автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Динамика инерционной импульсной механической бесступенчатой передачи с упругим звеном

На правах рукописи

Черепанов Сергей Витальевич

ДИНАМИКА ИНЕРЦИОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ БЕССТУПЕНЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ С УПРУГИМ ЗВЕНОМ

Ч

Специальность 05.02.02 - "Машиноведение, системы

приводов и детали машин"

I

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курган - 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Курганский государственный университет"

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Благонравов Александр Александрович

Официальные оппоненты - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Беляев Арнольд Ефраимович

Ведущая организация - ОАО "Курганский машиностроительный завод"

Защита состоится 10 февраля 2006 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.103.01 при Курганском государственном университете по адресу: 640669, г.Курган, ул.Гоголя, 25, КГУ.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Курганского государственного университета

Автореферат разослан " " декабря 2005 г.

кандидат технических наук, Воронцов'Андрей Александрович

Ученый секретарь диссертационного совета

Г.ГТ. Дрововозов

МИ 1166£84

30<Ш з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Инерционные импульсные бесступенчатые передачи обладают рядом ценных свойств: могут быть достаточно просты по конструкции; не нуждаются в управлении, так как передаточное отношение автоматически изменяется при изменении нагрузки на выходном валу; не нагружают двигатель на стоповом или стартовом режимах, так как при передаточном отношении равном нулю (выходной вал остановлен) среднее, а в ряде схем и любое мгновенное значение момента на входном валу, близко к нулю Последнее позволяет в приводах различного технологического оборудования в качестве двигателей применять самые простые асинхронные электромоторы. При нештатном увеличении сопротивления на выходном валу передачи вплоть до его остановки двигатель разгружается и не выйдет из строя без всякой электрической защиты. Пуск агрегата также происходит при отсутствии момента сопротивления на валу электродвигателя. Применение асинхронных электродвигателей с элементарным управлением ("включено-выключено") может обеспечить существенные технико-экономические преимущества. Однако до сих пор не разработан механо-математический аппарат, позволяющий полностью определять динамику передачи не только на стационарных, но и на переходных режимах. Решению этого актуального вопроса посвящена представленная диссертация.

Целью работы является разработка механо-математического аппарата, наиболее полно учитывающего динамику инерционной импульсной передачи с упругим звеном.

В задачи исследования входят:

1. Разработка математической модели движения инерционной передачи с непараллелограммным импульсным механизмом, позволяющей исследовать как стационарные, так и переходные процессы в передаче.

2. Определение теоретической и экспериментальной внешних характеристик инерционной передачи (зависимость моментов на входе и выходе передачи от передаточного отношения).

3. Оценка нагруженности механического выпрямителя на различных режимах работы передачи.

4. Теоретическое и экспериментальное определение кинематического диапазона передачи на режиме реверса.

РОС НАЦНОНАЛЬН1 »МиШОТЕХА, ОПстщмрг М И» ША # ( .

5. Выработка рекомендаций по практическому применению инерционной импульсной передачи с упругим звеном.

Методы исследований. В теоретическом исследовании использовались методы векторной и аналитической механики, теории механизмов и машин, методы математического и компьютерного моделирования. Экспериментальное исследование динамики инерционной передачи проводилось на специальном стенде.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель движения инерционной передачи с импульсатором непараллелограммного типа и упругим звеном на выходе двумя методами: методом кинетостатики и методом аналитической механики с использованием уравнений Лагранжа II рода. Показана их равнозначность.

2. Получено практически полное совпадение расчетной и экспериментальной внешних характеристик инерционной импульсной передачи в широком диапазоне изменения передаточного отношения.

3. По результатам эксперимента проведена оценка КПД такой передачи во всем диапазоне изменения передаточного отношения.

Практическая ценность. Разработан механо-математический аппарат, позволяющий на этапе проектирования вычислять действующие в элементах передачи кинематические и силовые факторы.

Показана практическая целесообразность использования такой передачи с асинхронными электродвигателями в приводах различного технологического оборудования.

На защиту выносятся:

1 .Разработанная математическая модель движения инерционной импульсной передачи.

2 Результаты теоретического и экспериментального исследования динамики импульсной передачи на различных режимах работы.

1 Теоретическая и экспериментальная внешние характеристики инерционной передачи.

Апробация работы Материалы работы докладывались и обсуждались на ХХХУИГ научно-технической конференции Челябинского государственного агроинженерного университета (1999 г.); на Всероссийской научно-технической конференции «Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных сис!ем транспортных машин» (Курган, 2003 г.); на 62 научно-методической и

научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) (МАДИ-ГТУ) (Москва, 2004 г.). В полном объеме диссертационная работа докладывалась и была одобрена на научном семинаре кафедры «Гусеничные машины» Курганского государственного университета (КГУ) (Курган, 2005 г) и на объединенном семинаре «Совершенствование технико-эксплуатационных показателей механизмов и машин» КГУ (Курган, 2005 г.).

Публикации результатов. Основные положения диссертации опубликованы в одиннадцати печатных работах.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения. Содержит 137 страниц машинописного текста, включая 41 рисунок, 6 таблиц, библиографический список использованной литературы из 65 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показано особое место, которое занимают инерционные импульсные бесступенчатые передачи среди других известных бесступенчатых передач. Показаны ценные свойства таких передач, которые делают практическое применение целесообразным, а исследования в этой области актуальными.

В первой главе сделан краткий обзор литературы по исследованию механических бесступенчатых передач. Проведен анализ основных тенденций развития саморегулируемых импульсных передач

Значительный вклад в развитие импульсных бесступенчатых передач сделан в работах М.А.Айзермана, А.С.Антонова, И.И.Артоболевского, С.П.Баженова, М.Ф.Балжи, А.А.Благонравова, А.Ф.Дубровского, А.Е.Кроппа, Н.К.Куликова, А.ИЛеонова, В.Ф.Мальцева, М.Н.Пилипенко, В.И.Пожбелко, В.А.Умняшкина, С.И.Худорожкова и других авторов. В этих работах рассматриваются как инерционно-импульсные передачи в целом, так и механизмы свободного хода (МСХ) как их неотъемлемые составляющие.

В конце 90-х годов А.А.Благонравовым были предложены новые МСХ осевого исполнения, обладающие значительно более высокой надежностью, чем известные ранее. Это открывало новые возможности развития импульсных передач.

Из всего многообразия инерционных импульсных механизмов (ИИМ) можно выделить особое семейство. Такие ИИМ обладают наиболее благоприятной

характеристикой, которая показывает зависимость амплитуды инерционного момента, создаваемого неуравновешенными грузами на входе и выходе. К такому семейству относится параллелограммный ИИМ, предложенный А.И.Леоновым, а также механизм, предложенный В.И.Пожбелко. Недостатком параллелограммного ИИМ является кинематическая неопределенность в вытянутом положении. Введение дополнительных связей для устранения этого недостатка вызывает другую проблему - при отклонении размеров деталей от номинальных возможно заклинивание механизма при проворачивании.

В данной работе исследована инерционная импульсная передача с упругим звеном на выходе. Она состоит из генератора переменного момента непараллелограммного типа (подобно схеме Спонтан), торсионного вала, выходной конец которого соединен с нагрузкой, а входной с МСХ, соединяющим его с корпусом (подобно схеме Хоббса). fio принципу действия она не отличается от передачи с импульсатором параллелограммного типа, но по сравнению с ней не имеет неопределенности в вытянутых положениях импульсного механизма. Кроме того, образец, необходимый для проведения экспериментальных исследований, по такой схеме легче изготовить в лабораторных условиях.

В соответствии с проведенным анализом сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе проведено теоретическое исследование инерционной импульсной передачи. Глава состоит из шести разделов. При построении математической модели применялись методы кинетостатики и аналитической механики, проведено сравнение полученных результатов.

В разделе 2.1 представлена расчетная схема импульсной передачи (рис.1). Два грузовых звена, установленные в реальной передаче, заменены одним грузовым звеном BCS, центр масс которого расположен в точке S. Здесь Jls J2, J3 -приведенные моменты инерции входного вала, промежуточного вала (реактора) и выходного вала соответственно; m и Js - масса и момент инерции грузового звена; с - жесткость торсионного вала; a, b, d, k, q, д - геометрические параметры ИИМ.

Были приняты следующие допущения: все звенья, кроме торсионного вала, являются абсолютно жесткими; зазоры, потери мощности на трение в шарнирах не учитываются; включение МСХ происходит без относительного перемещения его ведущих и ведомых элементов; выключение МСХ происходит свободно.

непараллелограммного типа

ГГри вращении неуравновешенного груза на реакторе создаются знакопеременные импульсы момента центробежных сил. Прямой импульс момента (совпадающий с направлением вращения входного вала) передается на ведомый маховик через торсионный вал. Обратный импульс передается через корпусной МСХ на корпус передачи. Потому цикл работы передачи на режиме трансформации момента делится на два характерных участка.

На первом участке имеет место совместное движение всех звеньев механической системы. На втором участке цикла происходит остановка входного конца торсионного вала (реактора), при этом механическая система распадается на независимые ведущую и ведомую подсистемы.

К входному валу передачи приложен момент движущих сил Мь а к выходному валу - приведенный момент сил сопротивления М2.

Механическая система имеет три степени свободы и описывается тремя обобщенными координатами: угол поворота входного вала ф|, реактора фг и выходного вала <р3 Чтобы однозначно определить положение грузового звена ИИМ, введена дополнительная избыточная координата - угол поворота грузового звена (рис. 16).

В разделе 2.2 на основе методов кинетостатики получены уравнения динамики исследуемой инерционной импульсной передачи

Движение грузового звена является сложным. Это значит, центр масс грузового звена Б одновременно участвует в двух движениях: переносном и относительном.

Наиболее удобно подвижную систему отсчета связать с кривошипом реактора ОВ. Тогда движение центра масс грузового звена будет состоять из переносного вращения вместе с кривошипом вокруг оси О передачи и относительного движения

вокруг оси В кривошипа. Линейные и угловые скорости грузового звена ВСБ в сложном движении определяются в соответствии с рис.2.

Рис.2. Относительная, переносная и Рис.3. Направление ускорений точки в в

Абсолютное ускорение точки в сложном движении равно геометрической сумме относительного а„, переносного а, и кориолисова а(. ускорений. В свою очередь относительное и переносное ускорения есть геометрическая сумма нормального а" и тангенциального а* ускорений (рис.3).

Для вывода уравнения геометрической связи, соединяющего избыточную координату V)/ с обобщенными координатами ф, и <р2, использован метод векторных контуров. В результате получено уравнение связи, в котором угол поворота грузового звена ху представлен в неявном виде:

Г(ф,,ф,,\|/)= к2 + Ь2 +а: -<1г + 2Ьксов(у-ф, )-2аксо8(ф, -ф)-

- 2аЬ со&(ф, - <р,) = 0. Из уравнения (1) путем двойного дифференцирования по времени получены выражения угловой скорости и углового ускорения грузового звена:

А

абсолютная скорости точки 8

сложном движении

ф =

Ч> =

ф, (А, +А,)-ф2(А, -А,). А,+А,

= ф, (А, + А,)-ф, (А, - А,)+ А,(ф, -фгУ

а, + а,

(2)

где А,(ф,,ф,)=аЬ81п(ф)-ф,); А,(фиф,)=аЬсо$(ф, -ф,);

А,(ф1,ч/)=ак81п(«р, -ф); А4(ф,,ф)= аксоз(ф, -у);

А,(\|/,ф,)= Ък$ш(\|; -ф,); А0(ф,ф,) = Ьк соз(ф - ф,);

А,(м/,Ф,)= Ц 81п(ч/ - ц - <р,); А,(\|/,ф,)= Ья ««(у - ц - ср,);

Кинетостатическое исследование инерционной импульсной передачи лучше всего начать с определения реакции кулисы АС. Действующие на грузовое звено силы инерции равны произведению массы труза на величины соответствующих ускорений. Направления действия инерционных сил противоположны направлениям ускорений (рис.4).

Исходя из условия кинетостатического равновесия грузового звена ИИМ, определяются: реакция кулисы АС; составляющие реакции шарнира В - X, и Ув, являющиеся проекциями на оси ОХ и ОУ подвижной системы координат.

Зная выражения, определяющие действующие на грузовое звено реакции связей, составляются уравнения движения входного звена и реактора.

Уравнение кинетостатического равновесия входного звена имеет вид

А

X

Рис.4. Направление сил инерции и реакций связей, действующие в импульсаторе

1,Ф,=М,-М0(КД),

(4)

где М0(Г1Л) = МА - момент силы ЯЛ относительно центра вращения О. Это реактивный момент импульсной передачи, который противодействует крутящему моменту двигателя и определяется формулой

М4 = (ф2 шА, +ч>(18 +шЧ:)+ф/ тА,)*' .

А, + А,

Уравнение кинетостатического равновесия реактора имеет вид 12Ф2=МС-М„ (5)

где М , = с (ф, - Ф,) - момент закрутки торсионного вала, равный произведению его жесткости на угол закрутки; М(. = Ув • Ь - момент сил инерции грузового звена, передаваемых на реактор через шарнирное соединение В

Мс=-ф2

тЬ' + тА,

А,-А,

+ тА, ф -ф2

А,+А, А, - А

А, + А.

А, +А5

На выходное звено импульсной передачи действуют момент закрутки торсионного вала М7 и момент сопротивления движению М,. Уравнение движения выходного звена имеет вид

^Ф, =с(ф2-ф,)-М2. (6)

Уравнений, полученных на основе (4)...(6), недостаточно, чтобы составить математическую модель движения передачи. Эти три уравнения содержат вторые производные по времени от четырех переменных. Чтобы система имела математическую определенность, введено четвертое уравнение - выражение второй производной по времени уравнения связи (1). Система дифференциальных уравнений для 1 -го участка цикла (ф2 >0), таким образом, будет иметь вид . А.+А, ../т 2\А, +А, . 2 А, +А,

■».Ф. +Ф2 тА» Л . М^ ( 5 +1ТКНл А М' тА' Л Л '

А,+А, А,+А, А.+А,

А -А

1, +тЬ2 +т А, —'— '

= шА,

Ч* —Фа

а5+а

А,-А,

А, +А,

А, +А,

-с(ч>2-фД

5/

ф, (А, +А,)-ф2 (А, -А5)-ч>(А3 +А,) = -А,(ф,-ф2)\

Работа передачи на 2-м участке цикла определяется кинематическим условием ф; =0, (f>2 = <p2i = const, где <р2< - угол поворота реактора по окончании первого участка цикла. На этом основании уравнение движения реактора (второе уравнение) исключается из системы (7), в оставшихся уравнениях переменная <р, превращается в постоянную q>2t. На корпус действует реактивный момент МР = М z - Мс. Окончание 2-го участка цикла определяется условием Мр = 0.

В разделе 2.3 рассмотрен вывод математической модели инерционной передачи методом аналитической механики на основе уравнений Лагранжа II рода.

Для рассматриваемой механической системы функция Лагранжа имеет вид

после соответствующих преобразований дают в точности систему (7). Это подтверждает правильность кинетостатического исследования.

Ввиду существенной нелинейности системы уравнений (7) ее решение целесообразно проводить численным методом на персональной ЭВМ. В разделе 2.4 рассмотрена методика приведения уравнений движения (7) к виду, необходимому для проведения численного интегрирования методом Рунге-Кугта. Рассмотрен пример решения системы уравнений для случая работы передачи на установившемся режиме с передаточным отношением I = ф, /ф, =0,229. Получены графики изменения угловых скоростей звеньев передачи, угла закрутки торсиона, угловых ускорений реактора, грузового звена, входного и выходного валов, реактивного момента передачи, момента сил инерции и момента закрутки торсиона. Ввиду ограниченного объема автореферата здесь представлен лишь график изменения угла закрутки торсионного вала за цикл (рис.5).

L = \ Iti + ^(J* + mb! )j>\ + i(js + mq'y + i +

(8)

+ mbq cos(x|/ -ц-срг)фф2 -^c(<p2 -<pj.

Уравнения Лагранжа для этой механической системы в виде

*

(9)

Рис.5. График изменения угла закрутки торсионного вала за цикл

Преимуществом уравнений движения с избыточной координатой \|/ является возможность проверки правильности решения, подставляя полученные значения обобщенных координат и скоростей в уравнение связи (1) и ее первую производную по времени.

К недостаткам можно отнести увеличение числа задействованных переменных, что ведет к увеличению числа уравнений в системе. К тому же проверка правильности решения показывает, что с течением времени цикла наблюдается некоторый рост погрешности вычислений. При исследовании установившегося движения передачи, где достаточно рассчитать один или несколько циклов, такая погрешность приемлема. При исследовании переходных процессов, где число рассчитываемых циклов может достичь нескольких десятков и даже сотен, погрешность может достичь больших величин. Погрешность можно значительно уменьшить, если в уравнениях движения избавиться от избыточной координаты 1|/ и ее производных. Для этого требуется из уравнения голономной связи (1), где избыточная координата 4/ присутствует в неявном виде, получить зависимость в виде ц/ = ^ф, ,<рг), где координата явно выражена, что было сделано в разделе 2.5. Искомая зависимость имеет вид ( Ь-8ш(<р,-ф,)

Ч>(ф,,Ф,) = <Р, -arccoi

+arcsin

+ bJ - 2ab • cos(<p, - <р,) аг + Ьг + k3 - d2 - 2ab cos(<p, - <p2)

(Ю)

Ik-Ja1 + Ъг - 2ab со^ф, - <р2) Так же в разделе 2.5 представлена система уравнений движения с исключенной избыточной координатой у. Она имеет вид

+Ф1

(j.+mq1)-^—

A, + A,

А, + А,

А, + А,

, = M,-(».■-Фг)% +пч')А,7~Tv"^1 m A-

(A,+AJ A. + A,

Ф,

(j,+mq')A'- A4mA,

A.+A.

"1A.+A., •JA,+A,

(U)

+ Ф,

J,+mb'+(j,+mq')fA> A'l + 2mA,

A.+A,

А.-A,

A,+A,

= m A,

A, + A,

-(ч>, -Ф,У

А, н-А.

>A,-A, A, + A,

(j, +mq')"' '*' +mA.

l r ~ ' I H

От системы (7) она отличается тем, что в ней переменна« vy заменена функцией 4/(4),^,). Переменные ц/ и ф исключены путем замены их правой частью уравнений (2) и (3).

В разделе 2.6 предложен метод упрощения уравнений движения, основанный на допущении, что угловая скорость входного вала задается либо постоянной (ф, = const), либо изменяющейся во времени (ip, = const). В самом деле, при работе передачи на установившемся режиме угловая скорость ф, в течение цикла изменяется незначительно. Поэтому можно использовать такое допущение. В этом случае из системы (И) исключается уравнение движения входного вала (первое сверху), а в оставшихся уравнениях переменные ф, и ф, заменены функциональными зависимостями ф, (t) и ф, (t).

В третьей главе рассмотрены задачи, объект и методика экспериментального исследования.

В экспериментальном исследовании решались следующие задачи: определение характера изменения угла закрутки торсионного вала, реактивного момента корпуса и реактивного момента импульсной передачи при работе с заданным передаточным отношением; определение кинематического диапазона инерционной передачи при работе на режиме заднего хода; определение экспериментальной внешней характеристики инерционной передачи.

Исследования проводились на специальном стенде. Стенд включает приводной электродвигатель переменного тока, исследуемую импульсную передачу, порошковый электротормоз, комплекс измерительной и регистрирующей аппаратуры. Производятся замеры и регистрация на осциллографической бумаге таких параметров, как частоты вращения входного П| и выходного п2 валов, реактивного момента корпуса Мр, нагружающего выпрямитель, и реактивного момента передачи Мд. Частота вращения входного вала постоянная П1=1560 об/мин. Порошковый алектротормоз создает момент сопротивления, величина которого пропорциональна силе тока, подаваемого на тормоз. Конструкция импульсной передачи показана на рис.6.

Рис.6. Конструкция импульсной передачи

В четвертой главе приводится оценка расчетных и экспериментальных параметров характеристики передачи.

В разделе 4.1 проводится сопоставление результатов расчета и эксперимента.

Для примера на рис.7 представлены фрагмент осциллограммы и расчетные графики, соответствующие работе инерционной передачи на режиме трансформации.

На выпрямитель наибольшие нагрузки действуют на стоповом режиме. С ростом передаточного отношения снижается нагрузка, действующая на выпрямитель, при одновременном уменьшении доли времени, при котором МСХ включен.

Расхождение теоретических и экспериментальных данных по экстремальным значениям моментов лежат в пределах 5.. .22%.

м,

1Л"

м,

ууъ^у ч/улл. Ч-ч/уЧ' ^у^

\У"\А1/\АААДУ|

л

1

||\[Мг4г ^ 11 IГ IГ Ь 1~1

!Ш1№1!1Н!1||!|П!Й111|Ш11ШШ11

ипшнишиВишшашЕитташВ!

т )и т т т т т т т т щ

• I аг

«С 15

Рис.7. Фрагмент осциллограммы и расчетные графики, показывающие работу импульсной передачи на режиме трансформации; НО,482; М2=8,2 Н*м

При значениях передаточных отношений ¡>0,8 устойчивый стационарный режим работы передачи не осуществим. Передача переходит на режим динамической муфты.

На основе данных, теоретических и экспериментальных исследований получена внешняя характеристика импульсной передачи, показанная на рис.8. При ¡>0,2 теоретическая и экспериментальная характеристики практически совпадают. Расхождение характеристик при ¡<0,2 объясняется неучетом в расчетной модели люфта в выпрямителе.

Рис.8. Теоретическая и экспериментальная внешняя характеристика инерционной импульсной передачи

Работа передачи на режиме заднего хода характеризуется достаточно узким кинематическим диапазоном. Получена верхняя граница кинематического диапазона, определяемая передаточным отношением ¡=0,287.

В разделе 4.2 рассматриваются особенности внешней характеристики, определяющие возможные области применения передачи.

По внешней характеристике передачи можно определить значение коэффициента полезного действия (КПД) для каждого значения ¡, так как

П(0 = 1-М,(0/М,(0. (12)

Несмотря на то, что экспериментальная внешняя характеристика определялась с некоторыми погрешностями, а ошибка частного может увеличить эту погрешность, с уверенностью можно считать, что исследованная инерционная импульсная передача

обладает КПД больше 0,9 в кинематическом диапазоне больше пяти. Это намного превосходит соответствующие показатели гидродинамических и гидростатических бесступенчатых передач. Можно было бы рекомендовать применение такой передачи для многих транспортных средств, но значительные динамические нагрузки не позволяют этого сделать для машин с двигателями большой мощности. Более широкое применение таких передач возможно в различных приводах технологического оборудования: грузовые ленточные транспортеры, различные смесители, центрифуги, буровые установки и т.д.

Благодаря тому, что момент на входном валу передачи на стартовом и стоповом режимах практически равен нулю, приводы указанных технологических агрегатов можно осуществлять с использованием обычных асинхронных электродвигателей, оснащенных в качестве системы управления всего лишь включателем и выключателем.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана механо-математическая расчетная модель, позволяющая определять параметры движения и нагружения всех звеньев инерционной импульсной бесступенчатой передачи с упругим звеном на стационарных и переходных режимах работы.

2. Адекватность расчетной модели подтверждена экспериментальными исследованиями. Впервые получено практически полное совпадение расчетной и экспериментальной внешней характеристики при передаточных отношениях 1>0,2. При ¡<0,2 расхождение определяется неучетом в модели наличия углового люфта в выпрямителе, что может дать снижение действительного момента на выходе по сравнению с расчетным до 18%.

3 Предложенный метод расчетно-теоретического исследования применим не только для выбранной схемы рычажно-шарнирного непараллелограммного импульсного механизма, но и для других известных и возможных вариантов инерционных импульсных механизмов.

4 Инерционная импульсная бесступенчатая передача с непараллелограммным импульсным механизмом с одним корпусным выпрямителем и упругим звеном на выходе обладает внешней характеристикой, благоприятной для использования в приводах различного назначения. Передача имеет режим реверса. КПД передачи превышает 0,9 в кинематическом диапазоне более пяти.

5. Подобные передачи могут успешно использоваться совместно с двигателями внутреннего сгорания в приводах тягово-транспортных машин небольшой мощности, таких как малые тракторы, мотонарты, грузовые мотороллеры и т.п., а с асинхронными электродвигателями - в приводах различного технологического оборудования, таких как ленточные транспортеры, смесители, бурильные и буровые установки и т.п.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Благонравов A.A., Держанский В.Б., Черепанов C.B. Динамическая нафуженность элементов бесступенчатой трансмиссии трактора Н Вестник-Челябинского агроинженерногоуниверситета. -1996.-Т. 16. -С.70-76.

2. Благонравов A.A., Вязников М.В., Черепанов C.B. Энергетическое исследование инерционной передачи с упругим элементом //Тез.докл. Первой междунар. науч.-техн. конф. по бесступенчатым передачам, приводным механизмам и промысловому оборудованию. - Калининград: КГТУ, 1997. - С.29.

3. Благонравов A.A., Вязников М.В., Черепанов C.B. Внешняя характеристика и характеристика совместной работы с двигателем инерционной передачи с упругим элементом // Тез.докл. XVII Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций. -Миасс: ЮУГУ, 1998. -С.76.

4. Благонравов A.A., Вязников М.В., Черепанов C.B. Трансформатор крутящего момента // Вестник. Сб.статей: Академия транспорта. Уральское межрегион, отд-ние. - Курган: Изд-во Курганского гос.ун-та, 1998. -С.138-141.

5. Вязников М.В., Черепанов C.B. Уравнения движения инерционной передачи с упругим элементом // Сб.науч.тр. аспирантов и соискателей КГУ. -Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 1999. -С.44-48.

6. Вязников М.В., Черепанов C.B. Уравнения движения инерционного трансформатора с импульсным механизмом непараллелограммного типа // Сб.науч.тр. аспирантов и соискателей КГУ. -Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 1999. -С.48-52.

7. Благонравов A.A., Вязников М.В,, Черепанов C.B. Условия существования стационарного режима работы инерционной передачи с упругим звеном // Вестник Челябинского агроинженерного университета. - 1999. - Т.28. - С.70-75.

8. Вязников М.В., Черепанов C.B. Особенности внешней характеристики параплевограммного импульсного механизма// Сб.науч.тр. аспирантов и соискателей КГУ. -Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2000. -С.84-88.

9. Черепанов C.B. Динамика инерционного трансформатора с упругим звеном//Сб. докладов и выступлений участников годичной конференции отделения спецтехники и конверсии академии проблем качества и совместной конференции отделения и ОАО "КМЗ", посвященной 50-летию Кургаимашзавода.- М.; Курган, 2000,-С.219-224.

10. Черепанов C.B. Уравнения связи в математической модели движения инерционного трансформатора с им пульсатором непараллелограммного типа И Бесступенчатые передачи и механизмы свободного хода: Межвузовский сб.науч.тр. - Калининград: КГТУ, 2001 .-С. 157-162.

11. Черепанов C.B. Исследование переходных процессов инерционного трансформатора с импульсатором непарадпелограммного типа и упругим элементом // Механика и процессы управления моторио-траисмиссионных систем транспортных машин: Сб. кратких науч. сообщений Всеросс. науч.-техн. конф. -Курган: 2003.-С. 119-121.

»26223

РНБ Русский фонд

2006-4

Черепанов Серп 30293

ДИНАМИКА ИНЕРЦИОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ БЕССТУПЕНЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ С УПРУГИМ ЗВЕНОМ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать -14. /¿.Об Усл. печ. л. 1,0 Бумага тип. № 1

Формат 60x80 1/16 Тираж 100 экз. Уч.~изд.л. 1,0

Заказ № ЧО? Бесплатно

Редакционно-издательский центр КГУ. 640669, г. Курган, ул. Гоголя 25. Курганский государственный университет.

ВВЕДЕНИЕ.'.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНЕРЦИОННОЙ

ИМПУЛЬСНОЙ ПЕРЕДАЧИ.

2.1 .Расчетная схема импульсной передачи.

2.2. Уравнения динамики инерционного импульсного механизма, полученные методом кинетостатики.

2.3. Уравнения динамики инерционного импульсного механизма, полученные методом аналитической механики.

2.4. Численное решение уравнений движения.

2.5 Уравнения динамики инерционной импульсной передачи с исключенной избыточной координатой \\f.

2.6. Упрощение уравнений движения.

2.7. Выводы.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНЕРЦИОННОЙ

ИМПУЛЬСНОЙ ПЕРЕДАЧИ.

3.1. Задачи и объект экспериментального исследования.

3.2. Конструкция испытательного стенда и информационноизмерительная аппаратура.

3.3. Оценка возможных погрешностей измерения экспериментальных величин.

3.4. Методика экспериментального исследования.

3.5. Выводы.

Глава 4. ОЦЕНКА РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ПАРАМЕТРОВ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДАЧИ.

4.1. Сопоставление результатов расчета и эксперимента.

4.2 Особенности внешней характеристики, определяющие возможные области применения передачи.

4.3. Выводы.

Применение бесступенчатых передач является одним из эффективных средств повышения производительности технологического оборудования, а так же улучшения основных эксплуатационных качеств транспортных и тяговых машин.

По сравнению с гидродинамическими и гидростатическими механические бесступенчатые передачи обладают принципиальным преимуществом, так как трансформирование механической энергии без промежуточного преобразования вида энергии может быть осуществлено с меньшими потерями. Но реализация этого преимущества связана с необходимостью решения ряда сложных технических задач.

Известны два принципиально различных вида механических бесступенчатых передач: непрерывные и импульсные. У первых на стационарных режимах скорости всех звеньев постоянны. У вторых скорости отдельных внутренних звеньев являются периодическими функциями времени.

Основным недостатком непрерывных бесступенчатых передач является наличие кинематического скольжения в контакте гладких криволинейных поверхностей рабочих тел, передающих крутящий момент силами трения при высоких контактных напряжениях. Определенные успехи в снижении практической значимости этого недостатка известны [32].

В импульсных передачах кинематическое скольжение исключается ценой использования колебательного движения внутреннего звена (звеньев), которое затем преобразуется во вращение выходного вала с помощью механизмов свободного хода (МСХ), выполняющих функцию механических выпрямителей [12]. Но колебательное движение связано с повышенными динамическими нагрузками, а работа МСХ при высокой частоте включений выдвигает на первый план вопросы их надежности. Это затормозило применение таких передач в автомобилестроении, где требования надежности росли быстрее, чем успехи в повышении надежности импульсных передач, но в приводах самого различного технологического оборудования они получили достаточно широкое применение [47].

Особый класс импульсных передач представляют инерционные импульсные бесступенчатые передачи. Они обладают рядом ценных свойств: могут быть достаточно просты по конструкции; не нуждаются в управлении, так как передаточное отношение автоматически изменяется при изменении нагрузки на выходном валу; не нагружают двигатель на стоповом или стартовом режимах, так как при передаточном отношении равном нулю (выходной вал остановлен) среднее, а в ряде схем и любое мгновенное значение момента на входном валу, близко к нулю. Последнее позволяет в приводах различного технологического оборудования в качестве двигателей применять самые простые асинхронные электромоторы. При нештатном увеличении сопротивления на выходном валу передачи вплоть до его остановки двигатель разгружается и не выйдет из строя без всякой электрической защиты. Пуск агрегата также происходит при отсутствии момента сопротивления на валу электродвигателя.

Исследованию инерционных импульсных бесступенчатых передач посвящено немало работ многих авторов. Однако до сих пор не разработан меха-но-математический аппарат, позволяющий полностью определять динамику передачи не только на стационарных, но и на переходных режимах. Решению этого вопроса посвящена представленная диссертация.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель движения инерционной передачи с импульсатором непараллелограммного типа и упругим звеном на выходе двумя методами: методом кинетостатики и методом аналитической механики с использованием уравнений Лагранжа II рода. Показана их равнозначность.

2. Получено практически полное совпадение расчетной и экспериментальной внешних характеристик инерционной импульсной передачи в широком диапазоне изменения передаточного отношения.

3. По результатам эксперимента получена оценка КПД такой передачи во всем диапазоне изменения передаточного отношения.

Методы исследований. В теоретическом исследовании использовались методы векторной и аналитической механики, теории механизмов и машин, методы математического и компьютерного моделирования. Экспериментальное исследование динамики инерционной передачи проводилось на специальном стенде.

Практическая ценность. Разработан механо-математический аппарат, позволяющий на этапе проектирования вычислять действующие в элементах передачи кинематические и силовые факторы.

Показана практическая целесообразность использования такой передачи с асинхронными электродвигателями в приводах различного технологического оборудования.

На защиту выносятся:

1 .Разработанная математическая модель движения инерционной импульсной передачи.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования динамики импульсной передачи на различных режимах работы.

3. Теоретическая и экспериментальная внешние характеристики инерционной передачи.

4.3 Выводы

Проведенное в главе 4 сопоставление результатов теоретического и экспериментального исследований инерционной передачи показало их удовлетворительную сходимость.

При работе передачи на стоповом режиме и на режиме трансформации момента с передаточным отношением меньшим 0,2 расхождение теоретических и экспериментальных результатов можно объяснить тем, что в расчетной модели не было учтено наличие углового люфта выпрямителя.

Проведена оценка нагруженности механического выпрямителя на различных режимах работы передачи. Наибольшая нагрузка на выпрямитель действует при работе передачи на стоповом режиме. На режиме трансформации момента с ростом передаточного отношения нагруженность выпрямителя снижается. С выходом передачи на режим динамической муфты (прямая передача) нагрузка на выпрямитель отсутствует.

По внешней характеристике передачи проведена оценка КПД для каждого значения передаточного отношения.

Даны рекомендации по практическому применению исследуемой инерционной импульсной передачи с упругим звеном.

130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Разработана механо-математическая расчетная модель, позволяющая определять параметры движения и нагружения всех звеньев инерционной импульсной бесступенчатой передачи с упругим звеном на стационарных и переходных режимах работы.

2. Адекватность расчетной модели подтверждена экспериментальными исследованиями. Впервые получено практически полное совпадение расчетной и экспериментальной внешней характеристики при передаточных отношениях i>0,2. При i<0,2 расхождение определяется неучетом в модели наличия углового люфта в выпрямителе, что может дать снижение действительного момента на выходе по сравнению с расчетным до 18%.

3. Предложенный метод расчетно-теоретического исследования применим не только для выбранной схемы рычажно-шарнирного непараллелограммного импульсного механизма, но и для других известных и возможных вариантов инерционных импульсных механизмов.

4. Инерционная импульсная бесступенчатая передача с непараллелограммным импульсным механизмом с одним корпусным выпрямителем и упругим звеном на выходе обладает внешней характеристикой, благоприятной для использования в приводах различного назначения. Передача имеет режим реверса. КПД передачи превышает 0,9 в кинематическом диапазоне более пяти.

5. Подобные передачи могут успешно использоваться совместно с двигателями внутреннего сгорания в приводах тягово-транспортных машин небольшой мощности, таких как малые тракторы, мотонарты, грузовые мотороллеры и т.п., а с асинхронными электродвигателями — в приводах различного технологического оборудования, таких как ленточные транспортеры, смесители, бурильные и буровые установки и т.п.

1. Айзерман М.А. Элементы теории автоматических прогрессивных трансмиссий непрерывного действия // Труды НАТИ. 1941 - Вып.40 -С.33-76.

2. Андреев В.Е., Баженов С.П. К анализу трансмиссии автомобиля с автоматической инерционной передачей //Автомобили, тракторы и двигатели. 1972. - №119. - С.71-78.

3. Антонов А.С. Силовые передачи колесных и гусеничных машин. Теория и расчет. -Л.: Машиностроение, 1975. 480 с.

4. Артоболевский И.И. Теория механизмов. М.: Наука, 1967 - 720с.

5. Артоболевский И.И., Зиновьев В.А., Умнов В.Н. Динамика механической системы с вариатором // Динамика машин. М.: Машиностроение, 1969. С. 17-24.

6. Артоболевский И.И., Тишин М.М. Кинематика импульсных коробок передач// Вестник машиностроения. 1944. - №9-10. - С.10-18.

7. Баженов С.П. Дифференциальные уравнения движения инерционной трансмиссии транспортной машины // Автомобили, тракторы и двигатели. 1973. -№131. - С.156-158.

8. Баженов С.П. Механический бесступенчатый автоматический привод швартово-якорных механизмов //Тез.докл.Первой междунар. науч.-техн. конф. по бесступенчатым передачам, приводным механизмам и промысловому оборудованию. Калининград: КГТУ, 1997. - С. 15.

9. Балжи М.Ф. Бесступенчатая инерционно-импульсная передача для транспортных машин. Авт.свид.№153817 // Бюллетень изобретений и товарных знаков. 1963. - №7.

10. Балжи М.Ф. Инерционный бесступенчатый трансформатор крутящего момента: Дис. д-ра техн. наук. -Челябинск, 1970-210 с.

11. Балжи М.Ф., Леонов А.И. Автоматический трансформатор крутящего момента. Авт.свид.№195818 // Бюллетень изобретений. 1967. - №10.

12. Благонравов А. А. Механические бесступенчатые передачи нефрикционного типа. М.: Машиностроение, 1977. 143 с.

13. Благонравов А.А., Малородов А.Т. Бесступенчатая импульсная передача. Авт.свид.№1352120 // Бюллетень изобретений. 1987. - №42.

14. Благонравов А.А., Коновалова Е.Г., Стратечук A.M. Механический трансформатор // Вестник бронетанковой техники. 1988. - №12.

15. Благонравов А.А. Внешняя характеристика простейшей импульсной бесступенчатой передачи с упругим элементом // Тез.докл. Четвертой междунар. науч.-техн. конф. по инерционно-импульсным механизмам. -Владимир: ВПИ, 1992.

16. Благонравов А. А. Клиновой механизм свободного хода. Авт.свид.№1303764 // Бюллетень изобретений. 1996. - №36.

17. Благонравов А.А. Клиновой механизм свободного хода. Авт.свид.№2077794 // Бюллетень изобретений. 1997. -№11.

18. Благонравов А.А., Болотов В.В. Автоматический привод. Авт.свид.№2082050 // Бюллетень изобретений. 1997. - №17.

19. Благонравов А.А., Вязников М.В., Черепанов С.В. Трансформатор крутящего момента // Вестник. Сб.статей : Академия транспорта. Уральское межрегион.отд-ние. Курган: Изд-во Курганского гос.ун-та, 1998. -С.138-141.

20. Благонравов А.А., Вязников М.В., Черепанов С.В. Условия существования стационарного режима работы инерционной передачи с упругим звеном // Вестник Челябинского агроинженерного университета. 1999. - Т.28. - С.70-75.

21. Благонравов А.А., Держанский В.Б., Черепанов С.В. Динамическая нагруженность элементов бесступенчатой трансмиссии трактора // Вестник Челябинского агроинженерного университета. 1996. - Т. 16. -С.70-76.

22. Бутенин Н.Ф., Фуфаев Н.А. Введение в аналитическую механику. -М.: Наука, 1991.-255 с.

23. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. -М.: Наука, 1965. 872 с.

24. Вязников М.В. Статические характеристики инерционной импульсной передачи с упругим элементом: Дис. . канд.техн.наук. Курган: КГУ, 1999.- 169с.

25. Вязников М.В., Черепанов С.В. Уравнения движения инерционной передачи с упругим элементом // Сб.науч.тр. аспирантов и соискателей КГУ. -Курган: Изд-во Курганского гос.ун-та, 1999. С.44-48.

26. Вязников М.В., Черепанов С.В. Уравнения движения инерционного трансформатора с импульсным механизмом непараллелограммного типа //Сб.науч.тр. аспирантов и соискателей КГУ. -Курган: Изд-во Курганского гос.ун-та, 1999. -С.48-52.

27. Вязников М.В., Черепанов С.В. Особенности внешней характеристики параллелограммного импульсного механизма// Сб.науч.тр. аспирантов и соискателей КГУ. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2000. - С.84-88.

28. Еновский-Лашков Ю.К., Баранов В.В., Раскин В.Е. и др. Бесступенчатые фрикционные трансмиссии автомобилей. 4.II. Легковые автомобили и автобусы// Обзорная информация. М.: НАМИ, 1990. -48 с.

29. Забавников Н.А. Основы теории транспортных гусеничных машин. -М.: Машиностроение, 1975. 448 с.

30. Кропп А.Е. Приводы машин с импульсными вариаторами. -М.: Машиностроение, 1988. -144 с.

31. Куликов Н.К. Клиновые механизмы свободного хода // Труды НАМИ. -М.: Машгиз, 1954.-Вып.75. 68 с.

32. Ланде А.П., Лившиц В.А. Анализ двухпоточных импульсных передач // Автомобили, тракторы и двигатели. 1977. -№195. -С.96-98.

33. Левин С.Ф. Инерционная импульсная передача. Авторское свидетельство №199611 // Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. 1967. - №15.

34. Леонов А.И. Инерционные автоматические трансформаторы вращающего момента. М.: Машиностроение, 1978. - 224 с.

35. Леонов А.И. Исследование импульсного механизма параллелограммного типа в инерционном трансформаторе момента // Теория машин и механизмов.-М.: Наука, 1965. -Вып. 105-106. -С.43-49.

36. Леонов А.И., Дубровский А.Ф. Механические бесступенчатые передачи непрерывного действия. М.: Машиностроение, 1984. -192 с.

37. Ли В.И. Импульсные кулачковые вариаторы // Передаточные механизмы. -М.: Машиностроение, 1971. -С. 161-167.

38. Лившиц В.А. Исследование импульсных приводов постоянной скорости: Автореф.дис.канд.техн.наук. -Челябинск: ЧПИ, 1978.

39. Лившиц В.А. Некоторые вопросы исследования импульсных механических систем // Автомобили, тракторы и двигатели. 1979. -№233. -С.84-85.

40. Лившиц В.А., Крупицкий С.М., Филичкин Н.В. Вопросы динамики инерционного трансформатора момента // Автомобили, тракторы и двигатели. 1976. -№174. -С.83-85.

41. Лобусов В.М. Динамика автоматического вариатора // Теория машин и механизмов.-М.: Наука, 1965. Вып.105-106. - С.88-102.

42. Логинов В.Н. Электрические измерения механических величин. -М.: Энергия, 1976.- 104 с.

43. Мальцев В.Ф. Механические импульсные передачи. -М.: Машиностроение, 1978. -367 с.

44. Мальцев В.Ф. Роликовые механизмы свободного хода. -М.: Машиностроение, 1968.-416 с.

45. Мальцев В.Ф. Состояние и тенденции развития механизмов свободного хода // Вестник машиностроения. -1987. №3. - С. 17-19.

46. Отчет о научно-исследовательской работе. Экспериментальное исследование функционирования лабораторных образцов импульсной передачи (договор №2/96-3996 от 17.06.96). Курган, 1999.

47. Пилипенко М.Н. Механизмы свободного хода. -М.: Машиностроение, 1966.-288 с.

48. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисление. М.: Наука, 1968.-Т.1.-552 с.

49. Пожбелко В.И. Инерционно-импульсные приводы машин с динамическими связями. -М.: Машиностроение, 1989. -136 с.

50. Ревняков Е.Н. Выбор параметров и расчет характеристик механической импульсной многопоточной бесступенчатой передачи: Дис. . канд. техн.наук. -Курган: КГУ, 2005. -158 с.

51. Стратечук A.M. Определение характеристик саморегулируемой бесступенчатой передачи с эксцентриковым генератором колебаний: Дис. . канд.техн.наук. -Курган: КМИ, 1986. -220 с.

52. Умняшкин В.А., Кондрашкин А.С., Сорока И.Ф. и др. Разработка и исследование гидромеханической передачи с механизмом свободного хода // Тез. докл. V Всесоюзной науч.-техн. конф. по вариаторам и передачам гибкой связью. Одесса, 1976.

53. Умняшкин В. А., Филькин Н.М., Набиев И.С. Инерционные трансформаторы вращающего момента транспортных средств. — Набережные Челны: Изд-во Камского гос. политехи, ин-та, 2004. -153 с.

54. Худорожков С.И. Пути повышения эффективности колесных тракторов малой мощности: Автореф.дис.д-ра.техн.наук. -Курган: КГУ, 1998.

55. Шенк X. Теория инженерного эксперимента / Пер.с англ. -М.: Мир, 1972.-382 с.

56. Шушкевич В.А. Основы электротензометрии. -Минск: Высшая школа, 1975.-351 с.

57. Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики. 4.1. Статика. Кинематика: Учебник для втузов. 5-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 1977. - 368 с.

58. Яблонский А.А., Никифорова В.М. Курс теоретической механики. Ч. II. Динамика: Учебник для втузов. 5-е изд., испр. - М.: Высшая школа, 1977.- 430 с.