конструктивных и иных элементов кривошипных прессов и автоматов .............. 173

3.6. Описание модели-представителя математических моделей типовых конструктивных элементов высокого уровня .............................. 174

3.7. Специализированные математические модели. Описание модели-представителя специализиро-

ванных математических моделей ................ 181

3.8. Информационные модели. Подпрограммы

расчета выходных параметров .................. 188

3.9. Методика синтеза математических моделей кривошипных прессов и автоматов ......................191

ЗЛО. Основные результаты исследований ............. 199

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ И АВТОМАТОВ 4.1. Обеспечение адекватности математических

моделей кривошипных прессов и автоматов ....... 200

4.2. Экспериментальное исследование распределения технологического усилия по ветвям исполнительного механизма пресса К460 ......... 202

4.2.1. Методика экспериментального исследования ---- 202

4.2.2. Технические средства экспериментального

исследования ................................................................203

4.2.3. Экспериментальное исследование пресса ..............205

4.2.4. Сравнение результатов эксперимента и расчета 208

4.3. Экспериментальное исследование пресса К403? ... 211

4.3.1. Методика и технические средства экспериментального исследования .................... 211

4.3.2. Сопоставление данных моделирования

и экспериментальных данных ......................213

4.4. Проверка адекватности математических моделей

в условиях динамики ............................216

4.5. Выводы по главе ................................223

ГЛАВА 5. РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДИКИ, ОСНОВАННЫЕ НА ПОЛУЧЕНИИ ИНФОРМАЦИИ О РАБОТЕ КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ И АВТОМАТОВ ПУТЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ. РЕШЕНИЕ ЧАСТНЫХ

ЗАДАЧ РАСЧЕТА КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ.

5.1. Методика выбора типоразмера двигателя и момента инерции маховика кривошипных

прессов и автоматов ...........................225

5.1.1. Содержание методики .....................................226

5.1.2. Расчет мощности двигателя и энергетический анализ пресса К0035 ......................... 235

5.2. Методика расчета долговечности по условиям прочности тяжело нагруженных элементов кривошипных прессов и автоматов ............... 242

5.2.1. Синтез математической модели кривошипного пресса или автомата .........................250

5.2.2. Моделирование работы пресса, или автомата

при номинальных технологических нагрузках ... 251

5.2.3. Схематизация процессов нагружения по сечениям при номинальных технологических нагрузках ...................................252

5.2.4. Моделирование работы пресса или автомата и схематизация процессов нагружения по сечениям элементов при вариации технологических нагрузок ...........................253

5.2.5. Статистическая обработка результатов схематизации процессов нагружения ........... 254

5.2.6. Определение расчетных характеристик выносливости выбранных элементов ............ 258

5.2.7. Статистические испытания с определением долговечности элементов по сечениям ......... 260

5.2.8. Определение показателей долговечности ....... 263

5.2.9. Программный комплекс расчета долговечности по условиям прочности тяжело нагруженных элементов кривошипных прессов и автоматов ... 264

5.3. Расчет долговечности тяжело нагруженных элементов кривошипного пресса К4037 ........... 268

5.3.1. Объект исследования ......................... 268

5.3.2. Представление пресса в математической

модели и моделирование его работы ...........268

5.3.3. Расчет долговечности по условиям

прочности промежуточного вала пресса ........ 274

5.3.4. Влияние факторов на долговечность по усталостной прочности тяжело нагруженных элементов пресса ............................274

5.3.5. Повышение долговечности промежуточного

вала пресса .................................289

5.4. Расчет долговечности промежуточного вала

пресса К2039 .................................. 296

5.4 Л. Объект исследования .........................296

5.4.2. Моделирование работы пресса и расчет-долговечности по условиям усталостной прочности промежуточного вала пресса ........ 296

5.5. Анализ и повышение точности четырехкриво-

шипных прессов .......................................306

5.5.1. Влияние точности на эксгаюатационные

характеристики прессов ...................... 306

5.5.2. Нормы точности четырехкривошипных прессов ... 308

5.5.3. Первичные ошибки четырехкривошипных прессов . 311

5.5.4. Выходные ошибки и расчетное определение точности четырехкривошипных прессов ......... 312

5.5.5. Предварительное моделирование прессов

ряда К4036 - К4040 .......................... 315

5.5.6. Средства автоматизации обработки данных, получаемых при математическом моделировании четырехкривошипных прессов простого действия .. 323

5.5.7. Результаты моделирования пресса К4037 ....... 324

5.5.8. Рекомендации по повышению точности четырехкривошипных прессов простого действия .......340

5.5.9. Идентификация первичных ошибок четырехкривошипных прессов простого действия .......... 342

5.6. Методика синтеза рабочих профилей кулачков штамповочных автоматов ........................ 344

5.7. Анализ деформаций станины двухсекцирнного

пресса Б6146 .................................. 358

5.8. Динамический расчет двухкривошипного

пресса К3040 ..................................368

5.9. Итоги и выводы по главе .......................375

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РА60ТЫ И ВЫВОДЫ.........................377

ЛИТЕРАТУРА ..................................................380

ПРИЛОЖЕНИЯ ..................................................399

ВВЕДЕНИЕ

Кривошипные прессы и автоматы являются одним из основных и самых распространенных видов технологического оборудования. В 1983г, ежегодно изготавливалось 25 тыс. кривошипных прессов» что составляло 50% выпуска кузнечно-жтамповочного оборудования. Доля кузнечно-жтамповочного оборудования в общем количестве выпускаемого металлообрабатывающего оборудования в мире составляло 25-30%» в СССР - 23%. В ССОР число механических прессов составляло 30%, гибочных машин - 15%, ножниц - 15%, штамповочных автоматов - 5% общего парка кузнечно-жтамповочного оборудования. Кривошипные прессы и автоматы используются при производстве автомобилей, самолетов, космических летательных аппаратов, приборов, в сельскохозяйственном машиностоении и т.д. и определяют с прочими видами технологического оборудования экономический потенциал страны.

Качество кривошипных прессов и автоматов закладывается при проектировании. Потери качества за счет неудачных проектных решений обнаруживаются при испытаниях и в эксплоатации, т.е. после изготовления пресса (автомата) и иногда могут быть устранены в последующих экземплярах выпускаемых прессов, имея своими последствиями тем меньший экономический ущерб, чем больше серийность выпуска. Однако тяжелые прессы усилием 50 МН и выше выпускаются мелкими сериями или единичными экземплярами, из-за чего экономический ущерб от принятия неудачных проектных решений оказывается невосполнимым. Тяжелые кривошипные прессы в части габаритных размеров, массы, себестоимости являются уникальными объектами производства, для которых возможный экономический ущерб может быть большим.

При проектировании кривошипных прессов и автоматов значи-

тельная часть проектных решений принимается путем их количественного обоснования. Это значит, что проектирование кривошипных прессов и автоматов носит ярко выраженный расчетный характер.

Динамические системы кривошипных прессов (автоматов) отличаются многомассовостью, переменной при работе степенью статической неопределимости/числом степеней свободы, наличием элементов с "сильными" нелинейностями, диссипативных элементов, сложностью и многообразием структуры. Это делает процессы, протекающие в кривошипных прессах (автоматах), плохо предсказуемыми, а их свойства, которые определяют эти процессы и проявляются в них - плохо прогнозируемыми при проектировании. Поэтому надежное предсказание на стадии проектирования процессов в кривошипных прессах и автоматах и прогнозирование их свойств является весьма актуальным.

Одним из перспективных и интенсивно развивающихся направлении прогнозирования свойств проектируемых объектов является применение математического моделирования, которое сводится к разработке математической модели объекта, отражающей значимые с точки зрения проектировщика свойства объекта, и воспроизведение с помощью нее процессов в проектируемом, а потому еще не существующем объекте. Для этой цели все более широкое применение находят программные комплексы анализа динамических систем с сосредоточенными параметрами. Такие комплексы позволяют анализировать работу устройств любой, в том числе и смешанной, физической природы практически любой степени сложности, если эти устройства могут быть адекватно описаны системой обыкновенных дифференциальных уравнений.

Значительная часть задач анализа работы кривошипных прессов находит удовлетворительное решение при представлении их в виде

систем с сосредоточенными параметрами, т.е. при описании их системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Это предполагает использование названных программных комплексов для анализа кривошипных прессов. Однако использование для этой комплексов с поставлемыми библиотеками математических моделей приводит к необходимости составлять математические модели прессов из большого числа элементов, так как динамические элементы являются простейшими, неразложимыми на более простые элементы. Их применение предопределяет описание объектов проектирования на предельно возможном низком уровне детализации, большие размеры описания и, как следствие, высокую трудоемкость синтеза математической модели объекта, сложность поиска ошибок в описании и отладки моделей, что создает существенные трудности для пользователя. В условиях ограниченности сроков выполнения проектных работ такие чисто технические трудности могут стать принципиальными, вынуждающими к отказу от использования программных комплексов как средств анализа с большими возможностями.

Целью работы является разработка методик энергетического, прочностного, динамического, точностного и иных расчетов кривошипных прессов и автоматов и повышение качества их проектирования на основе математического моделирования работы кривошипных прессов и автоматов средствами программных комплексов анализа динамических системи, создания и применения новой элементной базы математического моделирования.

Научная новизна и практическая ценность работы заключается:

- в разработке методик расчета прессов на основе математического моделирования их работы,

- в ржшш отдельш шюш заш ШЙЧШ щвошш

прессов и автоматов,

- в определении при математическом моделировании ряда неизвестных особенностей работы прессов, существенно влияющих на их качество.

- в разработке подходов к созданию элементной базы математического моделирования работы кривошипных прессов и автоматов, как систем с сосредоточенными параметрами, позволяющей осуществлять математичсекое моделирование прессов и автоматов практически без ограничений на их сложность, создании элементной базы,

- в разработке принципов назначения свойств структурных элементов кривошипных прессов и автоматов, воспроизводимых их математическими моделями,

- в разработке математических моделей выделенных структурных элементов кривошипных прессов и автоматов, прессов, подсистем прессов, позволяющих осуществлять исчерпывающий динамический анализ работы с их учетом реальной многомассовости, наличия диссипативных элементов, существенных нелинейностей характеристик элементов, т.е. практически без ограничений на глубину и полноту представления свойств объекта проектирования в его математической модели.

Объектами защиты являются:

- расчетные методики для принятия проектных решений в кривошипном прессо- и автоматостроении, основанные на моделировании работы кривошипных прессов и его частей.

- математические модели кривошипных прессов и автоматов,

- элементная база математического моделирования кривошипных прессов и автомвтов в виде библиотек математических моделей типовых конструктивных элементов кривошипных прессов программных

комплексов ПА-б и ПА-7,

- совокупность признаков для выделения структурных элементов кривошипных прессов и автоматов, как объектов разработки их математических моделей и разработки на этой основе элементной базы математического моделирования кривошипных прессов и автоматов,

- структурный анализ прессов-представителей и автомата-представителя и выделение типовых конструктивных и иных элементов кривошипных прессов и автоматов,

- принципы назначения свойств типовых конструктивных и иных элементов, воспроизводимых моделями этих элементов,

- решения отдельных задач расчета кривошиных прессов.

Достоверность основных научных результатов обоснована

соответствующими теоретическими доказательствами, базирующимися на фундаментальных основах механики, математики, термодинамики, проверкой математических моделей на воспроизведение ими требуемых свойств их элементов, проверкой результатов моделирования на непротиворечивость общетехническим представлениям, а также экспериментальными исследованиями моделируемых объектов с привлечением адекватных методов и технических средств.

Работы в данном направлении велись с 1985 года в рамках хоздоговорной тематики с ведущими предприятиями страны. Адаптированные комплексы ПА-б и ПА-7 использовались при анализе энергетики, динамики, точности, долговечности, кинематики, жесткости при проектировании различных прессов, включая К2039, К4037, К7039, К3040, спецпресса с увеличенным ходом ползуна, клапанного автомата К04.297.840 и др., выпускаемых АО Тяжыехпресс", профилировании кулачков холодноштамповочных автоматов АЗК19, А0914, АА1216, спроектированных в ЦБКМ. При

моделировании указанных объектов были обнаружены неизвестные технические эффекты, сопровождающие их работу, и значимые для оценки их свойств как объектов проектирования.

Результаты исследований использовались и используются в учебном процессе кафедры "Машины и обработка металлов давлением" в лекциях, лабораторных работах, КНИРС, НИРС, курсовом и дипломном проектировании, в учебном процессе кафедры "Машины и технология обработки металлов давлением" Нижегородского государственного технического университета. Настоящая работа использовалась в качестве базы для осуществления проблемного обучения студентов путем привлечения их к выполению ряда разработок в рамках поставленн�