автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Анализ динамики и совершенствование конструкции приемно-намоточного механизма текстурирующей вытяжной машины

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ПАТЕНТНЫХ И ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Основные конструктивные схемы приемно-намоточных механизмов (ПНМ) для химических нитей.

1.2. Анализ литературных источников по исследованиям динамики быстровращаюпдахся роторных узлов.

1.3. Постановка задачи исследовани.

ГЛАВА 2. ДИНАМИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПНМ

МАШИН ТИПА ТВ.

2.1 . Конструктивные особенности ПНМ машин типа ТВ

2.2. Динамическая и математическая модели ПНМ (первый случай)

2.3 Динамическая и математическая модели ПНМ (второй случай).

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПЕРИОДИЧЕСКИХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ

РЕЖИМОВ ПНМ ПО МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ПЕРВЫЙ СЛУЧАЙ).

3.1. Периодические режимы колебаний при е=0.

3.2. Периодические колебательные режимы приЯ=Я\ =5=0, е Ф 0.

3.3. Периодические колебательные режимы при yj=0.

3.4. Построение амплитудно-частотной характеристики ПНМ с помощью ЭВМ.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПНМ ПО

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ (ВТОРОЙ СЛУЧАЙ).

4.1. Частотный и модальный анализ ПНМ; самоцентрирование.

4.2. Приведение математической модели к виду, удобному для численного интегрирования.

4.3. Разработка алгоритмического и программного обеспечения.

4.4. Анализ динамики ПНМ по результатам численного моделирования на ЭВМ.

Актуальность темы. Современные условия рынка, удовлетворение спроса населения в качественной и модной одежде, предъявляют повышенные требования к текстильной промышленности, являющейся одной из материалоемких отраслей. К сожалению, стоимость натурального сырья (шерсть, хлопок, лен и т.д.) достаточно велика, поэтому внедряются ассортименты изделий, состоящих из натуральных и химических волокон. Высокие потребительские свойства химических волокон и экономическая эффективность их производства обеспечивает постоянное увеличение спроса на них в текстильной промышленности. При этом достаточно остро ставится вопрос о повышении потребительских свойств химических волокон.

Все большее распространение получают текстурированные волокна и нити, потребительские свойства которых достаточно близко приближаются к свойствам натуральных волокон. Для их производства многие страны мира (Россия, Германия, Великобритания, Япония, Франция и т.д.) выпускают машины для текстурирования капроновых, полиамидных, полиэффиных и т.д. нитей. При этом разрабатываются новые технологии, совершенствуется существующее и создается новое оборудование. Одной из важных частей машин для производства текстур ированных нитей являются приемно-намоточные механизмы, от работы которых существенно зависит качество получаемой готовой продукции - паковок и самой текстурированной нити.

Исходя из сказанного, следует, что работы по разработке новых и совершенствованию существующих приемно-намоточных механизмов для машин производства текстурированных нитей являются важными и актуальными.

Цели и задача исследований. Цель диссертационной работы состоит в аналитическом и численном моделировании динамики работы приемно-намоточных механизмов текстурирующих вытяжных машин типа ТВ 5 разработка специального конструкторско-технологического бюро машин химических волокон (СКТБ МХВ) ОАО «Машиностроительное объединение им. К. Маркса), снижении их виброактивности, а, следовательно, и повышении качества готового продукта - паковок и нити.

Исходя из поставленной цели, сформулированы следующие задачи исследований:

1) разработать динамические и соответствующие им математические модели ПНМ текстурирующих вытяжных машин типа ТВ, учитывающих возможную податливость нижних опор демпфера типа «сухое трение» и опор, с помощью которых патрон с паковкой крепится на бобинодержателе;

2) анализ периодических колебательных режимов перемещений паковки на подвесе относительно фрикционного цилиндра и элементов демпфера типа «сухое трение» с учетом податливости его нижней опоры (опоры бобинодержателя при этом считаем абсолютно твердыми телами); разработка алгоритмического и программного обеспечения для построения амплитудно-частотных характеристик рассматриваемой системы;

3) проанализировать периодические колебательные режимы элементов ПНМ с учетом податливости нижней опоры демпфера типа «сухое трение» и опор бобинодержателя; разработать алгоритмическое и программное обеспечение, выполнить частотный и модальный анализ рассматриваемой системы, проанализировать наличие эффекта самоцентрирования в системе;

4) разработать алгоритмическое и программное обеспечение для моделирования динамики ПНМ с податливыми: нижним креплением демпфера типа «сухое трение» и опорами бобинодержателя; 6

5) проанализировать результаты моделирования колебаний элементов ПНМ на ЭВМ, выдать инженерные рекомендации по совершенствованию конструкции механизма.

Методы исследования. При выполнении работы применялись методы: математического анализа, вычислительной математики, нелинейной механики, теоретической механики, математического моделирования и теории оптимизации с широким использованием современных ЭВМ.

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

1. Разработана методика исследования ПНМ текстурирующих вытяжных машин типа ТВ, существенной частью которых является демпфер «сухого трения».

2. Разработаны динамические и математические модели ПНМ, позволяющие учесть влияние податливости опор демпфера типа «сухое трение» и опор бобинодержателя на динамику рассматриваемого механизма.

3. Выполнено аналитическое исследование периодических колебаний паковки на подвесе (опоры бобинодержателя податливы) относительно фрикционного цилиндра с учетом податливости нижней опоры демпфера типа «сухое трение». Выявлен автоколебательный режим элементов демпфера, при котором демпфер практически не работает, и показано, каким образом данный режим можно исключить.

4. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для построения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) ПНМ (случай абсолютно жестких опор бобинодержателя) текстур ирующих вытяжных машин типа ТВ. Показано, что резонансные частоты входят в рабочий диапазон частот вращения паковки. Даны инженерные рекомендации, позволяющие вывести резонансные частоты из диапазона частот вращения паковки. 7

5. Выполнен частотный и модальный анализ рассматриваемой системы в общем случае с учетом податливости опор бобинодержателя по разработанному алгоритмическому и программному обеспечению. Выявлен эффект самоцентрирования паковки на подвесе при ю— которым, к сожалению, из-за конструктивных особенностей ПНМ нельзя воспользоваться.

6. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для численного моделирования на ЭВМ динамики рассматриваемого ПНМ (общий случай) и выполнен анализ виброактивности намоточного механизма.

Практическая ценность. Разработанные динамические и математические модели, алгоритмическое и программное обеспечение могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих приемно-намоточных механизмов текстурирующих вытяжных машин, войдут составной частью в САПР машин химических волокон СКТБ МХВ ОАО «Машиностроительное объединение им. К. Маркса», позволят повысить качество паковок и самой текстурированной нити за счет снижения обрывности и стабилизации сил контактного взаимодействия паковки и фрикционного цилиндра на требуемом уровне путем уменьшения амплитуд колебаний паковки на подвесе в процессе намотки.

Теоретические результаты работы, разработанное алгоритмическое и программное обеспечение внедрены в учебный процесс кафедры проектирования машин текстильной и легкой промышленности в виде разделов лекционных курсов «Проектирование машин химических волокон», «Динамика машин отрасли», в курсовое проектирование указанных курсов, в дипломное проектирование студентов специальности 170700 - машины и аппараты текстильной и легкой промышленности. 9

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований можно сформулировать следующие полученные результаты.

1. Разработана методика исследования ПНМ текстурирующих вытяжных машин типа ТВ, существенной частью которых является демпфер типа «сухое трение».

2. Разработаны динамическая и математическая модели ПНМ текстурирующих вытяжных машин типа ТВ для двух случаев: а) все элементы ПНМ представляют собой абсолютно твердые тела за исключением поверхности паковки (упругодиссипативное тело) и нижних креплений демпфера типа «сухое трение» (крепления податливы); б) все элементы ПНМ представляют собой абсолютно твердые тела, за исключением тела паковки, нижних креплений демпфера типа «сухое трение» и опор бобинодержателя, на которых крепится и центрируется патрон с паковкой (упругодиссипативные элементы).

3. Выполнено аналитическое исследование периодических колебаний паковки на подвесе относительно фрикционного цилиндра и элементов типа «сухое трение» по математической модели, соответствующей случаю а); показано, что:

• периодические колебания рассматриваемой системы возможны только на частоте автоколебаний элементов демпфера типа «сухое трение», что ведет к неэффективной работе демпфера; для устранения этого дефекта необходимо, чтобы парциальные частоты элементов демпфера типа «сухое трение» (с учетом податливости его нижнего крепления) были хотя бы в 2-f3 раза выше максимальной из рабочего диапазона частот вращения паковки;

• резонансный режим колебаний паковки на подвесе относительно фрикционного цилиндра входит в рабочий диапазон частот вращения

144 паковки; бороться с увеличением амплитуд колебаний паковки на подвесе в резонансе с помощью усиления демпфера типа «сухое трение» оказывается невозможным, т.к. происходит зависание паковки на подвесе относительно фрикционного цилиндра;

• для устранения резонансного режима в рабочем диапазоне частот вращения паковки необходимо увеличить расстояние от оси вращения подвеса до оси вращения паковки от 0,16м до)(0,20-0,22)м с одновременным увеличением поперечных размеров щек П-образного подвеса в »(1,5^-2) раза.

4. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение на языке Си для построения амплитудно-частотных характеристик колебаний паковки на подвесе относительно фрикционного цилиндра для математической модели, соответствующей случаю а).

5. Выполнен частотный и модальный анализ ПНМ текстурирующих вытяжных машин типа ТВ с использованием системы автоматизации математических расчетов MATLAB (версия 5.3.1) для математической модели, соответствующей случаю б); частота, соответствующая колебаниям паковки на подвесе относительно фрикционного цилиндра, лежит ниже частот колебаний паковки на упругих опорах относительно подвеса; с уменьшением жесткости упругих опор, на которых патрон с паковкой крепится на подвесе, частоты колебаний паковки относительно подвеса снижаются.

6. Показано, что с увеличением частоты вращения паковки о, т.е. при ю->со в рассматриваемой системе (случай б)) имеет место эффект самоцентрирования паковки на подвесе, однако этим практически невозможно воспользоваться (деформации упругих опор патрона с паковкой ограничены из конструктивных соображений).

7. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение с использованием системы автоматизации математических расчетов

145

MATLAB (версия 5.3.1) для численного моделирования на ЭВМ динамики ПНМ гекстурирующих вытяжных машин типа ТВ по математической модели, соответствующей случаю б).

8. Получены с использованием ЭВМ зависимости амплитуд, скоростей, ускорений элементов ПНМ, сил контактного взаимодействия Qi5i = 1,2 от радиуса паковки R, при линейной скорости наматывания нити Vn=500 м/мин; показано, что в начале намотки Rn =0,038м и в зоне резонанса Rn =(0,052-Ю,057)м отрывы паковки от фрикционного цилиндра имеют место чаще, чем в конце намотки при Rn=0,14M; кроме того, в зоне резонанса за исключением увеличения амплитуд колебаний паковки на подвесе имеет место режим биений при 1П« 0,05м, т.к. радиус фрикционного цилиндра R$=0,05м.

146

1. Николаи Е.Л. Теория гироскопов. М. Гостехюдат. 1948.171с.

2. Loewy R.G., Pieralli V.J. Dinamics of rotating shaft, SVM-4. US Department of Defens. Wachington. 1969.

3. Кельзон A.C. Самоцентрирование и уравновешивание жесткого ротора, вращающегося в двух упругих опорах. ДАН СССР. 1956. т. 110 №1. с.31-33.

4. Кельзон А.С. Динамика жесткого ротора, вращающегося в двух упругих опорах. Ученые записки ЛВИМУ им.адм. С.О. Макарова, 1958, №10, с.41-60.

5. Кельзон А.С., Журавлев Ю.Н., Янтарев Н.В. Расчет и конструирование роторных машин. Л.: Машиностроение. 1977. - 288с.

6. Кельзон А С., Циманский Ю.П., Яковлев В.И. Динамика роторов в упругих опорах. М.: Наука. Главная редакция физико-математической лит-ры. 1982. - 280с.

7. Вибрации в технике: Справочник в 6-ти т./ Ред. Челомей В.И. (пред.), М.: Машиностроение, 1980-Т.З Колебания машин, конструкций и их элементов/ Под ред. Ф.М. Диментберга и К.С. Колесников. 1980. - 544с.

8. Коритынский Я.И. Исследование динамики и конструкции высокопроизводительных веретен текстильных машин. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1963. - 386с.

9. Коритынский Я.И. Динамика упругих систем текстильных машин, М.: Легкая и пищевая промышленность. 1982. - 272с.

10. Диментберг Ф.М. Изгибные колебания вращающихся валов. М.: АНСССР. 1959. - 247с.

11. Кушуль М.Я. Автоколебания роторов. М.: АНСССР. 1963. - 168с.147

12. Попов Э.А. Погрешность геометрии подшипников и динамика веретен. -Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. 1978. №4, с. 124127.

13. Попов Э.А. Аналитическое определение амплитуд колебаний веретен типа 7ВА-1 машин ацетатного шелка. Информ.ЦИНТИлегпром. сер.5.»Шелковая промышленность». 1965. №9(27). с.6-12.

14. Коритысский ЯМ, Фрид И.А. Исследования динамики веретен прядильно-крутильных машин в нестационарном режиме. Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. 1975. №3. с. 116-120; 1975. №4. с. 115-117.

15. Коритысский Я.И., Артюнин А.И. Исследования нестационарных колебаний электроверетена ЭВН-4. Изв. Вузов. Машиностроение. 1978. №11. с. 19-24.

16. Жаров Е.П. Вынужденные колебания центрифуг типа ЭВ-3 в резонансных зонах. Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. 1971. №1. с. 123-126.

17. Прошков А.Ф. Исследование и проектирование мотальных механизмов. -М.: Легкая и пищевая промышленность. 1963. 287с.

18. Прошков А.Ф. Расчет и проектирование машин для производства химических волокон. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1982. -408с.

19. Трощановский А.А. Максимальная скорость наматывания нитей на фрикционных механизмах. «Оборудование для прядильного производства и производства химических волокон». ЦНИИТЭИ лешищемаш. 1980. Вып.З. с.14-17.

20. Ильчук В.П. Оценка качества работы приемки намоточного механизма по геометрическим параметрам петли гистерезисных потерь на трение в пневмоподвесе бобинодержателя. Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. 1983. №5. с. 83-86.

21. Регельман Е.З., Голубев Г.А. и др. Машины для формования химических и минеральных волокон. Л.: Машиностроение. 1972. - 318с.

22. Козлов В.Н., Мазин JI.C. О динамике фрикционного намоточного механизма с четырехзвенным подвесом бобинодержателя. Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. 1983. №3. с.98-104.

23. Регельман Е.З., Рокотов Н.В. Приемные механизмы машин для производства химических волокон/Под ред. Регельмана Е.З. -JL: Изд-во Ленинградского университета. 1988. 248с.

24. Байкова Е.Е. Синтез Механизма прецизионного наматывания. Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. №6. 1988. с. 102-106.

25. Мисенко В.Ф., Козлов В.Н., Мазин Л.С. Математическая модель и частотный анализ бобинодержателя с неподвижной гибкой осью. Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. 1983. №4. с.89-93.

26. Техническая диагностика машин текстильной и легкой промышленности./Климов В.А., Лавров К.А., Мазин Л.С. и др. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1982. - 248с.

27. Высокоскоростные приемно-намоточные механизмы для химических нитей./ Матюшев И.И., Климов В.А., Мазин Л.С. и др. М.: Ленпромбытиздат. 1991. - 256с.

28. Мазин Л.С., Луганцева Т.А. О динамике маятниковых устройств контактного наматывания нитей. Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. 1980. №2. с.98-102.

29. Мазин JI.C., Матюшев И.И., Беспалова И.М. Математическая модель приемно-намоточного механизма для некрученой вискозной нити. Вестник Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна. 2000. №4. с. 144-149.

30. Поляков В.К., Гальчук Т.А. Анализ процесса взаимодействия конической паковки с фрикционным цилиндром. Вестник СПГУТД. 2000. №4. с. 150155. ' ■ .

31. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики, т.2. Динамика. Гос. изд-во техникотеоретической литературы. М.: 1955. -595с.

32. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). Изд-во «Наука». Главная ред. физ.-мат. лит-ры. М.: 1977. -831с.

33. Лурье А.И. Аналитическая механика. Гос. изд-во физ.-мат. лит-ры. -М.: 1961.-823с.

34. Вульфсон ИИ., Коловский М.З. Нелинейные задачи динамики машин. Изд-во «Машиностроение». Л.: 1968. - 282с.

35. Коловский М.З. Нелинейная теория виброзащитных систем. Изд-во «Наука». -М. 1966. 327с.150

36. Коловский М.З., Первозванский А.А. О минеаризации по функции распределения в задачах теории нелинейных колебаний. Изв. АНСССР. ОТН. Механика и машиностроение. 1962. №5. с.72-79.

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

38. Хемминг Р.В. Численные методы для научных работников и инженеров. Изд-во «Наука». Главная ред. физ.-мат. лиг-ры. -М.: 1968. 400с.