автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка моделей и анализ динамики вытяжных пар ленточных машин

На правах рукописи

Турханов Николай Владимирович

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ВЫТЯЖНЫХ ПАР ЛЕНТОЧНЫХ МАШИН

Специальность 05 02 13 - Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2008

□ОЗ171278

003171278

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна»

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор

Поляков Владимир Константинович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Матюшев Игорь Иванович

кандидат технических наук, доцент Рокотов Николай Викторович

Ведущая организация, ОАО «Советская звезда»

Защита состоится 16 июня 2008 г. В 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212 236 02 в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна по адресу

191186, Санкт-Петербург, ул Большая Морская, д 18, ауд. 241

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна по адресу 191186, г Санкт-Петербург, ул Большая Морская, д 18 Автореферат размещен на сайте www sutd ru

Автореферат разослан /3 мая 2008 г Ученый секретарь

диссертационного совета ^Йх-лв**^? 3 в Сигачева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В многопереходном предпрядильном производстве важное место занимает технологический процесс вытягивания в вытяжном приборе ленточных машин Дефекты вытяжного прибора коррелируют с неров-нотой входного продукта тем самым влияя на качество конечного продукта Поэтому решение задач, направленных на повышение технического состояния и совершенствование механизмов и устройств, осуществляющих процессы вытягивания, постоянно растет, особенно при тенденции к увеличению скоростных режимов машин.

В диссертации в качестве объекта исследований выбран вытяжной прибор ленточной машины, поскольку его конструкция и условия эксплуатации позволяют выделить общие проблемы проектирования валичных вытяжных механизмов

В многочисленных исследовательских работах, которые посвящены вытяжным приборам, и, в частности анализу динамики вытяжных пар, вопросы динамики в основном рассматривались на базе линейных математических моделей в предположении постоянства скоростей вращения цилиндра и валика В то же время недостаточно внимания уделялось вопросам выбора и обоснования динамических моделей, изучению влияния различных факторов (нелинейности упругих параметров, зазоров, точности изготовления и т п) на динамику вытяжных пар и оценке влияния динамических характеристик вытяжных пар на процесс вытягивания

В связи с этим в настоящей работе ставилась задача проведения уточненного анализа динамики вытяжных пар ленточных машин с использованием различных динамических моделей и при различных формах учета упругих свойств системы Данная задача является актуальной для текстильной промышленности, а ее решение способствует повышению научного уровня проектных и конструкторских работ за счет более полного учета характеристик динамического взаимодействия вытяжных валиков с цилиндрами и с перерабатываемым продуктом Важной частью диссертации является анализ влияния динамических характеристик вытяжного прибора на качественные показатели его работы и разработка соответствующего программного обеспечения

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка ряда методик и программного обеспечения, на базе которых достигается возможность рационального выбора геометрических и физических параметров вытяжных пар посредством проведения многовариантных расчетов их динамических характеристик в процессе проектирования вытяжных приборов

В задачу исследований были включены следующие вопросы 1 Разработка ряда динамических моделей, в которых нажимной валик рассматривается как жесткий ротор с пятью степенями свободы, установлен-

ный в упругих опорах и опирающийся на упругое основание (Эти модели изучаются в порядке возрастания точности учета различных параметров вытяжных пар)

2 Составление и анализ для всех типов моделей уравнений движения нажимного валика с различными способами учета распределения упругих свойств эластичного покрытия по длине валика для случаев установившегося и неустановившегося режимов движения вытяжной пары

3. Сопоставление расчетных динамических характеристик нажимных валиков при учете упругих свойств эластичного покрытия в линейной и нелинейной формах

4 Разработка программного обеспечения для анализа динамики вытяжных пар, сравнительный анализ моделей и выбор модели, рекомендуемой для практического использования

5 Определение и оценка факторов, оказывающих основное влияние на динамические условия работы вытяжных пар Формулировка требований к конструкциям вытяжных пар

Методы и средства исследований. При решении поставленных задач использовались общие положения теоретической механики, теории колебаний, динамики машин и теории процесса вытягивания в прядильном производстве Предложенные математические модели описывались, базируясь на аппарате линейных и нелинейных дифференциальных уравнений Решение систем дифференциальных уравнений движения выполнялось численными методами с использованием современных возможностей ЭВМ

Достоверность полученных результатов подтверждается научным обоснованием разработанных динамических моделей, использованием имеющихся в технической литературе экспериментальных данных и многочисленными машинными (вычислительными) экспериментами

Научная новизна. В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие новые научные результаты:

1 Разработаны новые динамические и математические модели нажимного валика ленточной машины, учитывающие упруго-диссепативные свойства эластичного покрытия Получены системы линейных и нелинейных дифференциальных уравнений.

2 Разработана методика определения зависимостей от обобщенных координат, сил и моментов, действующих на нажимной валик при контакте эластичного покрытия с вытяжным цилиндром

3 Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для исследования движения нажимного валика для различных типов, разработанных математических моделей

4 Проведен анализ влияния зазоров между концевыми втулками нажимного валика и пазами на динамику нажимного валика

5 Разработана методика анализа переходного и установившегося режимов движения вытяжных пар, с учетом динамической характеристики двигателя ленточной машины

Практическая значимость результатов работы. Научные положения диссертации доведены до практической реализации расчетных методов в виде отлаженных на ПЭВМ программных средств, обеспечивающих снижение трудозатрат на проведение проектно-конструкторских работ при одновременном повышении их научного уровня

Методы расчета динамических характеристик вытяжных пар и соответствующие программы для ПЭВМ используются в учебном процессе на кафедре «Машиноведения» Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна при подготовке студентов специальности 170700 «Машины и аппараты текстильной и легкой промышленности» и направления 551800 «Технологические машины и оборудование» (Курсы «Динамика машин отрасли», «Проектирование машин отрасли», курсовое и дипломное проектирование)

Апробация работы.

Основные положения работы были доложены на следующих конференциях Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Дни науки-2004», г. С-Петербург, 2004, 2005, Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности Текстиль - 2005», г Москва, 2005; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности», г СПГУТД, 2007, на научно-технических семинарах кафедры машиноведения СПГУТД в 2005 - 2007 годах

Публикации. По материалам диссертации опубликовано две статьи и тезисы четырех докладов

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста и приложений Содержит 138 страниц машинописного текста и 71 рисунок и библиографический список из 70 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика темы диссертации, обоснована ее актуальность, сформулированы цели и задачи исследований, приведено краткое содержание глав диссертации.

В первой главе выполнен обзор конструкций вытяжных приборов и вытяжных пар, используемых на различных машинах прядильного производства Показано, что конструктивные отличия вытяжных пар определяются видом пе-

рерабатываемого продукта и способами создания усилий прижима нажимного валика к цилиндру В прядильном производстве одними из основных машин, участвующими в технологическом процессе, являются ленточные машины Поэтому в дальнейшем в качестве объекта исследований были приняты вытяжные пары вытяжных приборов ленточных машин, в которых нажимные валики рассматриваются как быстровращающиеся роторы

Проблемам динамического анализа роторов посвящены основополагающие труды А Н Крылова, Е Л Николаи, Ф Ф Гусарова, А.С Кельзона, Ю А Митропольского и многих других известных ученых

Отмечено, что в непосредственное изучение динамики вытяжных приборов большой вклад внесли работы РВ. Корабельникова, Я И Коритысского, Г К. Кузнецова, А И Макарова, А А Мартиросова, В С. Петровского, А П Соркина идр

При выполнении диссертации использовались также труды по теории колебаний и динамике машин И М Бабакова, И И Вульфсона, М 3 Коловского, ЯГ Пановкоидр

Вместе с тем анализ работ, посвященных исследованиям вытяжных приборов, выявил необходимость проведения дополнительных исследований с целью более полного и точного изучения динамики вытяжных пар посредством увеличения числа степеней свободы рассматриваемых моделей и учета нелинейных упругих свойств эластичных покрытий При этом в дальнейшем основное внимание уделяется разработке ряда динамических моделей и вычислительных алгоритмов для исследования вытяжных пар и выявления наиболее значимых факторов, влияющих на качество работы вытяжных приборов

В конце главы сформулированы основные задачи, которые последовательно решаются в диссертационной работе

Вторая глава посвящена составлению дискретной динамической модели вытяжной пары ленточной машины, ее математическому описанию и исследованию на базе этой модели динамических характеристик вытяжной пары вытяжного прибора ленточной машины Л2-50М

Разработанная динамическая модель, в которой распределенные упругие свойства эластичного покрытия отображены в виде трех дискретных пружин с3, представлена на рис 1. На основе этой динамической модели с помощью уравнения Лагранжа II рода были составлены дифференциальные уравнения движения нажимного валика Для этого использовались системы координат, изображенные на рис 2.

Рассматриваемая модель (рис 1) имеет следующие пять степеней свободы перемещения центра масс валика - хс, гс, углы поворота - а, р, и угол поворота ф нажимного валика вокруг своей оси - ср = со (Рис 2)

Дифференциальные уравнения исследуемой модели движения нажимного валика были получены в следующем виде

тхс + 2сг хс + Fx + bx хс + FT = Qx + FB, 1 2

Aa + J(op + -c2 l2 a + Ma +baa = Qa ,

mzc +2c, zc + Fz+bz zc = -/ng-c,(8+ bB) + Qz, (1)

1 i 1 A$ — J®a + —Cjl£ 3 + Mp +bpP = --c, 12(-8a +5B) + gp

Здесь m, J, А- масса, осевой и экваториальный моменты инерции валика, /2- расстояние между опорами А и В, с,,с2,с3 - коэффициенты жесткости соответствующих пружин, 8 4,5j- начальные деформации пружин с,, bx,ba,bz,bp - коэффициенты демпфирования, Qx, Qz, Qa, Q^ - силы и моменты от неуравновешенных масс dmx,dm2, (фо~ Угол между векторами центробежных сил): Qx = ею2 [í/wj cos ф + dm2 cos (ср + tp0)], Qz = eco2 [dmx sm ф + dm2 зш(ф + ф0 )],

Qa = 0,5ea2¡i f-dmx cos ф + dm2 cos (ф + ф0 )], (2)

gp = 0,5ea2ll \-dmx sin ф + dm2 51п(ф + ф0 )], FT,FB - соответственно сила, действующая на нажимной валик за счет сцепления его с цилиндром, и сила вытягивания, FXíFz, Ма, М^ - усилия и моменты, обусловленные деформациями эластичного покрытия

Эти силы и моменты при линейной упругой характеристике пружин с3,£с3 определяются равенствами

Fx = 'с > Ft - JFz > fb=~r = const> Fz =3 cAzc~S),

Ma=he,cA a, (3)

где /] - длина эластичного покрытия, \ - коэффициент, учитывающий преобладание в плоскости хОу деформаций сдвига, / - коэффициент сцепления; S = e,cosGV - кинематическое возмущение, обусловленное эксцентриситетом цилиндра, «а,, - частота вращения цилиндра, е, - величина его эксцентриситета, ( е, =0,02-0,03 мм )

Рисунок 1 Динамическая модель вытяжной пары.

Рисунок 2 - Системы координат, определяющие положение нажимного валика в поостоанстве

Нелинейность упругих характеристик пружин с, учитывалась в виде ^з(2) = с31г + с32г3, (4)

где с31 ,с}2 - коэффициенты пропорциональности, р{гс)- коэффициент, определяющий зависимость жесткости покрытия в направлении оси х от его жесткости в направлении оси 2

Тогда, при учете нелинейной упругой характеристики, получим

^ =3(7С -5)[с„ + с}2(гс-Б)2 +1сзг^|З2],

ма = т\с,,/?а)+ с32(3^ + 1/{а3)], (5)

^ ¿о

Система дифференциальных уравнений движения (1) и равенства (2 - 5) содержат все основные геометрические и физические параметры нажимного валика и дают возможность определения всех основных динамических характеристик вытяжной пары, как для линейной, так и для нелинейной жесткости эластичного покрытия

Нелинейная система уравнений (1) решалась численно с помощью программы, разработанной в среде МаЛаЬ. При этом на каждом шаге вычислений использовался метод разложения решения в ряды Тейлора

В результате были получены закономерности изменения всех обобщенных координат, и установлено, что основными источниками колебаний нажимного валика являются его неуравновешенность и кинематическое возмущение, вызываемое эксцентричностью формы приводного цилиндра

Для определения зависимостей амплитуд колебаний нажимного валика от частоты внешних сил в правые части уравнений (1) вводились возмущающие воздействия с переменной частотой вида

^-/¡■„со (6)

где р, р0 - постоянные коэффициенты

В ходе вычислений были выявлены резонансные зоны (рис 3) и найдены значения критических скоростей вращения (су^, » 900 с"1 и о\р7 »1100 с"').

Эти данные показывают, что критические скорости намного превышают рабочие скорости вытяжных приборов на всех существующих ленточных машинах (««300 с"'), что позволяет отнести вращающиеся органы вытяжных приборов к классу жестких роторов

д §

я

3

о,

о N

(0,С-

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Рисунок 3 — Графики колебаний в вертикальной плоскости 1- гс-вертикальные колебания, 2- р-угловые колебания

Расчетным путем было установлено также, что особое внимание при производстве и эксплуатации вытяжных приборов необходимо обращать на точность изготовления нажимных пружин и их тарировку

На рис 4 представлены графики изменения усилий в опорах при различных соотношениях начальных деформации пружин нагружения Неравномерность усилия зажима волокон по длине валика существенно возрастает, если начальные деформации и о д пружин С] установлены с отклонениями от их номинальных значений Поэтому из-за неравномерности и непостоянства усилий зажима волокон можно ожидать появления в ленте периодической неров-ноты

Анализ и сопоставление результатов расчетов подтвердили также необходимость учета нелинейности упругих свойств эластичного покрытия нажимного валика, за счет чего достигается более полное согласование динамической модели и реальной конструкции вытяжной пары

Изучение линейных и угловых колебаний нажимного валика показало, что величины усилий зажима вытягиваемого продукта изменяются во времени и по длине линии зажима, за счет чего в ленте возникает периодическая неров-нота с длинами волн, равными длинам окружностей вытяжного цилиндра и нажимного валика

260

255

250

245

240

0 1 0 12 0 14 0 16 0 18 02 0 22

Рисунок 4 - Графики изменений усилий в опорах А, В 1-Еа, 2-¥в - 5В < 8а,3,4- РА, Рв - 5В = 5Д

В третьей главе разработана динамическая и математическая модели нажимного валика с учетом непрерывного распределения нелинейных упругих свойств эластичного покрытия по длине линии контакта валика с цилиндром Динамическая модель для данного случая отличается от ранее рассмотренной модели (рис. 1) тем, что в уточненной модели три пружины с, заменены одним упругим элементом с распределенными параметрами

С помощью рассмотренной выше методологии были составлены дифференциальные уравнения движения нажимного валика, причем их отличие от системы уравнений (1) состоит только в конечных формулах для определения усилий и моментов, зависящих от характера деформаций эластичного покрытия нажимного валика

В данном случае вместо формул (5) используются формулы (7), где я10, а20 - коэффициенты, задающие нелинейность упругой характеристики эластичного покрытия

К = р(?с)?1аю11хс + аМхс +^-//а2хс)],

-5) + ом[/,(гс -5)3 + "«И.

М.

'¿«и +

При численном решении полученной системы уравнений использовалась программа, аналогичная рассмотренной выше при анализе динамики нажимного валика с дискретными параметрами упругого покрытия

Анализ и сравнение результатов расчетов показали, что обе исследованные модели в рассматриваемом диапазоне изменения исходных данных обеспечивают качественно одинаковые результаты (расхождения числовых значений не превышают 10%), однако, учитывая, что модель с распределенными параметрами физически более точно описывает упругие свойства эластичного покрытия, именно ее следует рекомендовать для практического использования.

В данной главе изучено также влияние зазоров между концевыми втулками нажимного валика и пазами опор на динамические условия работы вытяжной пары При этом использовалось численное моделирование процесса поиска возможных вариантов выборки зазоров в опорах А и Б

х 10"5

2

1 5

1

05

3

< X 0

£

-0 5

-1

-1 5

-2

..............г —...........г1'-- ■ ■ ; 4 ;.3 ............

1 \

2 Ь^Лу*/

0 01

0 02

0 03

0 04

0 05

Рисунок 5 - Графики колебаний в горизонтальной плоскости 1-хс, 2- хд -при отсутствии сил Рт, Бв, 3-хс; 4- хА - при их учете

На рис 5 представлены графики изменений координат хс, хЛ при отсутствии сил Рт, Рй и при их учете Рт - сила действующая со стороны цилиндра на валик, К, - сила вытягивания Расчет произведен при величине зазора равной 1,5 10'5м Графики показывают, что сила > , действующая на валик со стороны вытяжного цилиндра, постоянно выбирает зазоры в опорах в направлении движения ленты, оказывая тем самым положительное влияние на динамику работы вытяжной пары

Многочисленные расчеты подтвердили достоверность предложенных динамических моделей нажимного валика и работоспособность программного обеспечения, что позволяет рекомендовать их для выполнения проектных расчетов и поиска оптимальных конструктивных параметров при модернизации существующих механизмов вытяжных приборов

Четвертая глава посвящена анализу условий работы вытяжных пар при разгоне (пуске) ленточных машин Данная задача решается в первом приближении и состоит в определении закона изменения угловой скорости вытяжной пары при пуске машины С этой целью к уравнениям движения нажимного валика добавлялись уравнения движения ленточной машины с учетом динамической характеристики ее двигателя В системе уравнений (8) уравнения 1, 2 служат для определения законов вращательного движения ротора двигателя <рд и нажимного валика ф, а уравнения 3-6 для динамического анализа нажимного валика Последние отличаются от аналогичных уравнений (1) тем, что при переменной угловой скорости нажимного валика в уравнении 4 появляется дополнительный член У ф р ■'оЛ = МД-МС, Мд=М8(уд)-ТдМл, <р = 1<рд, тхс+2с2хс +Рг + Ь„хс+ЕТ =

Аа + 3<рр + J^p р + ~сг I] а + Ма+ Ьаа = <2а , (8)

т 2с + 2 С1 гс + + 2с = ~т 8 ~ с, {5л + 5В) + й, Ар-ЗсраЛсЛр + Мр+ЪрР^ -1с, 1г(-8л + 8В) + <2„ .

Здесь <ря — угловая скорость ротора электродвигателя, ^¡р - приведенный к валу электродвигателя момент инерции всех подвижных звеньев машины, Мс - момент сопротивления машины, М5(<рд)- уравнение статической характеристики двигателя, тд - электромагнитная постоянная времени двигателя

Отметим, что уравнения (8) позволяют одновременно исследовать как процесс разгона, так и установившееся движение нажимного валика

С помощью численного решения дифференциальных уравнений (8) были получены все необходимые динамические характеристики нажимного валика

13

. х 10

0 05 01 0 15 0 2 0 25 0 3

Рисунок 6 Графики колебаний в вертикальной плоскости при разгоне машины 1-гс, 2-р

В качестве примера на рис 6 приведены графики изменения координат гс и Р при разгоне машины и выходе ее на установившийся режим работы

На представленных графиках видно, что изменения координат от момента начала разгона до установившегося движения происходит за время, которое равно разгону машины

Наряду с уравнениями 1, 2 при практических расчетах можно непосредственно задать характер движения нажимного валика при разгоне, например, в виде равенства (9)

Ф = со0[Г + |(е-А'-1)], ф = со0(1-е-А'), ср^оЛе-*', И

(9)

где со0- угловая скорость установившегося движения, А- параметр, определяющий ускорения и время разгона машины

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Рассмотренные в диссертационной работе вопросы охватывают ряд наиболее важных и недостаточно исследованных сторон общей проблемы создания высококачественных конструкций вытяжных приборов и вытяжных пар Для исследования установившихся и неустановившихся режимов работы вытяжных пар разработаны математическое и алгоритмическое обеспечение, которые позволяют учитывать все основные факторы, определяющие стабильность и надежность работы вытяжных приборов, а также производить оценку влияния их динамических характеристик на работу вытяжных пар

На основании проведенных исследований вытяжных пар могут быть сделаны следующие выводы

1. Сравнительный анализ рассмотренных динамических моделей вытяжных пар показал, что для практического использования предпочтительна динамическая модель с распределенными упругими свойствами эластичного покрытия

2 При исследовании динамических характеристик вытяжной пары необходим учет нелинейных свойств эластичного покрытия нажимного валика

3 Разработанная методика определения зависимостей от обобщенных координат упругих сил и моментов, возникающих при взаимодействии нажимного валика с цилиндром по длине линии их контакта, обеспечивает более точное соответствие динамической модели и реальной конструкции вытяжной пары

4 Выявлено, что основными возмущающими факторами, вызывающими колебания нажимного валика, являются его неуравновешенность и погрешность формы вытяжного цилиндра

5 Анализ зависимостей амплитуд колебаний нажимных валиков от частоты возмущения показал, что вытяжные пары ленточных машин работают в дорезонансной зоне и все вращающиеся части вытяжного прибора можно отнести к классу жестких роторов

6 Установлено, что особое внимание необходимо уделять повышению точности изготовления и монтажа вытяжных пар, особенно, нажимных пружин. Различия в коэффициентах жесткости и предварительных деформациях нажимных пружин, установленных в левой и правой опорах, приводит к неравномерности усилия зажима волокон по длине валика и к появлению дополнительной неровноты ленты

7 Расчетные методики реализованы в виде программ в среде Ма^аЬ, их работоспособность и использование при проектировании и модернизации вытяжных приборов обеспечивает возможность создания конструкций с улучшенными динамическими и технологическими характеристиками

/

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

Статьи в журналах, входящих в «Перечень » ВАК РФ

1 Турханов НВ Анализ динамических характеристик вытяжных пар ленточных машин с учетом нелинейности упругой характеристики эластичного покрытия нажимного валика/ НВ Турханов// Справочник Инженерный журнал—2007.-№ 12 С 60-64

2. Турханов Н.В. Анализ динамики вытяжных пар ленточных машин / Н В Турханов// Спецвыпуск журнала «Текстильная промышленность» - «Научный альманах»— 2008 -№4 С 10-11

Статьи в научных сборниках-

1 Турханов Н.В Анализ процесса взаимодействия вытяжных пар ленточных машин. / Н В Турханов, В К Поляков// Материалы всероссийской научно-технической конференции «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленнсти» Сб тр аспирантов и докторантов - СПГУТД — 2007 - Вып № 12. С. 93-100

Материалы и тезисы конференций

1 Н В Турханов, В К. Поляков Исследование высокоскоростных вытяжных приборов Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов Дни науки - 2004. - СПб Изд-во СПбГУТД, 2004 С 157

2 Н В Турханов, В К. Поляков Анализ динамических характеристик вытяжных приборов ленточных машин Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов Дни науки - 2005 - СПб Изд-во СПбГУТД, 2005 С 235

3 Н В. Турханов, Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности Текстиль - 2005», г Москва, 2005

4 ДВ Коротин, НВ Турханов Основные вопросы исследования динамики вытяжных приборов машин прядильного производства. Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов Дни науки - 2006 - СПб Изд-во СПбГУТД, 2006 С 264

Оригинал подготовлен авторами

Подписано в печать 06 05 2008 Печать трафаретная

Усл. печ л 1,0 Формат 60 х 84 1/16 Тираж 100 экз Заказ 17

Отпечатано в типографии СПГУТД

191028, Санкт-Петербург, ул Моховая, д 26

ВВЕДЕНИЕ страница

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫТЯЖНЫХ ПАР

1.1 Процесс вытягивания, сущность, назначение.

1.2 Типовые конструкции вытяжных приборов

1.3 Конструкции вытяжных пар

1.4 Обзор методов исследования динамики вытяжных пар текстильных машин.

1.5 Выводы и определение задач исследования

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫТЯЖНОЙ ПАРЫ ЛЕНТОЧНОЙ МАШИНЫ НА БАЗЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ С ДИСКРЕТНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

2.1 Составление динамической и математической моделей вытяжной пары ленточного вытяжного прибора

2.2 Исследование динамики нажимного валика с учетом нелинейности упругой характеристики эластичного покрытия нажимного валика на базе модели с дискретными параметрами. 63 Выводы

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЫТЯЖНЫХ ПАР ЛЕНТОЧНЫХ МАШИН НА БАЗЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

3.1 Составление динамической и математической моделей нажимного валика при постоянной скорости с учетом нелинейной характеристики упругого покрытия нажимного валика

3.1.1 Потенциальная энергия эластичного покрытия при нелинейной характеристики деформации эластичного покрытия.

Математическая модель

3.2 Составление математической модели нажимного валика при переменной скорости с учетом нелинейной характеристики упругого покрытия нажимного валика

3.3 Сравнение результатов взаимодействия нажимного валика с цилиндром при линейной и нелинейной характеристике упругого покрытия нажимного валика.

3.4 Влияния зазора между концевыми втулками и пазами, на динамику нажимного валика 82 Выводы

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВЫТЯЖНЫХ ПАР ЛЕНТОЧНЫХ МАШИН С УЧЕТОМ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОПРИВОДА МАШИНЫ

4.1 Анализ работы привода вытяжного прибора. Уравнение движения механизма

4.2 Анализ взаимодействия вытяжных пар ленточных машин учетом изменения угловой скорости основного вала машинного агрегата при нестационарных режима. 105 4.3. Анализ моделей и сравнение результатов 107 Выводы.

Для современного прядильного производства характерно повышенное качество к выпускаемой продукции, повышение надежности и работоспособности отдельных машин и узлов и эффективность их использования.

Одно из основных мест, в прядильном производстве занимает процесс вытягивания. Поэтому в современных условиях, при высоких скоростях выпуска и необходимости повышения надежности к вытяжным приборам и в частности к вытяжным парам должны предъявляться повышенные требования в плане обеспечения выходного продукта требуемых свойств, качеств и характеристик. Исследование динамических условий работы и оценка колебаний вытяжных пар на качество выпускаемого продукта является одной из основных задач для текстильного машиностроения. Для решения данной задачи необходимо проведение широких теоретических и экспериментальных исследований динамических условий работы вытяжных пар. С использованием при этом современных средств моделирования и программирования, что существенно ускоряет процесс обработки данных и поиска оптимальных параметров. Это позволить выявить наиболее важные факторы, влияющих на уровень нагрузок в механизме и постоянство усилий зажима волокнистого материала по длине валика и дать предпосылки к проектированию вытяжных приборов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В многопереходном предпрядильном производстве важное место занимает технологический процесс вытягивания в вытяжном приборе ленточных машин. Дефекты вытяжного прибора коррелируют с неровнотой входного продукта тем самым, влияя на качество конечного продукта. Поэтому решение задач, направленных на повышение технического состояния и совершенствование механизмов и устройств, осуществляющих процессы вытягивания, постоянно растет, особенно при тенденции к увеличению скоростных режимов машин.

В диссертации в качестве объекта исследований выбран вытяжной прибор ленточной машины, поскольку его конструкция и условия эксплуатации позволяют выделить общие проблемы проектирования валичных вытяжных механизмов.

В многочисленных исследовательских работах, которые посвящены вытяжным приборам, и, в частности анализу динамики вытяжных пар, вопросы динамики в основном рассматривались на базе линейных математических моделей в предположении постоянства скоростей вращения цилиндра и валика. В то же время недостаточно внимания уделялось вопросам выбора и обоснования динамических моделей, изучению влияния» различных факторов (нелинейности упругих параметров, зазоров, точности изготовления< и т. п.) на динамику вытяжных пар и оценке влияния динамических характеристик вытяжных пар на процесс вытягивания.

В связи с этим, в настоящей работе ставилась задача проведения уточненного анализа динамики вытяжных пар ленточных машин с использованием различных динамических моделей и при'различных формах учета упругих свойств системы. Данная задача является актуальной для текстильной промышленности, а ее решение способствует повышению научного уровня проектных и конструкторских работ за счет более полного учета характеристик динамического взаимодействия вытяжных валиков с цилиндрами и с перерабатываемым продуктом. Важной частью диссертации является анализ влияния динамических характеристик вытяжного прибора на качественные показатели его работы и разработка соответствующего программного обеспечения.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка ряда методик и программного обеспечения, на базе которых достигается возможность рационального выбора геометрических и физических параметров вытяжных пар посредством проведения многовариантных расчетов их динамических характеристик в процессе проектирования вытяжных приборов.

В задачу исследований были включены следующие вопросы:

1. Разработка ряда динамических моделей, в которых нажимной валик рассматривается как жесткий ротор с пятью степенями. свободы, установленный в упругих опорах и опирающийся на упругое основание. (Эти модели изучаются в;порядке возрастания точности учета различных параметроввытяжных пар.).

2. Составление и анализ для всех типов моделей уравнений движения нажимного валика с различными способами учета распределения упругих свойств эластичного покрытия по длине валика для случаев установившегося и неустановившегося; режимов движения вытяжной пары.

3. Сопоставление расчетных динамических характеристик нажимных валиков при учете упругих свойств эластичного покрытия в линейной и нелинейной формах.

4. Разработка программного обеспечения для анализа динамики вытяжных пар; сравнительный анализ моделей- и выбор модели, рекомендуемой для практического использования.

5. Определение и оценка факторов, оказывающих основное влияние на динамические условия работы вытяжных пар. Формулировка требований к конструкциям вытяжных пар.

Методы и средства исследований. При решении поставленных задач использовались общие положения теоретической механики, теории колебаний, динамики машин и теории процесса вытягивания в прядильном производстве. Предложенные математические модели описывались, базируясь на аппарате линейных и нелинейных дифференциальных уравнений. Решение систем дифференциальных уравнений движения, выполнялось численными методами с использованием современных возможностей ЭВМ.

Достоверность полученных результатов подтверждается научным обоснованием разработанных динамических моделей, использованием имеющихся в технической литературе экспериментальных данных и многочисленными машинными (вычислительными) экспериментами.

Научная новизна. В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Разработаны новые динамические и математические модели нажимного валика ленточной машины, учитывающие упруго-диссепативные свойства эластичного покрытия. Получены системы линейных и нелинейных дифференциальных уравнений.

2. Разработана методика определения зависимостей от обобщенных координат, сил и моментов, действующих на нажимной, валик при' контакте эластичного покрытия с вытяжным цилиндром.

3. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для исследования движения нажимного валика для различных типов, разработанных математических моделей.

4. Проведен анализ влияния зазоров между концевыми втулками нажимного валика и,пазами на динамику нажимного валика.

5. Разработана методика анализа переходного и установившегося режимов движения вытяжных пар, с учетом динамической характеристики1 двигателя ленточной машины.

Практическая значимость результатов работы. Научные положения диссертации доведены до практической реализации расчетных методов в виде отлаженных на ПЭВМ программных средств, обеспечивающих снижение трудозатрат на проведение проектно-конструкторских работ при одновременном повышении их научного уровня.

Методы расчета динамических характеристик вытяжных пар и соответствующие программы для ПЭВМ используются в учебном процессе на кафедре «Машиноведения» Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна при подготовке студентов специальности 170700 «Машины и аппараты текстильной и легкой промышленности» и направления 551800 «Технологические машины и оборудование». (Курсы «Динамика машин отрасли», «Проектирование машин отрасли», курсовое и дипломное проектирование). 1

Апробация работы.

Основные положения работы были доложены на следующих конференциях: Всероссийской научно-технической конференции^студентов и аспирантов «Дни науки-2004», г. С-Петербург, 2004, 2005; Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности Текстиль — 2005», г. Москва, 2005; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности», г. СПГУТД, 2007; на научно-технических семинарах кафедры машиноведения СПГУТД в 2005 - 2007 годах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано три статьи и тезисы четырех докладов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста и приложений. Содержит 139 страниц машинописного текста и 71 рисунок и библиографический список из 70 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Рассмотренные в диссертационной работе вопросы охватывают ряд наиболее важных и недостаточно исследованных сторон общей проблемы создания высококачественных конструкций вытяжных приборов и вытяжных пар. Для исследования установившихся и неустановившихся режимов работы вытяжных пар разработаны математическое и алгоритмическое обеспечение, которые позволяют учитывать все основные факторы, определяющие стабильность и надежность работы вытяжных приборов, а также производить оценку влияния их динамических характеристик на работу вытяжных пар.

На основании проведенных исследований вытяжных пар могут быть сделаны следующие выводы:

1. Сравнительный анализ рассмотренных динамических моделей вытяжных пар показал, что для практического использования предпочтительна динамическая модель с распределенными упругими свойствами эластичного покрытия.

2. При исследовании динамических характеристик вытяжной пары необходим учет нелинейных свойств эластичного покрытия нажимного валика.

3. Разработанная методика определения зависимостей от обобщенных координат упругих сил и моментов, возникающих при взаимодействии нажимного валика с цилиндром по длине линии их контакта, обеспечивает более точное соответствие динамической модели и реальной конструкции вытяжной пары.

4. Выявлено, что основными возмущающими факторами, вызывающими колебания нажимного валика, являются его неуравновешенность и погрешность формы вытяжного цилиндра.

5. Анализ зависимостей амплитуд колебаний нажимных валиков от частоты возмущения показал, что вытяжные пары ленточных машин работают в дорезонансной зоне и все вращающиеся части вытяжного прибора можно отнести к классу жестких роторов.

6. Установлено, что особое внимание необходимо уделять повышению точности изготовления и монтажа вытяжных пар, особенно, нажимных пружин. Различия в коэффициентах жесткости и предварительных деформациях нажимных пружин, установленных в левой и правой опорах, приводит к неравномерности усилия зажима волокон по длине валика и к появлению дополнительной неровноты ленты.

7. Расчетные методики реализованы в виде программ в среде Matlab, их работоспособность и использование при проектировании и модернизации вытяжных приборов обеспечивает возможность создания конструкций с улучшенными динамическими и технологическими характеристиками.

1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т. 3.— 7-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1992. — 720 с.

2. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. -М.: Наука, 1975. -638 с.

3. Бабаков И.М. Теория колебаний. -М.: Наука, 1968. -525 с.

4. Басаева Е.В., Иванов С.М., Зарубин В.М. Экспериментальное исследование сжатия чесальной ленты //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности —2001 №2 с 53-56.

5. Бать М.И., Джанелидзе Г.Ю., Кельзон А.С. Теоритическая механика в примерах и задачах. /Под ред. Д.Р. Меркина. Т. II. Динамика.- 7-е изд., перераб. — М.: Наука. Главная редекция физико-математической литературы, 1985.- 560 с.

6. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. —М.: Высшая школа, 1980. -408 с.

7. Бойко С.В. Случайные колебания нажимных валиков //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности — 1975. №6, с.72 75.

8. Бочаров В.М., Варковецкий М.М., Мовшович П.М., Хавкин В.П. Исследование вытяжных приборов машин прядильного производства. — М.- 1972.-44 с.

9. Варковецкий М.М., Труевцев Н.И., Штут И.И. О динамических характеристиках процесса вытягивания в прядении хлопка//Изв. вузов. Технология текстильной промышленности — 1969. №4, с.47 51.

10. Вейц В.Л. Динамика машинных агрегатов. —Л.: Машиностроение, 1969. -370 с.

11. Вибрации в технике. Справочных в 6 томах под редакцией Ф.М. Диментберга, К.С. Колесникова. Том 3. Колебания машин, конструкций и их элементов М.: Машиностроение, 1980. С. 545

12. Вибрация и шум в текстильной и легкой промышленности. Под ред. Я.И. Коритысского. -М.: Легкая индустрия, 1974. -328 с.

13. Волков В.В. Исследование и разработка конструкций основных узлов высокоскоростных ленточных машин для хлопка. Диссертация. Л.:.1984.-225 с.

14. Волков С.В. Разработка и исследование конструкций вытяжных приборов высокоскоростных ленточных машин. Диссертация. Л.:.1986.-201 с.

15. Вульфсон И.И. Динамические расчеты цикловых механизмов. —Л.: Машиностроение, 1976. —327 с.

16. Вульфсон И.И. Динамика механизмов с учетом упругости звеньев. Учебное пособие.- Л.: изд. ЛПИ, 1984.- 80 с.

17. Вульфсон И.И. Колебания в машинах. Учебное пособи. СПб: СПГУТД, 2000, 185 с.

18. Вульфсон И.И., Коловский М.З. Нелинейные задачи динамики машин. -Л.: Машиностроение. 1968.-281с.

19. Вульфсон И.И., Коловский М.З., Пейсах Э.Е. и др. Механика машин. Учебное пособие для втузов. М.: Высшая школа, 1996, 511с.

20. Вульфсон И.И. Введение в динамику механизмов с учетом упругости звеньев.- Л.- 1977.-45 с.

21. Дадыханов Н.К. Исследование контактной полоски вытяжных пар с учетом перекоса осей нажимного валика и цилиндра //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности-2001 №2 с 104-106.

22. Доброволь П.П., Лузгин Г.Д., Штут И.И. Исследование амплитудно-частотных характеристик процесса вытягивания на высокоскоростных ленточных машинах //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности — 1979. №4, с.42 44.

23. Дьяконов В. MATLAB: учебный курс. СПб: Питер, 2001.- 560 с.

24. Задерий Г.Н. Методические указания. Сущность, назначение, интенсивность и эффективность основных технологических процессов прядильного производства, г. Благовещенск — 1982. — 43 с.

25. Зельдин Ю.Р., Кузнецов В.А., Тюрина Н.Б. Методика определения допустимой неравномерности распределения нагрузки в жалах отжимных устройств —М.: Научно-исследовательские труды-1976 №24 с 47-51.

26. Зельдин Ю.Р. Линейная интерполяция нелинейной упругости эластичных покрытий отжимных валов -М.: Научно-исследовательские труды-1976 №24 с 52-56.

27. Зотиков В.Е. Теория процесса вытягивания в хлопкопрядении. М.: Научно редакционная секция нити. 1933.-43 с,

28. Капитанов А.Ф., Трускова Н.В., Зайцева Н.Н. Напряжение сжатия в эластичном зажиме вытяжного прибора //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности —1999 №5 с 28-31.

29. Колчин Н.И. Механика машин. -Т.1- Л.: Машгиз, 1971.- 560 с.

30. Коритысский Я.И. Колебания в текстильных машинах. -М.: Машиностроение, 1973.- 320 с.

31. Коритысский Я.И. Динамика упругих систем текстильных машин. -М.: легкая и пищевая промышленность, 1982.- 272 с.

32. Коротин Д.В., Турханов Н.В. Основные вопросы исследования динамики вытяжных приборов машин прядильного производства. Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов. Дни науки 2006. - СПб.: Изд-во СПбГУТД, 2006. С. 264

33. Кузнецов А.В., Титов С.И., Фомин Ю.Г., Белов С.В. Особенности вибрации в валковых механизмах при кратковременных возмущениях //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности — 2004. №3, с.95 -98.

34. Кузнецов Г.К., Сиюшева Т.Х., Трегуб Л.И. Условия неравномерного слоя волокнистого материала при установившемся движении его в паре валков //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности — 1978. №4, с.43 -45.

35. Левин А.А., Гольдин А.Д. Аналитическое определение напряжение и деформаций резинового покрытия нажимных валиков -Пенза: Вопросыисследования и проектирования машин прядильного производства -Научно-исследовательские труды-1973 №5 с 200-204.

36. Левин А.А. Метод расчета оптимальной нагрузки на вытяжную пару. -Пенза: Вопросы исследования и проектирования машин прядильного производства -Научно-исследовательские труды-1975 №7 с 86-91.

37. Лойцанский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики: В 2 тт: Т. 2: М.: Наука- 1983 -640 с.

38. Макаров А.И. Расчет и конструирование машин прядильного производства. М.: Машиностроение, 1981.

39. Макаров А.И. и др. Основы проектирования текстильных машин. -М.: Машиностроение 1976.- 416 с.

40. Мартиросов А.А., Смирнов А.С. Аналитическое исследование динамики вытяжной пары высокоскоростного вытяжного прибора самокруточной прядильной машины фирмы "Репко"(Австралия). //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности — 1976. №1, с. 123 125.

41. Мельников Е.Б., Гольдин А.Д. Определение напряжений и деформаций зоны контакта двух валов с эластичными покрытиями: //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности — 1975. №2, с.131 133.

42. Меркин В.Я., Добровольский П.П. Оптимизация характеристик динамической модели нажимного валика вытяжного прибора ленточных машин //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности — 1975. №3, с.113 116.

43. Николаи Е.Л. Гироскопы. Л. 1940.

44. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. — М.: Наука, 1991.-256 с.

45. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. -М.: Машиностроение, 1967.- 346 с.

46. Петровский B.C., Корабельников Р.В., Соркин А.П. Колебания нагрузки в вытяжных приборах прядильных машин//Изв. вузов. Технология текстильной промышленности 2003 . №1, с.55 - 58.

47. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления Т. II. — М., 1978.-576 с

48. Плеханов А.Ф., Лебедев А.А., Лобашовва Е.А., Плеханов Ф.М. О поле сил трения в вытяжных приборах: //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности 2003 №3 с 42 — 45.

49. Поляков В.К., Гальчук Т.А. Анализ взаимодействия конической паковки с фрикционным цилиндром//Вестник Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна- 2000 №4 с 150-154.

50. Протасова В.А Вопросы теории и практики процесса вытягивания. Афтореферат диссертации. М 1973. - 50 с*

51. Сборник задач по теоретической механике.Учеб. пособие для вузов под ред. Кельзона А.С.- М.: Высш. шк. 1987.- 176 с.

52. Севостьянов А.Г., Гольдин А.Д., Мельников Е.Б. Контактная задача двух валов с эластичными покрытиями -Пенза: Вопросы исследования и проектирования машин прядильного производства -Научно-исследовательские труды-1974 №6 с 112-115.

53. Севостьянов А.Г. Методы исследования неровноты продуктов прядения.-М.: «РОСТЕХИЗДАТ», 1962.- 386 с.

54. Теория механизмов и машин: Учеб. для втузов/ под редакцией К.В. Фролова. -М.: Высш. шк., 1987.- 496

55. Турханов Н.В. Анализ динамических характеристик вытяжных пар ленточных машин с учетом нелинейности упругой характеристики эластичного покрытия нажимного валика/ Н.В. Турханов// Справочник Инженерный журнал— 2007. — № 12. С. 60 64.

56. Турханов Н.В. Анализ динамики вытяжных пар ленточных машин / Н.В. Турханов// Спецвыпуск журнала «Текстильная промышленность» -«Научный альманах» — 2008. № 4. С. 10-11.

57. Турханов Н.В., Поляков В.К. Исследование высокоскоростных вытяжных приборов. Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов. Дни науки — 2004. — СПб.: Изд-во СПбГУТД,2004. С. 157

58. Турханов Н.В., Поляков В.К. Анализ динамических характеристик вытяжных приборов ленточных машин. Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов. Дни науки —2005. СПб.: Изд-во СПбГУТД, 2005. С. 235

59. Турханов Н.В., Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности Текстиль 2005», г. Москва, 2005.

60. Юсупов Ф.Ш., Ахмедов М.Ф., Бурнашев Р.З. Динамика вытяжной пары как системы с неголономными связями //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности — 1980. №5, с.88 91.

61. Фейман А.И. К вопросу об определении расчетной нагрузки на нажимные валики ленточных машин льнопрядильного производства //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности-1966 №3 с 131-138.

62. Jinlian Hu and Xiuying Jiang Tensile Drawing of Rotor Spun Yarn: Part I: Consideration of Processing Variables and Property Changes in Generated Yams. Textile Research Journal, Aug 2002; vol. 72: pp. 741 748.

63. Tetsuhiko Endo, Sukf-Nori Shintaku, and Toshiyasu Kinari Mechanics of Disk-Type False Twisting: Part I: Yarn Path and Friction Force on a Single Disk. Textile Research Journal, Feb 2003; vol. 73: pp. 139 146.

64. Hiiseyin Gazi Ortlek and Sukriye Ulku Effects of Spandex and Yarn Counts on the Properties of Elastic Core-spun Yarns Produced on Murata Vortex Spinner. Textile Research Journal, Jun 2007; vol. 77: pp. 432 436.

65. Ztlling Uster: improving quality control in the spinning mill Canadian Textile journal/ №2 1997/ pp. 20 21.

66. Thread lubrication Canadian Textile journal/ №3 1997/ pp. 42 44.

67. Modern drawframe design. http://www.straitex.com/en/pro/pro/RSB.pdf