автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.04, диссертация на тему:Снижение динамической нагруженности сельскохозяйственных машин с рабочими органами роторного типа

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ' '

РГО од

На правах рукописи

*: м -. .

Нин ¡-^«^

Артюшш Анатолий Иванович

УДК 631 .3.02:62-251+62-755

СШЕЕНИЕ ДШЛШЧЕСКОЙ НАГРУ5ЕНН0СТ11 СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН С РАБОЧИЕ! ОРГАНА},Я РОТОРНОГО ТИПА

05.20.04 - Сельскохозяйственные и гидромелиоративные'

машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Ростов-на-Дону 1993

Работа выполнена в Донском государственном техническом университете

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

B.П.ЖАРОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

C.С.ДШТРИЧЕНКО

доктор технических наук, профессор

О.А.ПОЛУШКШ

доктор технических наук, профессор

В.В.РАДИН

Ведущая организация: ГСКБ по комплексам уборочных-сельскохозяйственных машин1ПО"Ростсб'Льмаш"

Защита диссертации состоится 14 декабря 1993 г.Лз 10 часов на заседании специализированного совета Д.063,27.02 при Донском государственном техническом университете по-Йдрзсу: 344708, г.Ростов-на-Дону, ГСП-8, пл.Гагарина, 1, ДШ", ауд.252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному выше -адресу.-

Автореферат разослан " " 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

доктор технических наук, профессор

Ю.И.ЕРМОЛЬЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Ответственным и наиболее динамически нагруженным узлом многих сельскохозяйственнных машин (СХМ) являются рабочие органы роторного типа. К ним относятся роторы дробилок и измельчителей кормов, измельчающие аппараты кормоуборочных машин, барабаны мологильно-сепарирупцих устройств зерноуборочных комбайнов, режущие аппараты ротационных косилок и др, Детали рабочих органов роторного типа подвержены более интенсивному износу, здесь наблюдается больше поломок, быстрее выходят из строя подшипники. Это, например, характерно для измельчителей кормов, которые в „настоящей работе выступают в качестве основных объектов исследований. Существенное влияние на надежность СХМ с рабочими органами роторного типа оказывают большие динамические нагрузки, возникающие из-за особенностей их движения и процессов функционирования. Этим сельскохозяйственным машинам присущи детерминированные и стохастические воздействия, наличие центробежных и гироскопических сил, неравномерное распределение масс, нарушение балансировки роторов вследствие износа и изменения геометрии масс при взаимодействии с перерабатываемым "материалом. Причем, так как большинство элементов и связей в СХМ с рабочими органами роторного типа являются упругими, то динамическая нагруженность этих конструкций во многом зависит от свойств колебательных систем роторов (роторных систем). Поэтому при проектировании этого класса СХМ предъявляются повышенные требования к уровню конструкторских разработок, возникает необходимость в разработке эффективных методов динамического расчета роторных систем сельскохозяйственных машин.

Повышение качества проектирования СХМ с рабочими органами роторного типа, разработка методов расчета, поиск и обоснование новых технических решений невозможны без проведения комплекса научно-исследовательских работ. Прежде всего это связано с тем, что целый ряд важных вопросов остается ещё мало изученным.

Так в настоящее время отсутствует универсальный метод расчета роторных систем, позволяющий проводить анализ динамической нагру-женности СХМ с рабочими органами роторного типа различного назначения, сложной структуры с учетом особенностей их движения и процессов функционирования. Не уделялось внимания исследованиям нелинейных колебательных систем роторов СХМ, что значительно сужает возможности проектирования, мегояет найти новые технические решения.

не позволяет аффективно снизить динамическую нагруженность машш Не рассматривались возможности использования автобалансировочнь устройств, компенсирующих изменение неуравновешенности роторов щ эксплуатации машин, и не проводились исследования в этой области Не проводились также исследования динамики роторных систем измель чителей кормов, направленные на снижение их нагрукенности, повыше ние надежности, р1еньшение уровней вибрации и шума.

В связи с этим актуальное значение приобретает научная проб лема снижения динамической нагрукенности сельскохозяйственных ма шин с рабочими органами роторного типа на основе моделирования расчета их как линейных'и нелинейных колебательных систем, анализ процессов их функционирования,- разработки и практической реализа щш технических решений, направленных на совершенствование маши этого класса.

Диссертация выполнена в соответствии с планом научных работ : докторантуре Донского государственного технического университета (17.12.89-17.12.92). В 1983 и 1985 гг. исследования по данной проблеме проводились в рамках координационного плана НИР и ОКР Мин живмаша, а в 1985-1990 гг. - координационного плана научно-исследовательских работ вузов в области механики.

Цель исследований. Разработать метода моделирования и расчет; линейных и нелинейных колебательных систем роторов сельскохозяйственных мадан, выявить основные закономерности движения и функционирования рабочих органов роторного типа, осуществить практическу» реализацию технических решений, направленных на снижение динамической нагрукенности и усовершенствование конструкций измельчителей кормов.

Задачи исследований.

Разработать научные основы механико-математического моделирования линейных й'нелинейных колебательных систем роторов сельскохозяйственных машин.

Разработать методы расчета автобаланскровочных устройств роторов сельскохозяйственных машин как нелинейных систем с большим числом степеней свобода, включая расчеты установившихся и переходных режимов движения, а также оценку помехоустойчивости.

Провести теоретические и экспериментальные исследования установившихся и переходных режимов движения роторных систем сельскохозяйственных машин с автобаланеирами, оценить влияние технологического процесса измельчения кормов и других внешних воздействий

на устойчивость автобалансировочного режима движения.

На базе метода конечных элементов разработать метод расчета колебаний и 'динамической нзгруженности роторных систем сельскохозяйственных машин.

Провести теоретические и экспериментальные исследования колебаний и динамической нагрукенности роторных систем измельчителей кормов.

Практически реализовать результаты выполненных исследований.

Объекты исследований. Основными объектами исследований являлись измельчители грубых кормов ИРТ-165-02, ИРТ-165-03, ИРТ-Ф-80, ИРТ-Ф-80-1, ИРТ-25"Фермер", измельчители зеленой массы типа ИРМ-50, опытные конструкции измельчителей кормов и экспериментальные стенда. -

Научная новизна.

Разработан метод расчета установившихся движений, параметров и зон устойчивости автобалансировочных устройств роторов сельскохозяйственных машин как нелинейных систем с большим числом степеней СЕОбОДЫ.

Предложен и реализован метод расчета переходных режимов движения роторных систем с автобалансирами.

Разработана методика вычислительного эксперимента по оценке помехоустойчивости автобалансировочных устройств сельскохозяйственных машин.

В результате теоретических и экспериментальных исследований установившихся и переходных режимов движения роторных систем сельскохозяйственных машин с автобалансирами получены новые закономерности, существенно дополнившие теорию автобалансировочных.устройств.

Открыт новый эффект в механике машин, заключающийся в том, что при определенном соотношении между моментами сопротивления в опорах маятников, установленных с возможностью свободного вращения на горизонтальном роторе, и их статическими моментами имеет место, такой режим движения, когда ротор вращается с заданной угловой скоростью, а частота вращения маятников близка или совпадает с одной из критических скоростей ротора.

Разработан метод расчета роторных систем сельскохозяйственных машин, являющийся развитием метода конечных элементов и ориентированный на применение персональных компьютеров.

Библиотека метола конечных эдедоятов расширена ра счет новях'

элементов, характерных для роторов сельскохозяйственных машин элемент вала с распределенными параметрами, жестко закрепленного ; твердом корпусе; элемент - твердый корпус; осесимметричные тверды! тела, нестко закрепленные или опертые в нескольких узлах конечно-элементной модели вала; конечный элемент вала с учетом деформащс сдвига, совместимый со стандартными элементами.

Разработаны новые алгоритмы определения критических скоросте: роторных систем сельскохозяйственных машин и решения квадратично: задачи на собственные значения; модернизирован алгоритм Гаусса дл, решения систем линейных алгебраических уравнений, матрицы которы: являются ленточными с двухсторонним окаймлением.

Практическая ценность.

Разработаны методика и пакет программ для расчета колебатель ных систем роторов сельскохозяйственных машин.

Практическую ценность представляют результаты теоретичееких : экспериментальных исследований роторных систем измельчителей кор мов ИРТ-Ф-80, ЙРТ-165-02, ИРМ-50, позволившие разработать рекомен дации по снижению динамической нагруженности и уменьшению вибраци .машин этого типа.

Разработаны методика, пакет программ и рекомендации по проек тированию и настройке автобалансировочных устройств маятниковог типа для роторов СХМ.

Разработана методика и определены нормы вибрации измельчите лей кормов типа ИРТ-Ф-80, ИРТ-165, ИРМ-50, ИРТ-25"Фермер".

Результаты теоретических и экспериментальных исследовашгй включающие в себя расчет динамики и прочности, изучение влияни различных конструктивных параметров на качество измельчения и зат раты мощности, разработку рекомендаций по сникению динамяческо нагруженности и вибрации, использованы при проектировании и внед рении в серийное производство измельчителя ИРТ-25 "Фермер".

Реализация результатов работы.

Спроектирована и изготовлена опытная конструкция измельчител кормов с автобалансиром.

Разработан и внедрен электронный сигнализатор уровня вибраци измельчителей кормов.

Разработан и внедрен электронный регулятор загрузки измельчи теля ИРГ-Ф^80.

Внедрены рекомендации по снижению динамической нагруженност и уменьшению уровней вибрации измельчителей кормов типа МРТ-Ф-8С

ЕРТ-165, ИРМ-50.

Результаты исследований реализованы при проектировании и внесении в серийное производство измельчителя ИРТ-25"Фермер".

Результаты работы использованы на ПО "Бурятферммаш" при нор-ировании вибрации измельчителей кормов ИРТ-Ф-80-1 , ИРТ-165-03, [РМ-50, проводимом с целью контроля качества изготовления и сборки юторов.

Результаты исследований внедрены в основном на ПО "Бурятферм-ш", часть результатов переданы для использования в ВПО "ВНШжив-¡аш" и "ФКТИкорммаш". Экономический эффект от внедрения резуль-■атов исследований, подтвержденный актами, составил 1.04-5.709 руб-юй в год в ценах до 1991 года.

Апробация. Основные положения работы докладывались на"научно-•ехнических конференциях Восточно-Сибирского технологического ин-;титута (Улан-Удэ, 1981-1989 гг.), Донского государственного тех-гического университета (Ростов н/Д, 1990 г.),.II Всесоюзной конфе->енции "Проблемы виброизоляции машин и приборов" (Иркутск,1989 г.), З и XII конференциях молодых ученых института Машиноведения (Мос-:ва, 1987 и 1989 гг.), межвузовской конференции "Современные пробами механики и управления в машиностроении" (Иркутск, 1988 г.), ■ональном совещании заведующих кафедрами теоретической механики Оренбург, 1987 г.), II конференции молодых ученых БФ СО АН СССР Улан-Удэ, 1987 г.). Материалы исследований обсуждались в ВПО ВНИИ-квмаш и ФКТИкорммаш.

Публикация результатов. Основное содержание диссертации оггуб-иковано в 30 печатных работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введе-ия, шести глав., общи выводов, библиографии из 366 наименований и грилокений, в которых представлены программы для ЭВМ, дополнитель-¡ые материалы и документы, подтверждающие внедрение результатов ис-:ледований. Общий объем работы составляет 521 страницу, в том чис-[е 309 страниц основного текста, 146 рисунков и 28 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована :аучная проблема, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дано описание конструкций и приведены техни-'ргкип чар'жт0'пяст1"си те^ллчмтедой тттмов 'ЛРТ-^ -ЯО. ЙР?-<Ь-ОП-1 ,

ИРТ-165-01, ИРТ-165-02, ИРТ-25 "Фермер", ЫРМ-50, которые являли объектами исследований, сделан краткий обзор научных работ в сбл< сти динамики роторных систем в общем и сельскохозяйственном мапп ностроеюш, а также обзор основных методов расчета и анализа нел! нейных колебательных систем, определены цель и задачи исследован!

В обзоре работ отмечен существенный вклад, внесенный в penit ние многих вопросов динамики, прочности и надежности СХМ Алферов! С.А., Аниловичем В.Я., Беленьким Д.М., Босым Е.С., Галэджевым Р.С Гриньковым Ю.В., Грошевым Л.М., Гячевым JT.B., Дштричешо С.С. Дубровским A.A., Жаровым В.П., Ермольевым Ю.И., Заикой n.M., Куз! ным Г.А., Листопадом Г.Е., Липковичем Э.И., Литвиновым А.И., чшским Н.Д., Матчановым Р.Д., Нагорским И.С., Пановым И.М., Рада ным В.В., Росляковым В.П., Садреддшовым A.C., Серым И.С., Спиче*: ковым В.В., Тененбаумом М.М., Терликовым В.А.-, Турбиным Б.И. и др Научные основы проектирования СХМ с рабочими органами ротор ного типа, в том числе измельчителей кормов^заложены в трудах Гс рячкина В.П., Василенко ü.M., Долгова И.А., Мельникова С.В.', Сили на В.И., Ревенко И.И., Резника Н.Е., Фомина-В.И., Хозяева И.А. и г Из немногих работ, посвященных колебательным системам роторо СХМ, наиболее значительными являются исследования Полушкина O.A. Туранова Х.Т., Глущенко А.Д. -

В механике широко известны работы крупных отечественных и за рубежных ученых Жуковского Н.Е., Крылова А.Н., Капицы П.Л., Нике лай Е.А., Болотина В.В, Стодолы А., в которых рассматривались осо бенности движения роторов и которые оказали большое влияние на ра звитие исследований в этой области. Начало систематического изуче ния роторных систем положено Диментбергом Ф.М., Кельзоном A.C. Кушулом М.Я., Позднякоя ЭЛ., работы которых легли в основу шога исследований в различных отраслях машиностроения.

Исследования динамики узлов и агрегатов СХМ проводились ране в большинстве случаев на основе линейных моделей. В настоящее вре мя на базе линейных моделей особенно эффективным методом расчет динамики и прочности конструкций машин, в том числе сельскохозяйс твешого назначения, является метод конечных элементов. В наше: стране и за рубежом разработано большое число программных комплек сов ( ПРОЧНОСТЬ, STRESS, NASTRAN, SAP-80, KOSMOS и др.), реализую щих идеи метода конечных элементов. В работах Рула Р.Л. и Букер. Д.Ф., Гупты К., Нельсона Х.Д., Мёрти A.B., Дзыгадло 3. и др. это метод применен для расчета динамических характеристик роторов.

Однако, в расчетной практике есть случаи, которые остаются ещб вне возможностей универсальных вычислительных комплексов метода конечных элементов. Это относится и к многим задачам динамики роторных систем СХМ, хотя в литературе некоторые типы элементов описаны (конечный элемент вала с распределенными параметрами, жесткий диск, невесомая опора). Главная причина здесь заключается в том, что алгоритмы и методы анализа собственных колебаний, а также основной метод определения реакции системы на внешние воздействия, заключающийся в разложении по собственным формам, рассчитаны на операции с симметрическими матрицами, тогда как у роторных систем гироскопические матрицы несимметричны.

Метод конечных элементов мог бы служить универсальным методом расчета роторных систем СХМ, если расширить его библиотеку за счет включения элементов, характерных для роторов СХМ, и предложить алгоритмы решения основных задач динамики, учитывающие особенности движения и процессов функционирования рабочих органов роторного типа. Например, библиотеку элементов целесообразно дополнить следующими элементами: элемент - жесткий ротор; элемент - жесткий корпус (в пакетах программ МКЭ твердые тела есть, но они включаются в модель как дополнительные массы, присоединенные в узловых сечениях); конечный элемент вала с учетом деформации сдвига, совместимый со стандартными элементами, а также предусмотреть все возможные условия сопряжения элементов. Для исследования собственных и вынужденных колебаний роторных систем СМ необходимо разработать алгоритмы решения обобщенной задачи на собственные значения с ко-сосимметрическими матрицами и решения квадратичной задачи на собственные значения, модернизировать алгоритм Гаусса решения систем линейных алгебраических уравнений для случая ленточных матриц с двухсторонним окаймлением.

Обзор работ показал, что мало внимания уделялось исследованиям нелинейных механических систем СИЛ, в частности, не изучались нелинейные колебательные системы роторов СХМ. Тогда как исследования показали, что на базе линейных моделей колебательных систем роторов (например, измельчителей кормов) не всегда удается разработать эффективные способы снижения их динамической нагруженности, не нарушая функциональных свойств и конструктивного исполнения машины. Но, с другой стороны, для колебательных систем роторов многих СХМ, в том числе измельчителей кормов, влияние нелинейных факторов, которые можно было бы учесть, построив более точную модель,

пренебрежимо мало по сравнению с влиянием неуравновешенных Mai или технологической нагрузки. В связи с этим возникает другая з; дача: мокно ли за счет введения дополнительных нелинейных элеме! тов существенно улучшить динамические свойства СХМ с рабочими о] ганами роторного типа, уменьшить нагруженность их конструкций. Tí кими дополнительными элементами в механике являются демпферы, том числе "сухого" трения, нелинейные динамические гасители кол« баний, упругие опоры с нелинейными характеристиками жесткости, ai тобалансиры.

Учитывая тот факт, что при эксплуатации из-за неравномерно! износа и изменения геометрии масс при взаимодействии с перерабать ваемым материалом нарушается балансировка роторов СХМ, наиболе приемлемым решением здесь было бы использование автобалансироь Среди автобалансирующих устройств, которые делятся на активные пассивные, последние вызывают особый интерес, как отличакщиес простотой и надежность® конструкций, хотя они уравновешивают рото только в определенном диапазоне его угловых скоростей.

Вопросы применения авгобалансировочных устройств для компенса ции неуравновешенности роторов рассматривали в своих работах Ara фонов Ю.В., ДетинкоФ.М., Кравченко В.И., Муйжниек А.И., Тюмано A.M. и др. Важное значение для развития теории автобалансировочны: устройств имели фундаментальные исследования Блехмана И.И., на ос нове которых многими учеными успешно решен ряд задач в этой области. В последнее время наиболее значительные и интересные результаты здесь получены Нестеренко В.П.

Однако автобалансиры не нашли еще широкого применения в технике, в том числе сельскохозяйственной. Основная причина этого заключается в следующем.

Отсутствуют метода расчета автобалансировочных устройств роторов машин с большим числом степеней свободы. Ранее разработанные методы могут быть использованы, если число степеней свободы системы без автобалансира не превышает четырех, и они не позволяют алгоритмизировать расчет автобалансировочных устройств, применить для их анализа и синтеза ЭВМ, рассчитать параметры и зоны устойчивости автобалансиров многих характерных для СХМ роторных систем. Нет также возможности рассчитать автобалансир ротора с распределенными параметрами, применяя конечноэлементное моделирование.

Не исследованы переходные режимы движения роторов с автобалансирами и не предложены методы их расчета, хотя знание■механизма

формирования автобалансировочного режима движения, а также процесса перехода ротора с автобалансиром через резонансные зонн имеют большое значение для проектирования подобных устройств.

Не решалась также важная задача оценки помехоустойчивости ав-' тобалансировочных устройств, то есть оценки влияния технологического процесса и других работающих механизмов сельскохозяйственной машины на устойчивость автобалансировочного режима движения.

Так как роторные системы СХМ с автобалансирами являются нелинейными, то, шея в виду разработку их методов расчета, проведен анализ основных методов исследований нелинейных колебательных систем. Наибольшее распространение при исследованиях нелинейных колебаний механических систем получили метод малого параметра, асимптотические методы, метод гармонического баланса, метод усреднения, метод точечных отображений, метод Бубнова-Галеркина, различные методы линеаризации, методы сведения к интегродифференциальным уравнениям и другие методы. Среди численных следует выделить разностные методы, методы редукции к задаче Коши, методы последовательных приближений, а также метод продолжения решения по параметру.

Анализ основных методов исследования- нелинейных колебательных систем показал, что в основу расчета автобалансировочных устройств роторов машин с большим числом степеней свободы может быть положен метод малого параметра, разработанный Блехманом И.И. для систем с почти равномерными вращательными движения™.

В результате обзора литературы установлено также, что не проводились исследования, направленные на снижение динамической наг-руженносги, повышение надежности и долговечности, уменьшение вибрации и шуги измельчителей кормов.

В конце первой главы сформулированы цель и задачи исследований, которые приведены выше.

Во второй главе в первой ей части изложен разработанный метод расчета установившихся движений, параметров и зон устойчивости автобалансировочных устройств роторов машин с большим числом степеней свободы, рассмотрены особенности расчета автобалансиров конеч-ноэлементных моделей роторов, описан предложенный способ численного интегрирования дифференциальных уравнений переходных режимов движения роторных систем с автобалансирами.

Прежде всего, в результате анализа конструкций сельскохозяйственных машин с рабочими органами роторного типа была выбрана обобщенная модель роторной системы с автобалансиром (рис.1). Сель-

Рис.1. Обобщенная динамическая

модель роторной системы СХМ с маятниковым автобалансиром

скохозяйственная машина представлялась в виде совокупности твердых тел, конечных элементов с распределенными параметрами и упруго-демпферных связей. Ротор, произвольным образом расположенный и закрепленный в корпусе, рассматривался как абсолютно твердое тело. На роторе с обеих его сторон попарно установлены четыре маятника одинаковой массы т и длины I. Движение системы изучалось по отношению к неподвижной системе отсчета {хугУ, а в качестве обобщенных координат ротора выбраны его линейные у,г и угловые 0,ф перемещения. Дифференциальные уравнения, описывающие движение системы при постоянной угловой скорости ротора со, состоят из уравнений для ротора и машины:

м-я + (В + о-4 + к.ц = Р + 1е (1 )

и уравнений для маятников автобалансира:

% + ~ = ~ ¿СОБф^ + О250ь(ёз1Пфь - фСОБф^) -

- ^соэф^соэрш, (2)

( к=1,4, а^=1 при й=1,2, ок=-1 при к=3,4 ).

Здесь М,В,С,К - соответственно матрицы инерции, демпфирования, гироскопических коэффициентов и жесткости; ц = [у,г,в,ф,д вектор обобщенных координат, где ql - обобщенные координаты машины; ф - углы поворота маятников; ро - коэффициент сопротивления; ак - расстояние от центра масс ротора до точки подвеса й-го маятника ( в дальнейшем принято ак= а); 1е - вектор или сумма векторов внешних воздействий (оценка влияния этого вектора является другой задачей, поэтому на данном этапе принято 1=0). Вектор возмущающих сил от дисбаланса и автобалансира Р имеет вид:

4

1п&±>2 СОвМ + п^ф^гШф^ + Ф^С03ФА)'

]т -

Р = -

к"1 4

Меи2 + соэф^. + ф2з1пфь);

Ъ=1

4

(/l-C)Sш2cos(шí-s)+m7a2aь(cpгisinфJs + ф^соэф^); "к-1 4

о

где Ы,А,С - масса, экваториальный и полярный моменты инерции ротора; е,б,в - характеристики неуравновешенности.

Исходя из предположения, что изменение обобщенных координат ротора и машины носит колебательный характер, а движение маятников близко к равномерному вращательному, в уравнения вводился малый параметр ц и решение отыскивалось в виде q=q(coí), (оЛ),

где аь - относительные углы установки маятников.

В результате решение полученной порождающей системы уравнений сводилось к решению алгебраической системы уравнений: А-с^ = ¥0.

Относительные углы установки маятников, при которых происходит уравновешивание, определяются по формулам:

С

а( = тс

arctg

а =-тс - arctg

а = тс + arctg

rp+Z С

С

arceos

+ arccos

■1/А

4а

L/,

4а

С2+(тр+?)2

а =-% + arctg

ТТИ С

arceos

[ 4а

С2+(1ТСН)2

где

Не

"Л = —г £ = mi

W-Z .

(Á-C)Dcose mi

+ arccos [— /i 4a

C2+(r¡a-ü2

(3)

í =

(i-C)Bslns

mi

а для выбора параметров маятников автобалансира получены условия:

[U-C)5sins]2+[¿fea+U-C)6cose]2 $ (4mla)s; [ U-C)6sine]2+[Aíea-U-C)Scoss]2 (4mla)2.

(4)

Достаточное условие существования и асимптотической-устойчивости автобалансировочного режима движения заключалось в требовании отрицательности вещественных частей всех корней алгебраического уравнения:

да,

о,

(к,1=1,4)-

(5)

В (5) - символ Кронекера, а дРъ/да, определяются по формулам:

ЗР ш4 ~

— = - [ (4+да, Е)з1псх. з1па.-(С+аа,С)з1па. соБа.+

2 Я Я ь л & ъ

+ (В+аакР)созак81па1~(К+аалН)соза2}соза{], (6)

где А = а;7+а?4+а4;+а44+а(а5(+а54+а3,+аа4);

2 = а2(+а24-алг-а34+а(аб?+аб4-а7г-а74^

* = -а22+аг3+а32-а33+а( -аб2+аб3-а72+а73 > = ® = аГ5+а78+а45+а4в+а(а55+а58+аб5+авЗ); ? = а25+а2В-а35-а38+а^б5+аб8-а75-а78^' С = -агб+а?7-а4б+а47+а(-а5б+а57-аеб+а87'; 5 = -а2б+а27+°Зб-а37+а(-аб6+аб7+а7б-а77Ь

В этих формулах а., - элементы матрицы А"1.

Разработанный метод позволил предложить алгоритм расчета параметров и зон устойчивости автобалансира, включающий в себя следующие этапы:

1.Подготовка исходных данных.

2.Подбор параметров маятников по формулам (4).

3.Расчет углов а, ,а„,а.,,а,.

7 <£ о

4.Определение элементов матрицы А. ■

5.Обращение матрицы А.

б.Вычисление элементов определителя (5) по формулам (6).

7.Определение коэффициентов алгебраического уравнения и проверка устойчивости автобалансира при различных угловых скоростях вращения ротора с .помощью критерия Рауса-Гурвица.

Этот метод позволяет в принципе проводить расчет автобалансировочных устройств роторов с распределенными параметрами, применяя конечноэлементное моделирование. Хотя при проведении конкретных расчетов здесь есть свои особенности. Во-первых, на практике закон изменения неуравновешенности вдоль узловых сечений обычно неизвестен. Однако у сельскохозяйственных машин жесткостные характеристики и неуравновешенность рабочего тела ротора (барабана) намного больше, чем у вала. Поэтому для них целесообразно использовать

модель, где барабан рассматривается как твердое тело, а вал разбит на конечные элементы. При этом неуравновешенностью вала молено пренебречь. Во-вторых, для полного уравновешивания конечноэлементной модели ротора число корректирующих масс автобалансира должно совпадать с числом степеней свободы модели, а конструкция такого автобалансира вряд ли осуществила. Но с помощью ограниченного числа маятников (например, четырех) можно добиться существенного уменьшения реакций в опорах или амплитуды колебаний какой-либо точки.

К переходам режимам движения роторных систем СХМ относятся режимы разгона и выбега, реакция системы на ударные воздействия, технологическую нагрузку и нестационарные возмущения со стороны других механизмов. Наибольшее распространение при расчете переходных режимов движения роторных систем получили асимптотические и численные методы. Особенностью уравнений, описывающих переходные режимы движения роторной системы с автобалансиром, является то обстоятельство, что они аналитически неразрешимы относительно старших производных. Поэтому здесь предложен метод расчета, заключающийся в следующем. '

В общем случае уравнения переходных режимов движения роторной системы с автобалансиром можно записать в матричной форме:

= или % = 1.Г1

Для приведения последней система к нормальной форме введем новые переменные qi = и , (1=1,...п). Тогда уравнения движения в матричном виде запишутся следующим образом:

X = б(х^),

• • • • • т /л

где х= [д1,..,дп,и7,..,ип11; 0(х,1) = [ 01, 92]х;

[иг...,ип1т; С!г= f,Г1(q)■F(q,q,í).

Полученные уравнения уже формально разрешены относительно старших производных и могут быть проинтегрированы с помощью любого из устойчивых численных методов. Правда, алгоритмы этих методов должны быть изменены и включать в себя новую процедуру - обращение на каждом шаге интегрирования матрицу инерции. И хотя этот метод чувствителен к выбору шага интегрирования и требует вычислений с двойной точностью, его использование приводит к удовлетворительным результатам и дает экономию машинного времени. В настоящей работе для численного интегрирования использовался измененный алгоритм метода Рунге-Кутта четвертого порядка, в котором была предусмотрена к^оцодура обращения иэтрвдя В д&зьноЯжоы ?тот :.:итод игт •

менялся для исследования дяншгкп разгона роторнюс систем с автобалансиром, процесса формирования автобалансировочного режима движения, а также при проведении вычислительного эксперимента по изучению влияния технологических нагрузок и других внешних воздействий на устойчивость работы автобалансировочных устройств.

Вторая часть главы посвящена вопросам применения метода конечных элементов для расчета динамических характеристик роторных систем СШ.

Помимо известных элементов, необходашх для расчета колебательных систем роторов ( конечный элемент вала с распределенными параметрами, жесткий диск, невесомая опора ), введены новые: твердый корпус; конечный элемент вала, жестко установленный в твердом корпусе; осесимметричные твердые тела ( роторы, барабаны и т.д. ), жестко закрепленные или опертые в нескольких узлах конечноэлемент-ной модели вала; конечный элемент вала с учетом деформации сдвига, совместимый со стандартными элементами; невесомая опора, соединяющая конечноэлементную модель вала с твердым корпусом.

Для этих элементов составлены уравнения динамического равновесия, получены матрицы инерции, гироскопических коэффициентов, жесткости, а также векторы узловых сил от дисбаланса и распределенных сил тяжести. Необходимость введения новых элементов обусловлена особенностями конструкций рабочих органов роторного типа, для которых характерно, например, неравномерное распределение масс. Использование твердых тел в качестве элементов моделей позволит во многих случаях значительно упростить расчет роторных систем СШ без существенной потери точности, даст возмокность эффективно применить для вычислений персональные компьютеры и малые ЭВМ.

На простых примерах в работе показано, что если, в модель вводится элемент - твердый корпус, то матрицы конструкций являются ленточными с двухсторонним окаймлением.

Определение критических скоростей роторных систем СХМ сводится к решению'обобщенной задачи на собственные значения вида:

М*-х = А.-К-Х, (7)

где Ы*= M-iG (здесь M,G,K - соответственно матрицы инерции, гироскопических коэффициентов и жесткости), а наивысшим собственным значениям X соответствуют наинизшие значения критических скоростей

u (w2=1/À.). Однако основным и существенным отличием задачи (7) яв-

£

ляется то, что матрица M - комплексная и несимметрическая. Поэтому предложен следтадкй способ нахождения крттагаеских скоростей ро-

Вначале, используя разложение Холецкого матрицы жесткости (К=1*ЬТ), преобразованием подобия задачу (7) приводим к А*-у = Х-у, где А*=1Г1- комплексная представимая в виде А*= В+{С. Так как для роторных систем матрица А* является эрмитовой, то задача нахождения собственных значений этой матрицы сводится к аналогичной задаче для симметрической вещественной матрицы Р удвоенного порядка по сравнению с

торных систем, жесткости (К=1 стандартной задаче: матрица,

матрицей Ы

Р =

В С

-С

в

Наиболее сложной для конечноэлементных моделей роторных систем является квадратичная задача на собственные значения. В настоящее время известно лишь ограниченное число методов её решения. Их основу составляет сведение квадратичной задачи к эквивалентной обобщенной задаче, однако алгоритмы, реализующие эти методы, сложны и требуют применения ЭВМ с большим объемом оперативной памяти и быстродействием. Разработанный в диссертации алгоритм позволяет использовать ЭВМ с небольшим объемом оперативной памяти. Суть его заключается в модификации способа сведения к эквивалентной обобщенной задаче с последующим применением метода одновременной итерации. Вычисления по данному алгоритму сводятся к решению б треугольных систем уравнений и 6 умножений вектора на матрицу. Причем все операции производятся с исходными матрицами М,С,К, не требуется хранения вспомогательных матриц, в расчетах могут быть учтены такие специфические свойства исходных матриц как разряженность и ленточная структура. Численные результаты получены для динамической модели роторной системы опытной ко-50 . 100 150 200 250 Л РАА/С нструкции измельчителя кормов Рис.2. Зависимости собственных ИРТ-80. Зависимости собственных

Г.еш изм^еляР°Жо °от ° ВР™ "

угловой скорости ротора Q этой модели , показаны на рис.2.

В связи с особенностью матриц конечноэлементных моделей роторных систем с твердым корпусом, являю:цихся ленточными с двухсторонним окаймлением, модернизирован алгоритм Гаусса для систем алгебраических уравнений, к решению которых сводится задача определения реакции системы на периодические воздействия. В этом алгоритме нижняя часть окаймления не участвует в выборе ведущего элемента до тех пор, пока не исключатся ненулевые элементы под главной диагональю ленточной части, а ведущий элемент выбирается в пределах ленты.

Для вычисления реакции роторных систем СХМ на технологическую нагрузку, которая в общем случае представляет собой нестационарный случайный процесс, предлагается использовать метод Ньюмарка' с предварительной обработкой временного вектора внешних воздействий с помощью сплайн-аппроксимации или линейной интерполяции.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям динамики измельчителей кормов. Исследования ставили своей целью оценить влияние технологического процесса на динамическую нагружен-ность машин, выявить основные причины повышенной "вибрации и больших динамических нагрузок измельчителей кормов, получить информацию для обоснования и построения динамических моделей, определить необходимые для расчетов исходные данные, проверить адекватность моделей и достоверность результатов теоретических исследований.

Экспериментальные исследования влияния технологического процесса на динамическую нагруженность измельчителей кормов ИРТ-Ф-80--1, МРТ-165-02, ИРТ-25 "Фермер" включали в себя измерение и анализ крутящих моментов на валах роторов, а также определение нагрузок в подшипниках роторов при измельчении кормов и на холостом ходу. Для измерений использовались методы и средства тензометрии. Измельчению подвергались сено злаковое в россыпи, солома шешэтяая в россыпи и в тюках, сено злаково-осоковое в рулонах.

В результате обработки осциллограмм установлено, что кривые изменения крутящих моментов на валах роторов измельчителей кормов складываются из случайной и периодических составляющих. Периодические составляющие имеют частоты, равные частотам вращения ротора и двигателя, что свидетельствует о связности крутильных и поперечных колебаний роторов. Случайная же составляющая отражает влияние процесса измельчения кормов. Для оценки этого елияния путем дискретизации аналоговых кривых, отображающих изменение случайной составляемой, были подучены вреленше ряда, анализ которых проводился

на IBM PC AT с помощью пакета программ STATGRAPHICS. Однако во всех случаях, используя операции сглаживания и фильтрации, выделения тренда, а также применяя мультипликативные и аддитивные представления, исходные временные ряды не удалось свести к стационарным последовательностям.

Более удачной оказалась попытка построения для исходных временных рядов модели в виде комбинации авторегрессии и скользящего среднего:

X, = а.п + а.Х. „+...+ а. + Y. + б Т. ,+...+ 6 Y. .

t О 1 t-1 t-p t " 1 t-1 ш. t-m

Здесь Xt_},...,Xt - прошлые значения временного ряда; Yt, Yt_j.....Yt_m - настоящее и прошлые значения случайного стационарного процесса, который легко поддается анализу, например, белого шума; ctj.Pj - постоянные параметры.

Установлено, что в двух случаях для описания временных рядов достаточно модели скользящего среднего, а во всех остальных модель представляла собой комбинацию линейной авторегрессии ( марковский процесс первого порядка ) и скользящего среднего. Этот результат даёт возможность моделирования и анализа влияния технологического процесса измельчения кормов на динамическую нагруженность конструкций измельчителей.

Эксперименты по измерению крутящих моментов на валах роторов измельчителей кормов показали, что двигатель трактора ЫТЗ-80, аг-регатируемого с измельчителем ИРТ-Ф-80, при дроблении рулонов и тюков будет подвергаться частым перегрузкам. В связи с этил рекомендовано на мобильных машинах типа ИРТ-80 установить регулятор загрузки, а на стационарных - увеличить мощность электродвигателя до (70-75)кВт. Подобные исследования для измельчителя ИРТ-25 "Фермер", наоборот, показали, что у этих машин имеется достаточный запас мощности. Это позволило в дальнейшем упростить систему гидропривода бункера и усовершенствовать конструкции ротора и рабочей камеры в целях улучшения фракционного состава кормов.

В результате исследования влияния технологического процесса измельчения грубых кормов, .заготовляемых в россыпи, в тюках и рулонах, на динамические нагрузки в подшипниках роторов измельчителей типа ИРТ-Ф-80 и ИРГ-165 установлено следующее. В условиях проведенного 'эксперимента на измельчителях типа ИРТ-Ф-80 с боковой подачей кормов на молотковый ротор вертикальная составляющая нагрузок в подлинниках: ротора при дроблении соломы в россыпи увеличи-

— Я ОТ1 Я Ц9 бОЛ">? Р» 10"> "" С ХОЛОСТЧМ ХОТГОМ, Tm,T роб,-

лекии соломы в тюках - на 15%, сена в рулонах - на 30%. На измельчителях типа ИРГ-165 с прямой подачей кормов на молотковый ротор вертикальная составляющая нагрузок в подшипниках ротора практически не изменяется по сравнению с холостым ходдм, при дроблении солош в тюках увеличивается не более чем на 10%, и сена в рулонах -не более чем на 15%.

Проведён отдельный эксперимент по оценке форм и величин ударных импульсов, передаваемых на ротор при взаимодействии отдельного молотка с кормами. Результаты эксперимента позволили выбрать форму ударных импульсов, установить, что нормальная составляющая нагрузок примерно в три раза меньше тангенциальной и подтвердить необходимость установки предохранительных дуг на ротор.

Экспериментальные исследования колебаний измельчителей кормов ИРТ-165-02, ИРТ-80, ШЛ-50, проводимые с целью гаявлепня причин больших динамических нагрузок и повышенной вибрации, проверки адекватности динамических моделей и включающие в себя определение собственных частот колебаний элементов конструкций, осциллографя-рование изгибных колебаний валов роторов, нахокдеше динамических нагрузок в опорах при разгоне, выбеге и на рабочей частоте вращения роторов, показали следующее. Основной причиной больших динамических нагрузок и повышенной вибрации этих машин является близость значений критических скоростей ротора у измельчителей типа ИРТ-165 и собственных частот колебаний элементов корпуса и бункера у измельчителей типа ИРТ-80 и ИШ-50 к частотой вращения ротора и двигателя. Кроме того, у измельчителей типа ИРТ-80 и ИРТ-165 обнаружен существенный недостаток при изготовлении ротора, а именно, допуск на размер при сверлении отверстий в дисках под оси молотков нз учитывал погрешности кондуктора. Рекомендовано отказаться от трехопорной схемы вала ротора измельчителя ИРТ-80, уточнить технологию балансировки к сборки шкиеов ременной передачи, организовать контроль натякения решзй и изменить конструкцию осей на роторе у измельчителя ИР',1-50.

Измерены уровни вибрации на опорах роторов измельчителей ИРТ--Ф-80, ИРТ-165-02, ИРМ—50 в различных режимах работы и проведена оценка уровней шума на рабочих местах операторов этих машин. Установлено, что технологический процесс больше влияет на горизонтальную, чем на вертикальную составляющие вибрации. Например, в условиях проводимого эксперимента на измельчителях МРТ-Ф-80 и ИРТ-165--02, если при дроблении солош в россыпи среднпкваггрптические зна-

чения виброскорости, измеренные в горизонтальном и вертикальнс направлениях на опорах роторов, увеличиваются не более чем на 1С -15", то при дроблении соломы в тиках горизонтальная составляющг вибрации у измельчителя ИРТ-Ф-80 увеличивается на 70-75%, а у иг мельчителя ИРТ-165-02 - на 30-35%, тогда как вертикальная состаЕ ляющая увеличивается соответственно на 20-25% и 10-15%. Еще болыа это различие при измельчении сена в рулонах.

Получены спектрограммы виброскоростей и виброускорений, изме решим на опорах роторов измельчителей кормов на холостом ходу при дроблении соломы в тюках. Анализ спектрограмм виброскоросте показал, что у измельчителей типа ИРГ-Ф-80 и ИРТ-165 больше всег влияние технологического процесса сказывается на малых и средни частотах, особенно в октавных полосах частот, куда попадает часто та вращения ротора и частота взаимодействия рядов молотков с кор мами. Характерные спектрограммы для виброскоростей' приведены н

рис.3,а,б. На этих рисунках на осях абсцисс цифрами 1,2.....10 от

мечены октавные полосы частот со среднегеометрически!® значениям; 16, 31,5, 63,...,8000 Гц.

V,

дБ 1а о

00

80

ГО

60

50

Рис.3. Спектрограммы горизонтальной составляющей виброскорости, измеренной на полке крепления заднего подшипника измельчителя ИРТ-Ф-80 на холостом ходу (а) и при дроблении соломы в тюках (б)

В результате измерения шума на рабочих местах операторов измельчителей кормов ИРТ-Ф-80, ИРТ-165-02, ИРМ-50 установлено, что уровень звука при работе измельчителя ИРТ-Ф-80 на открытой площадке превышает, санитарную норму на 1-2 дБ го шкале дБ(А), а у измельчителей НРГ-165-02 и ;ТРй-50 - на 14-16 с.В. Поэтому оператора

125456789 10

1234 5 6789 10

а

машин последних катов дол::аш работать в наушниках.

Экспериментально определены следующие исходные данные, необходимые для построения дшагдпескпх моделей, расчетов колебаний и нагруаенности измельчителей кормов ИРТ-80, ИРТ—165-02, ИШ-50: массы; положение центров масс; осевые и центробежные моменты инерции; коэффициенты жесткости опор роторов, амортизаторов корпусов, упругих элементов соединительных муфт, колесного хода. Результаты измерений хесткостей элементов исслэдуегшх конструкций измельчителей кормов показали, что расчет колебаний и нагрукенности их роторных -систем может быть проведен на основе линейных динамических моделей.

В четвертой главе на базе лннейких динакзггесжях моделей и р*с-ширенного для роторных'систем СХМ метода конечных элементов ксслз-дованы колебания и динамическая нагрукзнность нзглзльчлтолей кормов тша ИРГ-165-02, I®.1-50,ИРТ-80.

Для измельчителя ИРТ-165-02 исследования включали в себя выбор и проверку адекватности динамической модели роторной системы, расчет основных характеристик собственных и вынужденных колебаний, определение реакций в опорах ротора и вала привода, изучение влияния различных параметров на динамику конструкции, разработку рекомендаций по снижению динамической нагрукенности и уровней вибрации.

Рис.4. Динамическая модель роторной системы измельчителя ИРТ-165-02: 1 - корпус; 2 - ротор; 3 - вал привода; 4 -амортизатош; 5 - бункер

Анализ жесткостннх и инерционных, характеристик основных узлов а также результаты экспериментальных исследований показали, что для изучения колебаний и динамической нагружэнности роторной системы измельчителя ИРТ-165-02 может быть выбрана динамическая модель (рис.4), в которой корпус рассматривается как абсолютно твердое тело, укрепленное на неподвижном основании с помощью невесомых упругих опор, а ротор и вал привода, соединенные муфтой с упругими элементами, разбиты на цилиндрические конечные элементы. Податливость лонжеронов, поперечин корпуса и подшипников валовой линии учитывается путем введения невесомых упругих опор, соединяющих корпус с конечноэлементной модель» ротора и вала привода.

Матричное уравнение, описывающее вынужденные колебания динамической модели роторной системы под действием сил неуравновешенности и распределенных сил тяжести при постоянной угловой скорости А ротора, без учета демпфирования и технологической нагрузки, имеет вид:

И-о + П-Б-ц + К-ч = П2(ОосозШ + (Ззз1пт) + 0 , (8)

где Ы.Б.К - соответственно матрицы инерционных, гироскопических и жесткостных коэффициентов; - составляющие вектора обобщенных

сил от дисбаланса, С5р - вектор распределенных сил тяжести.

Причем, если матрицы инерции и гироскопических коэффициентов являются ленточными, то матрица жесткости является ленточной с двухсторонним окаймлением.

Расчет вынужденных колебаний исследуемой системы при соответствующем ЕЫборе частного решения уравнения (8) сводится в основном к решению двух систем алгебраических уравнений с симметрическими матрицами коэффициентов. В результате численного решения этих уравнений с использованием модернизированного алгоритма Гаусса построены, амплитудно-частотные характеристики для отдельных точек ротора, вала привода и корпуса, вычислены реакции в опорах ротора и вала привода. Установлено, что в диапазоне от О до 300 рад/с имеется восемь резонансных зон. Для проверки полученных результатов и выяснения характера колебаний в резонансных зонах проведен расчет критических скоростей и сделан анализ форм .колебаний. Значения критических скоростей и резонансных частот роторной системы измельчителя ИРТ-165-02, найденные расчетным путем и экспериментально приведены в таблице. ~

Таблица

Критические скорости и резонансные частоты роторной системы измельчителя ИРГ-165-02 (рад/с)

1 2 3 4 5 б 7 8

Результаты расчета 37,7 71,0 89,0 103,2 156,1 178,0 224,4 253,3

Данные экспери- 35,3 73,3 80,4 95,6 153,8 181 ,2 - 261 ,5

мента ±2,0 ±4,2 ±4,6 ±9,2 ±14,6 ±16,3 ±24,1

Сравнение результатов расчета и эксперимента д^ет основание считать выбранную модель з достаточной степени адекватной. Анализ форм колебаний показывает, что шрзяз тш резонансные зоны определяются в основном парамекорпуса, четвертая, застал л сзди'ал зависят главным обрезом от пнзрщгсьгек п ;::естносттшх харпктошетшс ротора, а пятая и Еосьмая - вола привода.

Видаю, что осяоеной причиной повышенной вибращи измельчителя 1ГРТ-165-02 является близость критических скоростей ротора (со^ -103,2 рад/с, о)б =178,0 рад/с) к его частоте вращения (ю =200 рад/с) и к частоте вращения двигателя (а =.100 рад/с), а весь спектр резонансных частот неблагоприятно расположен по отношению к работ! частотам и отрицательно влияет на вибронагрукенность конструкции. С целью отстройки резонансных частот от частот вращения ротора и двигателя провожалась исследования ншчштя различны,1:. параметров (жесткости опор, деелотр вала, масса ротора и т.д.) па критические скорости, реакции в опорах н амплитуды колебав дтшсьгпчзской ко-делл. Однако эти исследования показали, что если изменением како-ГО-длбО параметра удается скесткть одну из резонансных зон от рабочей частоты, то в опасной и.тазоот.х, кг;с правило, ок.играется другая резонансная частота. Очевидно, что для отстройки рабочих частот необходимо существенное изменение конструкции измельчителя.

В качестве первоочередных мер, не требугащх значительного переоборудования л не Езрушокщях тогагаю-экогюкиадекпе показатели, предложено изменить конструкцию колотхового ротора и внедрить нормирование вибрации для организации контроля качества изготовления.

Сравнение результатов расчета.реакций в опорах ротора и данных эксперимента помогло установить вышеупомянутый недостаток при изготовлении отверстий в дисках ротора.

Предложенный метод конечноэлементного моделирования роторных систем СЯМ позволил построить эпюры гогабаетих моментов и попереч-

ных сил в сечениях вала ротора и вала привода и оценить их напряженно-деформированное состояние.

По заказу ПО "Бурятферммаа", с целью совершенствования конструкции измельчителя ИРМ-50 и уменьшения его динамической нагружен-ности, применяя конечноэлементное моделирование, проведен сравнительный анализ колебаний роторных систем различной компановки для этого класса машин. Расчеты проводились на основе динамической модели, в которой корпус, рабочее тело ротора, шкив считались абсолютно твердыми телами, амортизаторы корпуса и опора ротора - невесомыми, линейно-упругими, а свободные участки ступенчатого вала разбивались на цилиндрические конечные элементы. Исследования заключались в определении собственных частот колебаний невращающегося ротора, критических скоростей, форм колебаний, реакций в опорах и амплитуд колебаний для серийного и укороченного роторов в собственных подшипниках и на упругих резиновых опорах, для роторов в корпусе на амортизаторах и без амортизаторов. Установлено следующее. Во-первых, при угловых скоростях до 230 рад/с можно рекомендовать к внедрению ротор, имеющий меньшие на 30% массу и длину по сравнению с серийным ротором. Это позволит не только уменьшить металлоемкость конструкции, но и снизить её динамическую нагружен-ность (как показали в дальнейшем испытания на МИС, потери производительности при этом не превысят 10й). Во-вторых, применение резиновых опор может бить оправдано только для серийного ротора на частоте вращения и=300 рад/с и выше. Во всех остальных случаях их использование нецелесообразно. В-третьих, настоятельно можно рекомендовать установку корпуса машины на амортизаторы, что позволит существенно (примерно в 1,6-2,5 раза) снизить дтлиамическую нагру-женность измельчителей и не внесет больших изменений в конструкцию. Для исследований колебаний и динамической нагруженности роторной системы опытной конструкции измельчителя ИРТ-80 была выбрана более простая динамическая модель с семью степенями свободы (рис. 5), которая представляет собой абсолютно жесткий корпус, укрепленный на трех упругих невесомых опорах, имитирующих колесный ход и поводок, в корпусе также на трех невесомых упругих опорах установлен вал с-молотковым ротором. Вал ротора принимался гибким и невесомым, а ротор представлялся в виде абсолютно жесткого тонкого диска, закрепленного на валу.

Обоснование этой модели проводилось с помощью пакета программ МКЭ для роторных, систем СХМ и включало в себя оценку влияния де-формащш сдвига ( в связи с малым мекопорным расстоянием рабочего тела ротора ) и способов крепления ротора на валу (опирание в двух точках, жесткая заделка, жесткое крепление в одном сечении) на поперечные колебания роторной системы. Установлено, что влияние деформации сдвига пренебрежимо мало, а расхождения в значениях критических скоростей и собственных частот колебаний роторных'систем при различных способах крепления ротора на валу не превышают 3%.

Используя уравнения Лагранжа второго рода, выражения для кинетической и потенциальной энергий, получены дифференциальные уравнения, описывающие вынужденные колебания модели под действием неуравновешенности ротора, вращающегося с постоянной угловой скоростью П. Предварительно была решена задача определения коэффициентов влияния вала ротора, установленного на трех упругих опорах. В матричной форме без учета демпфирования и технологической нагрузки эти уравнения записываются следующим образом:

Н-а + П-й'^ + К^ = П2(0.ссоз0{ + 0,зЙ1ПП1),

где приняты обозначения: !.',С,К - соответственно матрицы инерции, гироскопических коэффициентов п жесткости; составляющие ве-

ктора обобщенных сил от дисбаланса.

Решение полученной системы уравнений находилось методом комплексных амплитуд. В результате расчета для каждой обобщенной координаты определялись действительные амплитуда Аь и фаза еь, так что реиение представлялось в виде дг =^соз (Шч-9^), где д,.. - й-я обобщенная координата. Найдены законы изменения наибольшее амплитуд колебаний точек вала и реакций в огюрах ротора при увеличении угловой скорости.

Используя преддокэннай во второй главе способ, найдены критические скорости: и =17,18 раО/с; (¿г=23,82 рад/с; ы=42,17 -рад/с; <о4=137,1 рад/с; ш5=317,3 рад/с; ы =344,б рад/с и форш колебаний роторной системы измельчителя. Установлено, что в зонах трех первых резонансных частот увеличиваются главным образом колебания корпуса, в зоне четвертой частоты и превалирует угловые колебания ротора, а в зонах пятой о5 и шестой ы6 частот - линейные колебания ротора, соответственно, в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Результаты построения амплитудно-частотных характеристик и определения резонансных частот показала, что крит:1ческде скорости и со0-ствэннае частоты колебаний роторной системы не могут являться причиной повышенной вибрации измельчителя.

Для роторной системы этого измельчителя решена такие квадратичная задача на собственные значения (см. рис.2).

ПроЕедона оценка влияния технологического процесса измельчения корков на динамические нагрузки в опорах ротора. С этой целью формировался вектор технологической нагрузки, элементы которого представляли собой нестационарные временные ряды, а реакция системы на подобное воздействие определялась в результате численного интегрирования уравнений движения. Для определения элементов вектора технологической нагрузки использовались данные эксперимента по измерению крутящих моментов на валу ротора измельчителя при дроблении сена в рулонах (здесь имели место наибольшие нагрузки) и модель нестационарного временного ряда в виде комбинации авторегрессии первого порядка и скользящего среднего. Установлено, что динамическая модель роторной систеш измельчителя МРТ-80 обладает •Тя'ильтрущими свойства::" " хороптер пзкбнегтк р^як'^тя с^сто-

мы на технологическую нагрузку подобен характеру самой нагрузки. Расчеты показали, что у этого класса машин реакция система на технологическую нагрузку соизмерила с реакцией системы на дисбаланс. Это, например, видно на рис.6, где показаны горизонтальная (а) и вертикальная (б) составляющие реакщш в задней опоре ротора при совместном действии дисбаланса и технологической нагрузки. Здесь вначале показано, как изменяются реакщш в опоре при разгоне ротора от его дисбаланса, а затем при совместном действии дисбаланса и технологической нагрузки. Отдельно на этих рисунках изображены кривые изменения самой технологической нагрузки.

ПУ

К И

1.5

1.0

0.5 0

-0.5

0 0.5 1.0 1.5 3.0 1.5 3.0 3.5 40 '<.3

а

кН

0.3

а

-О.э

0 0.5 1.0 1.5 2.0 ■ 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

.....б *

Рис.6. Горизонтальные (а) и вертикальные (б) составляющие реакций в третьей опоре ротора измельчителя ИРТ-80 при совместном действии дисбаланса и технологической нагрузки

В пятой главе теоретически, используя разработанные методы расчета, и на экспериментальных стендах исследована возможность применения автобалансировочных устройств для снижения динамической нагруженное™ роторных систем СУМ.

Вначале рассчитывались параметры п зоны устойчивости маятниковых автобалансировочных устройств ротора на упругих опорах и роторов, установленных в корпусе. Первая модель представляла собой жесткий, горизонтально укрепленный на упругих опорах, ротор с четырьмя степенями свободы. На роторе, с обеих его сторон, с возможностью свободного вращения, попарно располагалось четыре маятника. Расчеты показали, что устойчивый режим работы автобаланспра жесткого ротора на упругих опорах имеет место, если частота вращения ротора будет больше его критических скоростей и парциальных частот. У автобаланспра ротора на анизотропных опорах появляется дополнительная зона устойчивости, расположенная между третьей и четвертой критическими скоростжл. Получено условие для выбора параметров маятникового автобалансяра ротора на упругих опорах: п\2В/2и>г, где т,1 - масса и дата маятников; ш - угловая скорость ротора; Я -наибольшая из двух реакций ь спорах ротора.

Результаты исследований двух других моделей роторных систем, где ротор жестко или на упругих опорах установлен в корпусе, который, в свою очередь, укреплен па амортизаторах, показали, что устойчивая работа автобаланскровочных устройств может иметь место в зоне частот, расположенных сразу после резонансных частот корпуса, то есть в ряде случаев можно обеспечить устойчивую работу автобалансира за счет выбора жосткостей амортизаторов корпуса, даже если частота вращения ротора будет меньше его критических скоростей.

'1'ак как для всех рассмотренных моделей роторных систем с аз-тсбалаксирами дифференциальные уравнения, описывающие их стационарное движение, являются частными случаями уравнение (1) и (2), то выбор параметров мяятникоеых автобалаксировочных устройств осуществлен по формулам (4).

При изучении переходных ренинов движения роторнпх систем с автобалансирам:! принято, что сопротивление в опорах маятников складывается из момента сопротивления, пропорционального относительной скорости их враорнкя, и момента сопротивления, пропорционального нагрузке, а демпфирование в роторных системах носит характер "вязкого" трения. Исследования процесса разгона и последующего установившегося движения роторных систем с автобалансирами проводились на двух моделях: для ротора с двумя степеням свободы на упругих опорах и ротора, жестко укрепленного в корпусе, который, в свою очередь, установлен на амортизаторах. Последняя система без автобаланспра имела пять степеней свободы. В обоих случаях суть

исследований заключалась в составлении, численном интегрировании и анализе решений дифференциальных уравнений переходных режимов двп-же1шя вида М^) =

Например, для ротора с двумя степенями свобода q=[y,z1ф;,ф2]?

М(Я[)

лз = т-

м VI • Л — ' М* О ' А _

Аз! • л1 - . 0 м*_ ' 2 -

-т7з1л<рг; и!созф;;

-1з1пф?+ /?созф(; 1созф;+ /тз1пф;' -1з1пф2+ /2созф2; 1созф2+ /2з1пф2

Лд =

-И1з1Пф2 й1С03фо т\г О О тГ

Неф2соБф + 1'есрз1пф - ру - су 4- и1ф^созф? + п1ф2созф2;

¿'еф з!пф - йэфсозф - рг Д2

аг + т1ф^с1пф; + т1ф|з1пф ;

й,(Ф - Ф,) + - пщ{1ео8<р1 +

Й;(Ф

Ф2) + тг/2ф2

,?^(1созф + / 31-щ) );

Здесь у,г - обобщенные координаты ротора; .ф - угол поворота ротора; Фг»Ф2 - углы поворота маятников; т,1 - масса и длина маятников; М - масса ротора; и*= и -V 2т; р - коэффициент сопротивления; с - коэффициент жесткости; е - эксцентриситет массы ротора; /} = й^впОр-ф,)» /2= й2Б^(ф-<р2); - коэффициенты трения.

Более сложными являются матрица и вектор для

второй динамической модели роторной системы.

Тагатм образом, исследования переходных резхимов движения представляли собой вычислительный эксперимент, заключающийся в численном интегрировании уравнений при различных параметрах роторных систем и маятниковых автобалансиров. В ходе этого эксперимента удалось проследить процесс фор:шровашя автобалансировочного режима движения, качественно и количественно оценить а;шлитудн колебашй и реакции в опорах роторных систем с автобалансирами при разгоне и в последующем установившемся движении, получить новые закономерности, присущие автобалансировочным системам. Установлено, что даже если правильно выбраны параметры маятников и частота вращения ротора находится в зоне частот устойчивой работы автобалансира, то и тогда автоматическая'балансировка происходит не во всех случаях. Например, в зависимости от соотношения между моментами сопротивления в опорах маятников и их статическими моментами возмогши четыре режима движения.

1. Ротор вращается с заданной угловой скоростью, а маятники совершают колебания около пождашия равновесия.

у

2. Ротор вращается с заданной угловой скоростью, а угловая скорость маятников близка или совпадает с одной из критических скоростей ротора. Этому новому эффекту в механике, обнаруженному в ходе экспериментальных исследований, посвящено отдельное исследование .

3. Ротор и маятники вращаются с одинаковой угловой скоростью и происходит процесс автоматической балансировки. Как при этом движутся маятники, прежде чем найти "легкое" место, показано на рис.7, где изображены 'траектории относительного движения маятников автобалансира ротора с двумя степенями свободы.

R.H

so о

АО О 300

20 0 100 о

Рис.8. Реакции в опорах ротора с двумя степенями свободы с автобалансиром (1) и без автобалансира (2) при разгоне

При переходе через резонансные зоны амплитуды колебаний и реакции в опорах ротора с.автобалансиром значительно больше, чем у ротора без автобалансира. Но после установки маятников амплитуда колебаний и реакции в опорах становятся во много раз меньше. Это,

Л

nMüf*

П п "111

Ж и " 1 A 1 rS

А Til V

.....' (¡w V«*" J.

например, видно из рис.8, где показано изменение реакций' в опорах ротора с двумя степенями свободы, оснащенного автобалансиром (а), и без автобалансира (б) при разгоне и в дальнейшем движении. Поэтому целесообразно оснастить маятниковые автобалансиры устройством, в частности, центробежным стопором, ограничивающим амплитуды колебаний и реакции в опорах при разгоне и не влияющим на режим балансировки на рабочей скорости.

4. Ротор и маятники вращаются с одинаковой угловой скоростью, но из-за большого сопротивления в опорах маятников резким автоматической балансировки не реализуется.

Исследования процесса автоматической балансировки ротора, жестко укрепленного в корпусе, показали следующее. Во-первых, если исполнительные элементы автобалансира представляют собой четыре маятника одинаковой,массы и длины, то структура роторной систем-! должна быть такова, чтобы амплитуды колебаний точек подвеса маятников в разных парах не отличались сильно друг от друга (не более чем в 4-5 раз). Иначе автоматическая балансировка не произойдет, и тогда надо подбирать массы и длины маятников в каждой паре. Во-вторых, необходимо стремиться к тому, чтобы расстояние между маятниками в каждой паре было минимальным, а еще лучше, если конструкция автобалансира такова, что это расстояние равно нулю. В-третьих, чтобы автоматическая балансировка произошла для каждой конкретной роторной системы, необходимо определённое соотношение между уровнем вибрации и параметрами автобалансира. Например, могут иметь место случаи, когда из-за большой массы корпуса вибрация от дисбаланса будет настолько мала, что маятники не установятся нужным образом.

Экспериментальные исследования проводились на трех стендах, один из которых представлял ротор, горизонтально установленный на упругих опорах, а два других - корпус в виде жесткой рамы на амортизаторах, в котором соосно или параллельно -укреплены ротор и электродвигатель. Исполнительными элементами автобалансира на всех стендах служили четыре маятника, расположенные попарно с обеих сторон ротора. Каждый маятник состоял из подшипника качения, втулки и стержня с резьбой для крепления грузов. Эффективность автобалансировочных устройств оценивалась по величине реакций в опорах, которые определялись тензометрическим путем. Наблюдения за положением маятников осуществлялось с помощью стробоскопического тахометра. На стенде, где ротор и электродвигатель параллельно распо-

лагались в корпусе, а приводом служила ременная передача, каждый маятник оснащался центробежным стопором.

В результате экспериментальных исследований подтверждены сам эффект автоматической балансировки в реальных конструкциях роторных систем и найденные теоретическим путем основные закономерности, присущие автобалансировочным системам. Доказано, что за счет применения автобалансировочных устройств может быть достигнуто существенное снижение динамической нагруженности роторных систем. Эксперименты показали, что применение центробежных стопоров в конструкциях автобалансировочных устройств маятникового типа позволяет улучшить их работоспособность, а уменьшение трения в опорах маятников повышает эффективность балансировки, но при этом увеличивается время установки автобалансировочного режима движения.

В ходе экспериментальных исследований выяснилось, что условия (4) являются односторонними и ограничивают выбор параметров маятников автобалансира только "снизу". На практике необходимо рекомендовать также подбор параметров "сверху" так, чтобы максимальный угол, на который раздвигаются маятники, не превышал 14СР-15(Р. Это обеспечит автоматическую балансировку ротора при увеличении неуравновешенности в 4-5 раз и застрахует автобалансировочный процесс от срывов.

При проведении экспериментальных исследований процесса автоматической балансировки ротора на упругих опорах был обнаружен новый эффект в механике. Установлено, что при определенном соотношении между моментами сопротивления в опорах маятников, расположенных на горизонтальном роторе с возможностью свободного вращения, и их статическими моментами имеет место такой режим движения, когда ротор вращается с заданной угловой скоростью, а угловая скорость вращения маятников близка или совпадает с одной из критических скоростей ротора. Угловые скорости маятников в эксперименте измерялись с помощью стробоскопического тахометра и фотодатчиков. Причем, когда ротор вращается с заданной угловой скоростью, а угловая скорость маятников близка к первой критической скорости, на которой преобладают линейные колебания ротора, то все четыре маятника направлены при движении в одну сторону. Когда же маятники вращаются с угловбй скоростью, близкой ко второй критической скорости, на которой происходят в основном угловые колебания ротора, то маятники в разных парах направлены при движении противоположно друг другу, образуя вращающуюся пару. И в том, и в другом случаях амплиту-

да колебаний и реакции в опорах ротора значительно возрастают, а колебания носят характер незатухающих биений. Достоверность экспериментальных данных подтверждена результатами компьютерного моделирования .

Моделирование включало в себя составление дифференциальных уравнений, описывающих процесс разгона и дальнейшего установившегося движения ротора с четырьмя степенями свободы и четырьмя маятниками, и численное решение этих уравнений при различных значениях коэффициента трения в опорах маятников. Основной результат компьютерного исследования приведен на рис.9, где показаны законы изменения угловой скорости одного из маятников при различных моментах сопротивления в его опоре.

LÚ

РАД/С 400

300 200 too о

0 0,5 {.о 1.5 2.0 2.a i, С

Рис.9.'Законы изменения угловой скорости маятника при различных моментах сопротивления в его опоре

Однако, несмотря на то, что данные эксперимента и результаты компьютерного моделирования совпали и установлено, что действительно описанный выше эффект имеет место, физическая сущность нового явления до конца еще не ясна, хотя здесь обнаруживаются признаки, характерные как для эффекта Зоммерфельда, так и для эффекта "захватывания".

В основу исследований помехоустойчивости автобалансировочных устройств ротора на упругих опорах и ротора, жестко укрепленного в корпусе, который установлен на амортизаторах, был положен вычислительный эксперимент. Суть его состояла в интегрировании уравнений

/\

/

-А Щ1 \АЛ/\

У -У у

S*i

вида = + при различных векторах помех Ос-

нованием для выбора критериев устойчивости послужил опыт экспериментальных исследований и компьютерного моделирования движения ро-. торных систем с автобалансирами. Установлено, что если в стационарном движении в течение некоторого промежутка времени (на практике за такой отрезок времени можно выбрать несколько периодов вращения ротора) угол установки одного из маятников изменится более чем на 10° или угловая скорость одного из маятников будет отличаться от угловой скорости ротора более чем на 20 рад/с, то следует ожидать потерю устойчивости автобалансировочного режима движения. О потере устойчивости можно судить также, исходя из анализа фазовых диаграмм. Был принят следующий порядок исследований помехоустойчивости автобалансировочных устройств. Вначале проводилось численное интегрирование уравнений при I = 0 и начальных значениях обобщенных координат и обобщенных скоростей. После того, как вычисления показывали, что произошла автоматическая балансировка и режим движения роторной системы с "автобалансиром принял стационарный характер, вводился вектор помех и интегрирование проводилось уже с его учетом. Если в дальнейшем один из критериев устойчивости оказывался нарушенным, то считалось, что автобалансировочный режим движения потерял устойчивость. Если же критерии устойчивости не нарушались, то автобалансир считался устойчивым по отношении к данному вектору помех.

Подобным образом изучена помехоустойчивость автобалансировочных устройств при действии гармонических возмущений, одиночного импульса, постоянной силы и внешних воздействий, имитирующих нагрузки от технологического процесса измельчения кормов. В последнем случае рассматривалось два варианта. В первом - оценка устойчивости проведена по максимальным нагрузкам, считая, что ударные импульсы, приложенные к молоткам ротора, одинаковы и описываются одной функцией. В конечном итоге это приводит к исследованию влияния гармонических воздействий с частотой, равной частоте взаимодействия рядов молотков с кормами. Во втором варианте для формирования элементов вектора помех использовались данные эксперимента по измерению крутящих моментов на валу ротора измельчителя ИРТ-Ф-80 при дроблении сена в рулонах и модель нестационарного временного ряда в виде комбинации авторегрессии первого порядка и скользящего среднего. Исследования показали, что автобалансир чувствителен к гармоническим возмущениям,"" частоты которых близки к частоте вращения

ротора. Это, например, можно увидеть на рис.10, где в логарифмическом масштабе показана граница устойчивости автобалансира ротора, установленного в корпусе, при кинематическом возмущении последнего. Во всех остальных случаях при тех возмущениях, которые по величине соответствуют реальным нагрузкам в машинах, включая нагрузки от технологического процесса измельчения кормов

Р, РЛЛ/С

!0"7' 101

Рис.10. Амплитуды и частоты кинематического возмущения корпуса роторной системы, образующие границу устойчивости автобалансира

автобалансир работает устойчиво.

Спроектирована и изготовлена опытная конструкция измельчителя кормов, на роторе которого установлен автобалансир маятникового типа. Основными узлами машины являлись молотковый ротор, электродвигатель, корпус с рабочей камерой, укрепленный на амортизаторах, ременная передача, бункер и пневмовыброс. Разработка и доводка конструкции измельчителя кормов сопровождались расчетами и исследованиями, которые включали в себя нахождение зон устойчивости автобалансировочных устройств при различных жесткостях амортизаторов корпуса, определение параметров маятников автобалансира, изучение переходных режимов движения и экспериментальную проверку эффективности автоматической балансировки. В основу расчетов была положена динамическая модель, изображенная на рис.11. По результатам расчета зон устойчивости (здесь использовался алгоритм, предложенный во второй главе) были подобраны жесткости амортизаторов, обеспечивающих работоспособность автобалансира при заданной угловой скорости ротора, что, в свою очередь, позволило разработать конструкцию амортизаторов. На рис.12 показано положение зон устойчивости автобалансира (заштрихованные участки) и резонансных зон измельчителя кормов. Масса и длина маятников соответствовали условиям (4). Учитывая результаты ранее проведенных исследований, выбраны взаимное расположение ротора и корпуса, а также передаточное число ременной передачи. Исследования движения системы при разгоне и на рабочей частоте вращения ротора, а также эксперименты показали, что применение автобалансира позволяет в 2,3-2,5 раза уменьшить реакции в опорах ротора и снизить динамическую нагруженность измельчителя

Рис.11. Динамическая модель измельчителя кормов с автобалансиром

Рис.12.. Зоны устойчивости автобалансира измельчителя кормов

кормов. Большей эффективности не удалось добиться из-за того, что расстояние между маятниками в каждой паре составляло 60 лил, тогда как рекомендуется по возможности уменьшить его до нуля. Наблюдения за положением маятников и измерение реакций в опорах ротора с автобалансиром при дроблении соломы в тюках и на холостом ходу показали также, что технологический процесс измельчения кормов мало влияет на устойчивость автобалансировочного режима движения. На рис.13 приведены фрагменты осциллограмм изменения нагрузок в первой опоре ротора без автобалансира при работе измельчителя на холостом ходу (а), с автобалансиром на холостом ходу (б) и с автобалансиром при дроблении соломы в тюках (в).

3ai àliîi <

¡fi

il/li

ïiiili

lift

A

4w

ГУ

V\

Рис.13. Осциллограммы колебаний нагрузки в опоре ротора измельчителя кормов без автобалансира на холостом ходу (а), с автобалансиром на холостом ходу (б), с автобалансиром при дроблении соломы в тюках (в)

Шестая глава посвящена практической реализации результатов исследований. В начале этой главы приведены методика расчета роторных систем СХМ методом конечных элементов, а также методика расчета и рекомендации по проектированию и настройке маятниковых автобалансиров для роторов сельскохозяйственных машин.

В следующих разделах большое внимашге уделено вопросам нормирования вибрации измельчителей кормов типа ИРТ-165-03, ИРТ-Ф-80-1, ИРМ-50. Так как опыт эксплуатации и результаты экспериментов показали, что у измельчителей кормов наиболее динамически нагруженными являются узлы ротора, в частности, его подшипники, то суть методики определения норм вибрации измельчителей кормов заключалась в установлении экспериментальным путем зависимости между нагрузками в подшипниках и уровнем вибрации их мест крепления. Исходя далее из предельно допустимых нагрузок в подшипниках, находилась допустимая, величина вибрации. В эксперименте нагрузки в' подшипниках ро-

торов 'определялись с использованием методов и средств тензометрии. В качестве характеристики интенсивности вибрационных процессов выбрано среднеквадратическое значение виброскорости, измеренной в вертикальном направлении на поперечинах крепления заднего подшипника ротора у измельчителей ИРТ-165-03, ИРТ-Ф-80-1 и переднего подшипника у измельчителей МРМ-50. Измерения проводились на холостом ходу. Основной эксперимент заключался в следующем. После запуска машины при вращении ротора с рабочей частотой одновременно измерялись нагрузки на подшипник и среднеквадратическое значение виброскорости. Затем машина останавливалась, на ротор подвешивался груз, создающий добавочную неуравновешенность, снова проводился запуск машины и измерялись нагрузка и виброскорость. Далее все повторялось при другом добавочном грузе. Всего на каждой из девяти машин одного типа проведено по пять измерений.

По результатам всех испытаний для измельчителей ИРГ-165-03, ИРТ-Ф-80-1, ИРМ-50 были получены экспериментальные данные, характеризующие зависимости между нагрузками в подшипниках ротора и среднеквадратическими значениями виброскорости. На рис.14 подобная экспериментальная зависимость приведена для измельчителя ИРТ-165--03.

Умм/с

АО

30

го

ю

о

X г>

Л X в

% • / о

X У] *

* о © ' + *

■ т XXX N МАИ. -6166

г А ФОФ-61&6 д&д-ет — ива-0214 ***-6215 -• • • -6216 аоо -6251 — ООО -6252 + + + -6233 -1-

*

л 0 А И

1Л % и -

"V ...

2.0

4,0

6.0

8.0

10.0 12.0 14,0 Р.кК

Рис.14. Экспериментальная зависимость между нагрузками и уровнем вибрации заднего подшипника ротора измельчителей грубых кормов ИРТ-165-03

Так как вычисленные коэффициенты корреляции показали, что только с вероятностью менее 5% можно говорить об отсутствии линейной связи между измеренными величинами, то по совокупностям экспериментальных данных для каждого типа машин методом наименьших квадратов были построены уравнения линейной регрессии. Ординаты точек пересечения уравнений линейной регрессии и прямых допустимых динамических нагрузок (на рис.14 уравнение прямой допустимых нагрузок имеет вид 1=3,14) являются средними значениями (и) допустимой виброскорости. Суммарная погрешность (Ли) включала в себя возможную ошибку в определении нагрузок, погрешность измерений виброскорости и погрешность регрессионного анализа. Нормирование проводилось по верхнему пределу, то есть принималось, что допустимое значение виброскорости va= и+Ду. Таким образом, были получены и рекомендованы следующие нормы вибрации: для ИРТ-165-03 уд=111,2 дБ, для ИРТ-Ф--80-1 ид=105,2 дБ, для ИРМ-50 уд=115,0 дБ. При определении норм вибрации - можно учесть нагрузки от технологического процесса измельчения кормов. Здесь расчеты приводят к следующим результатам: для ИРТ-165-03 1>д=110,3 дБ, для ИРТ-Ф-80-1 уд=103,2 дБ, для ИРМ-50 1)д=115,0 дБ.

Подобным образом определялись также нормы вибрации измельчителя ИРТ-25"Фермер". Для этого типа машин допустимый уровень средне-квадратического значения виброскорости, измеренной на полке крепления заднего подшипника' ротора в вертикальном направлении, составил уд=109,0 дБ.

Далее в диссертации описаны два разработанных и нашедших применение на практике прибора. Один из них - электронный сигнализатор уровня вибрации (ЭСУВ) измельчителей кормов предназначен для предупреждения опасного уровня вибрации при эксплуатации машин, а также для контроля качества в условиях производства. ЭСУВ разработан для мобильных машин с питанием от сети трактора и для стационарных с питанием от сети переменного тока. В состав прибора входят вибродатчик СВ-20-П, трансформатор (для стационарных машин), стабилизатор питания, электронный блок, корпус с сигнальной лампой или зуммером, кабель и кабельные разъемы. Вибродатчик СВ-20-П за счет индукционного принципа действия преобразует импульсы виброскорости в импульсы напряжения. Настройка прибора осуществляется, исходя из допустимых норм вибрации. Если вибрация измельчителя в месте установки датчика превышает допустимую норму, то вибродатчик подает на электронный блок напряжение, которое превышает опорное,

и сигнальная лампа начинает работать в мигающем режиме или срабатывает зуммер. При эксплуатации измельчителей кормов срабатывание сигнальных устройств прибора свидетельствует о необходимости устранения причин повышенной вибрации, к которым прежде" всего относятся нарушение соосности, ослабление креплений, недопустимый износ 'подшипников, разбалансировка. В условиях производства применение ЭСУВ на обкаточных стендах дает возможность вовремя.устранить брак. Наиболее часто с помощью этого прибора удавалось устранить нарушение центровки валовой линии, обнаружить неисправности в подшипниковых узлах, выявить брак балансировки. Например, в 1989 году суша предотвращенного экономического ущерба составила 457.876 рублей в ценах этого года.

Как показали результаты исследований и опыт эксплуатации, при дроблении кормов в рулонах и тюках, особенно повышенной влажности, на измельчителе ИРТ-Ф-80 часто возникают перегрузки двигателя трактора МТЗ-80, агрегатируемого с этим измельчителем, приводящие к износу двигателя, увеличению расхода#горючего и потерям производительности. В связи с этим разработан и внедрен электронный ограничитель загрузки, который служит'для автоматического регулирования режима работы вращающегося бункера в зависимости от нагрузок на ротор. При уменьшении угловой скорости ротора до заданной величины, вследствие перегрузок, бункер останавливается и перестает подавать корма в рабочую зону ротора. После того как корма, оставшиеся в рабочей зоне ротора, будут измельчены, угловая скорость ротора снова увеличится до номинальной, бункер начнет вращаться и подавать корма. Электронный ограничитель загрузки состоит из первичного преобразователя Д-1ММ (тахогенератор), блока управления и включен в цепь электромагнитной катушки гидрораспределителя привода бункера. Расчеты показывают, что за счет увеличения долговечности двигателя трактора и уменьшения расхода горючего применение электронного регулятора загрузки, которым в настоящее время оснащены измельчители ИРТ-Ф-80, дает экономический э©ект 96,3 рубля на одну машину в ценах до 1991 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан метод расчёта автобалансировочных устройств роторных систем СХМ, динамические модели которых рассматриваются как совокупность твердых тел, конечных элементов с распределёнными пара-.

метрами и упруго-демпферных связей. Метод позволяет построить стационарные периодические решения нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих движение роторных систем с автобалансирами, определить зоны устойчивости и получить формулы для выбора парамет-,, ров автобалансировочных устройств маятникового типа. В его основу положен метод малого параметра. В отличие от ранее применявшихся способов, с помощью которых можно было рассчитывать автобалансиры для роторных систем с числом степеней свободы не более четырёх, разработанный метод позволяет проводить расчет автобалансировочных устройств для роторных систем с большим числом степеней свободы, в том числе для их конечяоэлементных моделей, даёт возможность алгоритмизации вычислений и использования ЭВМ.

2. Предложен метод численного решения нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, описывающих переходные режимы движения роторных систем с автобалансиром и аналитически неразрешимых относительно старших производных. Данный метод позволил организовать вычислительные эксперименты для исследования" динамики роторных систем с автобалансиром при разгоне и в последующем установившемся движении, изучить процесс формирования автобалансировочного решила движения, оценить помехоустойчивость автобалансировочных устройств.

3. Предложен метод моделирования и расчёта линейных колебательных систем роторов СХМ, являющийся развитием метода конечных элементов и ориентированный на применение персональных компьютеров и малых ЭВМ. Суть его заключается в расширении библиотеки МКЭ путём введения новых элементов, характерных для роторных систем СХМ, усовершенствовании известных и разработке новых методов и алгоритмов решения основных задач динамики сельскохозяйственных машин с рабочи-ш органами роторного типа.

4. Библиотека метода конечных элементов дополнена новыми элементами: элемент вала с распределенными параметрами, жестко закреплённый в корпусе, который рассматривается как абсолютно твердое тело; жесткий корпус, соединённый в нескольких узлах с валом, который разбит на конечные элементы; осесимметричные твердые тела, жестко закреплённые или опертые в нескольких узлах конечноэлементной модели вала; конечный элемент вала с учётом деформации сдвига, совместимый со стандартными элементами; невесомая упругая опора, соединяющая жесткий корпус и узлы конечноэлементной модели ротора. Для этих элементов составлены уравнения динамического равновесия и получены матрицы инерции, жесткости и гироскопических коэффициентов.

5. Разработаны способ определения критических скоростей конечно-элементных моделей роторных систем и новый алгоритм решения квадратичной задачи на собственные значения. В связи с особенностью матриц некоторых конечноэлементных моделей роторных систем СХМ, которые являются ленточными с двухсторонним окаймлением, модернизирован алгоритм Гаусса для систем алгебраических уравнений, к решению которых сводится задача определения реакции системы на периодические воздействия. Для вычисления реакции роторных систем СХМ на технологическую нагрузку, которая в общем случае представляет собой нестационарный случайный процесс, предложено использовать метод Ньюмарка с предварительной обработкой временного вектора внешних воздействий с помощью сплайн-аппроксимации или линейной интерполяции.

6. Проведены экспериментальные исследования колебаний и динамической нагруженности измельчителей кормов типа ИРТ-Ф-80-1, ИРТ-165-02, ИРМ-50, ИРТ-25"Фермер". Исследования включали в себя изучение влияния технологического процесса на динамическую нагруженность этих машин, оценку величин и форм ударных импульсов, передаваемых на ротор при взаимодействии отдельного молотка с кормами, анализ собственных и вынужденных колебаний измельчителей кормов, измерение вибрации и шума, подготовку исходных данных для теоретических исследований. Результаты исследований позволили установить причины повышенной вибрации и динамической нагруженности измельчителей кормов типа ИРТ-Ф-80-1, ИРТ-165-02, ИРМ-50, устранить недостатки и внести усовершенствования в конструкции этих машин, обоснованно выбрать динамические модели измельчителей кормов и проверить адекватность этих моделей. Установлено также, что случайная составляющая кривых изменения крутящих моментов на валах роторов, характеризующая влияние технологического процесса измельчения кормов, при дискретизации временной оси представляет собой нестационарный временной ряд, который описывается с помощью модели "авторегрессия-скользящее среднее".

7. Применяя конечноэлементные модели и модели с небольшим числом степеней свободы, проведён расчёт колебательных систем роторов измельчителей кормов ИРТ-165-02, ИРТ-80, ИРМ-50. Расчёт включал в себя нахождение критических скоростей и собственных частот колебаний, построение форм колебаний, решение квадратичной задачи на собственные значения, определение реакции системы на дисбаланс и технологическую нагрузку, оценку влияния отдельных параметров на да-

иамику роторных систем измельчителей кормов. Результаты теоретических исследований, удовлетворительно согласующиеся с данными экспериментов, подтвердили эффективность предложенных методов расчёта и позволили разработать рекомендации, имеющие ваяясе значение при усовершенствовании и проектировагаш новых конструкций измельчителей кормов.

8-. На основе разработанных методов исследованы стационарные и переходные режимы движения различных моделей роторных систем СХМ с маятниковыми автобалансирующиш устройствами, в том числе для опытной конструкции измельчителя кормов. Проведены экспериментальные исследования процесса автоматической балансировки ротора на упругих опорах и ротора, жестко укреплённого в корпусе, устанозлешюго на амортизаторах, которые подтвердили эффект автоматической балансировки и доказали возможность оЗ осуществления в реальных конструкциях машин. Разработана методика и проведён вычислительный эксперимент по оценке помехоустойчивости автобалансировочных устройств на гармонические возмущения, случайные воздействия, имитирующе технологическую нагрузку при-измельченш! кормов, постоянную силу и одиночный иг,тулье.

В результате теоретических и экспериментальных исследований роторных систем сельскохозяйственных машин с автобалансирами обнаружен ряд новых свойств и особенностей изучаемых процессов, существенно дополнившее теорию звтобалансировочтшх устройств.

9. Открыт новый эффект в механике, заключающийся в том, что при определённом соотношении между моментами сопротивления в опорах маятников, установленных па горизонтальном роторе с возможностью свободного вращения, и их статическими момента?.:7! к;,-зет место такой режим движения, когда ротор вращается с заданной угловой скоростью, а частота вращения маятников равна одной из критических скоростей ротора. Этот эффект, обнаруженный при проведет® экспериментальных исследований автобалансировочних устройств маятникового типа, подтверждён результатами компьютерного моделирования.

10. В плане практической реализации основных результатов выполненных исследований сделано следующее:

а) разработана методика расчёта линейных колебательных систем СХМ с рабочими органами роторного типа, используемая на П0"Бурятферм-маш" для совершенствования существующих ( ИРМ-50 ) и проектирования новых конструкций измельчителей кормов;

б) разработаны методика расчета, пакет программ и рекомендации по

проектированию и настройке автобалансировочных устройств маятникового типа для роторов СХМ;

в) спроектирована и изготовлена опытная конструкция измельчителя кормов с маятниковым автобалансиром;

•г) разработана методика и определены нормы вибрации измельчителей кормов типа ИРТ-Ф-80, ИРТ-165, ИРМ-50;

д) разработан и внедрён электронный сигнализатор уровня вибрации (ЭСУВ) измельчителей кормов;

е) разработан и внедрён электронный регулятор загрузки бункера измельчителя ИРТ-Ф-80.

Экономический эффект от нормирования вибрации и внедрения ЭСУВ на П0"Бурятферммаш" в 1989 году составил 457.876 рублей в ценах до 1991 года. Экономический эффект от внедрения регулятора загрузки на ПО"Бурятферммаш" в 1991 году составил 77.043,2 рубля в ценах до 1991 года. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при проектировании находящегося в настоящее время в серийном производстве измельчителя ИРТ-25 "Фермер". При этом долевой экономический эффект составил 510.789,88 рубля в ценах до 1991 года.

ОСНОВНЫЕ ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ, ОТРАЖАЮЩИЕ СОДЕРЖАНИЕ" ДИССЕРТАЦИИ

1. Артюнин А.И., Алхунсаев Г.Г., Ергонов В.П., Галета А.Н. Исследование уровней вибрации и шума измельчителя ИРТ-165 //Динамика узлов и агрегатов сельскохозяйственных машин: Межвуз.сб.науч-тр./ РИСХМ.- Ростов Н/Д, 1985.- С.79-84.

2. Артюнин А.И., Алхунсаев Г.Г., Ергонов В.П., Галета А.Н. Экспериментальные исследования колебаний дробилки-измельчителя ИРТ-165 // Динамика узлов и агрегатов сельскохозяйственных машин:. Межвуз.сб.науч.тр./ РИСХМ.- Ростов н/Д, 1985.- С.124-128.

3. Коритысскйй Я.И., Артюнин А.И., Трифонов В.Е., Шнайдер Г.З., Шнайдер А.Г. Динамика крутильных механизмов с индивидуальным электроприводом.- Иркутск: Изд-во Иркут.ун-та, 1987.- 206с.

4. Артюнин А.И., Алхунсаев Г.Г., Яковлев Ю.Р., Штурмин В.Я. и др. Электронный ограничитель загрузки измельчителей грубых кормов/ Информ.листок о научно-технических достижениях.- Улан-Удэ: Бурятский ВДШ, 1937, & 40-87, С.1-3.

5. Артюнин А.И., Алхунсаев Г.Г., Ергонов В.П., Дарханов М.П. и др. Теоретические и эксшршлентальные исследования вибрации измельчителей грубых кормов типа ИРТ-165 / Тез. докл. II конф. молодых ученых БФ СО АН СССР,- Улан-Удэ: Изд-во БФ СО АН СССР, 1987.-С.145-146.

6. Артюнин А.И., Дарханов М.П., Каурова Г.Э. Аналитическое-исследование влияния конструктивных параметров измельчителей грубых кормов на их динамику // Актуальные проблемы машиноведения: Тез. докл. XI конф. молодых ученых ин-та Машиноведения.- М., 1987. - С.5-6.

7. Артюнин А.И., Трифонов В.Е. Обоснование динамической модели для расчета поперечных колебаний роторов измельчителей грубых кормов// Механизация и автоматизация сельскохозяйственного производства: Меквуз.сб.науч.тр./ РПСЖ- Ростов н/Д, 1988.- С.81-85.

8. Артюнин А.И. Исследование колебаний измельчителя грубых кормов ИРТ-165// Механизация и автоматизация "сельскохозяйственного производства: Межвуз.сб.науч.тр./РИСХМ.- Ростов н/Д, 1988.-G.86-90.

9. Артюнин А.И., Трифонов В.Е. Исследование критических скоростей и собственных частот изгибных колебаний роторов измельчителей грубых кормов // Тез. докл. конф. "Современные проблемы механики и управления в машиностроении" / ШЭД СО АН СССР, Иркут. политехи. ин-т.- Иркутск, 1988.- С.35.

10. Артюнин А.И. Допустимые кормы вибрации измельчителей грубых кормов ИРТ-165// Тракторы и сельскохозяйственные машины.-1989. -т.- С.58-59.

11. Артюнин А.И., Трифонов В.Е. Расчет колебаний опытной конструкции измельчителя ИРТ-80 как механической системы с конечным числом степеней свободы / Вост.-Сиб. технол. ин-т.- Улан-Удэ, 1989.-22с.- Деп. в ЦНШТЭИтракторосельхозмаш, 24.02.89, №1127.

12. Артюнин А.И., Трифонов В.Е., Шульгин С.В., Ергонов В.П. Сравнительный анализ колебаний роторов измельчителя ИРМ-50/ Вост.-Сиб. технол. ин-т.- Улан-Удэ, 1989.- 9с.- Деп. в ЦНИИТЭИтракторо-сельхозмаш, 24.02.89, Ш28.

13. Артюнин А.И., Алхунсаев Г.Г., Ергонов'В.П., Трифонов В.Е. и др. Определение норм вибрации измельчителей растительных материалов ИРМ-50 /Вост.-Сиб. технол. ин-т.- Улан-Удэ, 1989.~7с.- Деп. в ЦНШТЭИтракторосельхозмаш, 24.02.89, №1129.

14. Артюнин A.M., Ергонов В.П., Шойдонов Г.Н. Определение моментов инерции измельчителей грубых кормов ИРТ-165, ИРМ-50, ИРТ-80 / Вост.-Сйб. технол. ин-т.- Улан-Удэ, 1989.- 6с.-. Дел. в ЦНЙМТЭИ-тракторосельхозмаш, 24.02.89, >é1130.

15. Артюнин A.M., Алхунсаев Г.Г., Штурмин В.Я. и др. Элекрон-ный сигнализатор уровня вибрации /Информ. листок о научно-технических достижениях.- Улан-Удэ, Бурятский ЩТШ, 1989, ¡189-5, С.1-3."

16. Артюнин А.И., Трифонов В.Е. Исследование колебаний измельчителя грубых кормов ИРТ-165 / Тез. докл.- II Всесоюз. конф. "Проблемы виброизоляции машин и приборов".- Иркутск, 1989.- С.8-9.

' 17. Артюнин A.M., Трифонов В.Е., Куликов Е.Г., Бабкин Д.И. Определение норм вибрации измельчителей грубых кормов // Актуальные проблемы машиноведения: Тез. докл. XII конф. молодых ученых ин-та Машиноведения.- М., 1989.- C.1f.

18. Артюнин A.M., Алхунсаев Г.Г., Ергонов В.П., Яковлев Н.М. Определение допустимых норм вибрации измельчителей грубых кормов ИРТ-Ф-80 / Вост.-Сиб. технол. ин-т-.- Улан-Удэ, 1990.- 6с.- Деп. в ЦНШТЭИтракторосельхозмаш, 06.03.90, №1226.

19. Артюнин A.M., Алхунсаев Г.Г., Ергонов В.П., Шульгин C.B. Исследование вибрации измельчителя зеленой массы ИРМ-50 // Машины для ферм.- Киев: Укрсельхозмаш, 1991.- Вып.2.- С.14-17.

20. Артюнин A.M. Определение допустимых норм вибрации измельчителей грубых кормов // . Динамика узлов и агрегатов сельскохозяйственных машин: Межвуз. сб.науч.тр. / РИСХМ.- Ростов н/Д, 1991.-С. 95-101.

21. Артюнин A.M. Применение маятниковых подвесов для автоматической балансировки роторов // Динамика узлов и агрегатов сельскохозяйственных машин: Межвуз. сб. науч. тр./ РИСХМ.- Ростов н/Д, 1991.- С.167-174. "

22. Артюнин A.M. Экспериментальные исследования процесса автоматической балансировки ротора на упругих опорах и новый эффект нелинейной механики / Вост.-Сиб. технол. ин-т.- Улан-Удэ, 1992.-8с.- Деп. в ЦНШТЭИтракторосельхозмаш, 23.03.92, №1460.

23. Артюнин A.M. Исследование влияния моментов сопротивления в опорах маятников автобалансира на динамику ротора / Вост.- Сиб. технол. ин-т,- Улан-Удэ, 1992.- 5с.- Деп. В ЦНШТЭИтракторосельхозмаш, 23.03.92, 11461. . .

24. Артюнин A.M. Помехоустойчивость автобалансира ротора с двумя степенями свобода /Вост.-Сиб. технол. ин-т.- Улан-Удэ, 1992. - бс.- Деп. в ЦНШТЭИтракторосельхозмаш, 23.03.92, 3M46Z.

25. Артюнин А.И., Ергонов В.П., Морозов O.A. Экспериментальные исследования автобалансира ротора, жестко установленного в корпусе на амортизаторах /Вост.-Сиб. технол. ин-т.- Улан-Удэ, 1992. -бс.-Деп. в ЦНШТЭИтракторосельхозмаш, 23.03.92, Ji1463.

26. Артюнин А.И. Автоматическая балансировка роторов при помощи маятниковых подвесов /Вост.-Сиб.технол.ин-т.- Улан-Удэ, 1992. -8с.- Деп.в ЦНШТЭИтракторосельхозмаш, 23.03.92, Й1464.

27. Жаров В.П., Артюшш A.M. Новый эффект в нелинейной механике // Механика деформируемых тел: Мезхвуз. сб.науч.тр. / РИСХМ.-Ростов н/д, 1992.- 0.3-11.

28. Артюнин А.И. Расчет автобалансировочных устройств роторов сельскохозяйственных машин // Механика деформируемых тел: Менвуз. сб.науч.тр./ РИСХМ.- Ростов н/Д, 1992.- С.11-16.

29. Артюнин A.M. Исследование движения ротора с автобалансиром // Известия вузов. Машиностроение.- 1993.- т.- С.15-19.

30. Положительное решение по заявке на изобретение .№4917054/ 28 от 30.03.92. Автобалансир ротора / Соавторы Жаров В.П., Яковлев Н.М.