автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Исследование динамики бронировочных машин с регулярной структурой

На правах рукописи

Быченко Лилия Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ БРОНИРОВОЧНЫХ МАШИН С РЕГУЛЯРНОЙ СТРУКТУРОЙ

Специальность 05.02.18 — Теория механизмов и машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» на кафедре теории механизмов и машин.

Научный руководитель: д.т.н., проф. Каразин Владимир Игоревич

Официальные оппоненты:

д.т.н., проф. Вульфсон Иосиф Исаакович

к.т.н., с.н.с. Красильщиков Михаил Яковлевич

Ведущая организация: ЗАО «СЕВКАБЕЛЬ-ОПТИК»

Защита состоится " _07. " июня 2005 г. в 16:00 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.229.12 в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский

государственный политехнический университет».

Адрес: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29,41 ауд., I корп.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение работоспособности машин, их приводов и механизмов является центральной проблемой научно-технического прогресса. Бронировочная машина предназначена для производства оптоволоконного кабеля, в которой происходит навивка защиты на кабель и намотка его в рулоны. Вопросам повышения работоспособности бронировочных машин путем совершенствования их конструкций, технологичности, систем управления уделяется недостаточно внимания. Исследование этих вопросов и внедрение в производство научно-обоснованных технических решений позволит увеличить производительность бронировочных машин, в связи с чем, настоящее исследование является актуальным.

Клеть бронировочной машины представляет собой сложную колебательную систему с разветвленно кольцевой структурой. Известные работы в данной области посвящены вопросам динамики машин с регулярной структурой. Исследования подобных систем отличаются повышенной сложностью и применительно к бронировочным машинам до сих пор не нашли должного отражения в отечественных и зарубежных публикациях.

По данным литературного обзора в России в настоящее время не производятся высокоскоростные бронировочные машины, выпускаемые такими фирмами, как например, «Скет» (Германия), «Хансон-Робертсон» (Швеция), «Сикра» (Италия). Тем не менее, имея в виду развитие отечественного машиностроения в данной области, разработка инженерной методики динамического исследования, направленного на совершенствование эксплуатационных характеристик бронировочных машин с регулярной структурой приблизит возможность создания отечественных высокопроизводительных бронировочных машин.

Целью настоящей работы является разработка требований к точностным и динамическим характеристикам узлов бронировочных машин с регулярной структурой; выработка и обоснование необходимых изменений и усовершенствований в конструкции машин, повышающих производительность и расширяющих технологические возможности, увеличивающих износоустойчивость и точность отдельных деталей, узлов, механизмов и продлевающих срок их службы, усиливающих слабые звенья машинного агрегата, повышающих эффективность систем управления.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

1. Разработка математических и динамических моделей бронировочных машин с регулярной структурой.

2. Разработка методов и алгоритмов для частотного анализа.

3. Выявление основных конструктивных факторов, определяющих расположение частот возмущений в собственном частотном спектре машины.

4. Разработка методов, алгоритмов и пакета прикладных программ для кинематического и динамического исследования бронировочных машин с регулярной структурой.

5. Разработка критериев для совершенствования динамических характеристик бронировочных машин с регулярной структурой.

Общие методы исследования. Теоретические методы исследования бронировочных машин базируются на аналитических методах кинематического и динамического анализа машинных агрегатов, методах динамического исследования механизмов с учетом упругости звеньев, классической теории колебаний, вычислительной математики. При обработке результатов исследований и разработке методик расчета использовались пакеты прикладных программ: MathCad, AutoCad. Наряду с использованием аналитических методов было проведено компьютерное моделирование динамических процессов бронировочных машин с помощью языка программирования Delphi.

Научная новизна. Научная новизна данной работы состоит в следующем:

1. Поставлена и сформулирована задача динамического исследования роторных машин на базе динамической модели регулярной разветвлено-кольцевой структуры.

2. Разработаны математические и динамические модели отдельных элементов и всей машины в целом и их математическое описание.

3. Проведено динамическое исследование моделей роторной машины с регулярной структурой.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением известных методов теории машин и механизмов и подтверждается сопоставлением результатов теоретических расчетов и экспериментального исследования.

Практическая ценность работы. Полученные научные результаты применены для исследования бронировочной машины. Разработана методика по определению зон сгущения собственных частот и форм колебаний систем с регулярной разветвлено-кольцевой структурой, которая также может быть использована при совершенствовании динамических характеристик других машин с регулярной структурой. Полученная динамическая модель позволяет исследовать влияние различных факторов, таких как: связь амплитуд усилий (моментов) и деформаций с амплитудами погрешностей; расположение частот различных возмущений в собственном спектре частот машины. С

помощью созданного комплекса программ проведены расчеты конкретной бронировочной машины на предприятии СЕВКАБЕЛЬ-ОПТИК г. Санкт-Петербурга. Предприятие приняло к рассмотрению разработанные рекомендации по устранению причин колебаний машины на высоких скоростях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на различных научно-практических конференциях, посвященных общим проблемам динамики: XXXIII, ХХХП, XXXI Недели науки СПбГПУ, г. Санкт-Петербург 2005, 2004, 2003; «Автоматизированные системы управления и обработки информации», НПО ВГУП АВРОРА, г. Санкт-Петербург 2004; «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 2005.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литетатуры и семи приложений. Основной текст расположен на 180 страницах, содержит 58 рисунков и 10 таблиц. В списке литературы 46 наименований.

Работа выполнена на кафедре Теории механизмов и машин Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Автор выражает признательность коллективу кафедры за оказанную помощь при выполнении данной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы и поставлены задачи исследования, обоснована актуальность темы. Сформулирована ее научная новизна ч практическая значимость.

Бронировочная машина является агрегатом производства оптоволоконного кабеля, в котором происходит навивка защиты на кабель и намотка его в рулоны. Основным параметром бронировочной машины является скорость движения кабеля. Машина оснащена тонкой регулировкой и выполняет работу высокого класса точности при почти полной автоматизации протекающих на ней технологических процессов. Бронировочная машина (рис.1) состоит из отдающего устройства 1, клети 8, механизма открутки (на рисунке не показан), привода машины 3, тягового 11 и приемного 12 устройства. Клеть состоит из нескольких параллельно расположенных дисков 4, закрепленных на полом металлическом валу 5, проходящем через их центры. Каждый диск, кроме первого опирается на два опорных катка 13. Люльки 6 с отдающими катушками закреплены между дисками в подшипниках. Сходящие с отдающих катушек проволоки 7 проходят через отверстия в дисках. Далее, мимо люлек с катушками следующих по движению изделия секции, они поступают к последнему диску клети, а затем к распределительному диску,

который обеспечивает правильное взаимное расположение скручиваемых проволок перед входом их в калибр.

1 — отдающее устройство, 2 — жила, заготовка, 3 — привод машины, 4 — диск, 5 — главный вал, 6 — люлька с отдающей катушкой, 7 — проволока, 8 — клеть, 9 — гидрофобная ванна, 10 — лентообмотчики, 11 — тяговое устройство, 12 — приемное устройство, 13 — опора Рис. 1. Общий вид бронированноймашины

Открутка на крутильных клетьевых машинах производится с помощью механизма открутки, работающем от собственного привода

В первой главе выполнен обзор библиографических источников по технологии, расчету и конструированию роторных машин с регулярной структурой. Основным вопросам исследования технологий, оборудования и производства кабельных изделий посвящены работы И.Ф.Рыбакова, ИДТроицкого, И.М.Шепелева. Проблемам динамики машин посвящены научные труды многих ученых: И.И.Артоболевского, В.И.Бабицкого, В.Л.Бидермана, И.И.Блехмана, В.Л.Вейца, И.И.Вульфсона, М.З.Коловского, Я.Г.Пановко, ВА Щепетильникова и других ученых. Вопросам динамики и проектирования машин с регулярной структурой посвящены работы И.И.Вульфсона.

Проведен анализ объекта исследования, даны краткие сведения о кабельном оборудовании и их классификации. Приведены описания волоконно-оптических кабелей и схемы машин кабельного оборудования. Сделан обзор по организации технологии производства. Разнообразие конструкций кабельных изделий и применение различных изоляционных материалов потребовали создания целого комплекса технологических

процессов для их производства. Представлена схема технологических процессов изготовления кабельных изделий.

Во второй главе выполнено статическое исследование упругих бронировочных машин с регулярной структурой, механизмы которых образуют сложные кинематические цепи.

Для определения динамической модели был выполнен ряд предварительных расчетов. Была проведена оценка статической деформации участков клети. Рассчитаны величины прогибов главного вала под действием силы тяжести дисков, без учета люлек. Бронировочная машина имеет большую массу, только ее клеть с заполненными люльками весит 72т. Численные значения прогибов составили величины от 0.13 до 0.18мм. Исследованы зоны контакта дисков с текстолитовыми опорами с целью определения их жесткостей. Показано, что наиболее деформируемыми элементами являются опоры. Оценка парциальных частот галопирования клети и подпрыгивания

(Хх =7.5Гц) и анализ допусков позволили сделать вывод о том, что в исследуемых диапазонах скоростей вращения (до 30 об/мин), бронировочную машину можно считать недеформируемой и изготовленной идеально точно клетью с упругими механизмами, расположенной на податливых опорах, выставленных с ошибками.

Далее был найден закон движения оси идеальной клети, как система с двумя степенями свободы, при неидеально выставленных опорах. Система уравнений равновесия с учетом совместности деформаций:

где с — жесткость опоры; уп — отклонение жесткой оси от идеальной; х0— отклонение оси нулевого диска от его идеального положения; а — расстояние между опорами в продольном направлении; п — номер диска; ф — угол наклона клети; G — сила тяжести; s — расстояние от нулевого диска до центра тяжести клети.

(2)

где е„— эксцентриситет п-ой опоры; епс — величина несоосности п-ой опоры относительно идеальной оси всех опор; — приращение утла поворота всех опор; — начальная фаза эксцентриситета п-ой опоры.

Затем была рассмотрена пространственная задача и найдена зависимость положения центра диска Ко(о) с учетом угловых и линейных погрешностей положения опор. В общем виде:

-К0(0)„.+А110(0).

*-0(0) - Л0(0),

(3)

ЛК-О(О) = АКоа) +

<-0(0)вд

сумма погрешностей от правой и левой опор (величины первого порядка малости).

Для решения уравнений (1) - (3) была написана программа на языке программирования Бе1рЫ-7.0. Программа позволяет менять различные входные параметры и получать графики зависимостей от времени: Хр, ф, у„ и реакции опор Яп. Полученная модель позволяет оценить допустимые несоосности опор для обеспечения работоспособности машин. На рис.2 показано окно программы, где вводятся и корректируются начальные данные, а на рис.3 приведен график зависимости х0(1)

Рис 2. Окно программы

Рис. 3 График зависимости X 0 О)

На практике очень важен процесс регулировки опор так, чтобы центры всех дисков находились в некоторой области в пределах допуска. Положение опор выставляется при помощи винтов в горизонтальном направлении. Поворачивая винт, можно регулировать отклонение оси вращения «-ой опоры от общей оси всех опор и, таким образом, влиять на положение клети. Используя полученные упругие характеристики клети, была составлена методика выставления опор.

При геометрической и жесткостной неидеальности конструкции только выставление всех опор {у,} может обеспечить требуемые значения координат центров

дисков Для определения соответствующих величин {у^*}, в силу малости по

сравнению с размерами клети, можно предположить линейность зависимости х(у). То

где

N ГЦ

1 , х — (П+1)х1 1

х = Ву,

—расширенные столбцы.

(4)

-1(п+1)х1

Равенство (4) представлено в однородной форме.

Для того чтобы выставить клеть нужным образом, необходимо составить столбец требуемых значений Х1'. Если матрица значений коэффициентов пропорциональности В известна, например уже получена из эксперимента, то столбец требуемых значений определяется из выражения:

уП>=В-1хЧ>=УХ-1хтр, (5)

где формирование матриц У, X и В происходит следующим образом. Результаты измерений координат положения центров всех дисков, относительно нулевой системы координат, записываются в виде: После этого необходимо повернуть клеть на

какой-либо угол и повторить измерения в контрольных точках. Эксперимент проводится не менее чем П + 1 раз, где п — количество дисков. Полученные значения для каждого эксперимента записываются в виде: Х^=В-у^, Верхний индекс ] обозначает порядковый номер эксперимента. Из всех экспериментов составляется следующее матричное

[х1 X2 ••■хП+1](п+1><п+1) = В(п+1)х(п+1)1>г1 У2 •••УП+1](п+1)х(п+1) ' (6)

которое можно представить в виде: X = В • У, следовательно, В = . Таким образом,

на основании проведения измерений получили возможность решить уравнение 5. Ниже приведен пример записи матрицы X, матрица У выглядит аналогично.

/(п+1)х(п+1)

где первый индекс означает номер эксперимента, а второй порядковый номер диска.

Такой метод выставления клети имеет смысл, только в предположении, что обеспечена прямолинейность клети и все еп «епс. Конструкция клети при этом будет являться хорошо выверенным и выставленным механизмом, геометрические погрешности которого будут находиться в поле допуска.

Третья глава посвящена составлению и исследованию динамических моделей бронировочной машины с регулярной структурой. В начале было проведено численное обоснование учета идеальной кинематической характеристики двигателя в уравнении движения. Затем исследованы особенности траектории движения центров дисков клети с учетом упругости опор. Создана вычислительная программа, с помощью которой, можно получать движение всех центров дисков, опирающихся на опоры. Удается выяснить, какая из опор оказывает наибольшее отрицательное влияние на машину в целом и требует паладки в первую очередь. Данную программу можно использовать при замене и выставлении опор для обеспечения требуемой линейности и направления оси клети.

Рис. 4. Траектории движения центров дисков

Исследование динамики машины позволило представить ее динамическую модель как механическую колебательную систему с учетом упругостей приводных ремней. Полученная математическая модель бронировочной машины (рис.5) позволяет выполнять динамические расчеты в полном объеме: получать собственные частоты, формы колебаний и другие параметры.

Мд2 — момент, прилооженный к ротору двигателя открутки, создаваемый электромагнитными силами; ££>2 — угловая скорость привода открутки; ф2 — угол поворота двигателя открутки; Сз —жесткость приводного ремня вала открутки; ¡2 — передаточное отношение редуктора; — угол поворота вала открутки; — жесткость приводного ремня между валом открутки и люлькой; Сдд —жесткость приводного ремня между люльками; —момент инерции вала открутки; Мд — реактивный момент, создаваемый приводным ремнем Рис. 5. Расчетная схема

Система дифференциальных уравнений движения модели бронировочной машины с регулярной структурой получена в следующем виде:

^Лпфдп +сл(ф^ -9в)+Слл(<Рлп -<РЛл|=Мла ■ ^ЧЛпй+Сд(фл,1-фв)+Слл((рлп-ф5п)=М]5п, (8)

'вФв + Сл£(фВ -фЛп)+С212(ф2-ФВ12)=°

где п — номер люльки клети (для конкретной машины п = 1...48); — момент инерции люльки и относительно оси вращения; фдд — абсолютный угол поворота люльки п; Мд,, — момент, создаваемый воздействием диска в т.К (рис.6).

Люлька с центром тяжести в точке S (рис.6) совершает поворот относительно диска вокруг точки К на угол фд, при этом диск, связанный с люлькой, совершает поворот вокруг точки О на угол а + Ю^.

где Ю[ — угловая скорость главного привода, m — масса люльки; Их, Ку — реакции в опорах люльки Рис. 6. Силы, действующие налюльку

Было проведено исследование собственных частот и форм колебаний системы на основе следующего уравнения записанного в матричном виде:

АФ+СФ = 0, (9)

где: А, С — матрицы инерционных и упругих параметров соответственно, Ф — столбец обобщенных координат. Частотный определитель системы удалось раскрыть в весьма компактной форме:

N = (а- с)24(а+с)23 [(а + с)(аа ] - (12)- 48а<12 ], (10)

где

Получены аналитические выражения для нахождения собственных частот и форм колебаний динамических систем с рассмотренной регулярной структурой (рис.7).

Рис. 7. Колебания люлек, связанных попарно

С целью уточнения динамической модели было проведено исследование изменения спектра собственных частот клети от параметров модели с помощью специальной компьютерной программы. Была рассмотрена зависимость собственных частот машины от податливости участка вала открутки в окрестности расчетного значения

Рис. 8. Изменение спектра собственных частотмашины суееличением жесткости валов открутки Анализ показал, что оценка собственных частот на основе модели без учета упругости вала несостоятельна. Для колебательной системы (рис.5) с жесткими валами, частотное уравнение имеет решение в аналигической форме с множеством кратных корней. Соответствующие корням собственные частоты имеют простой физический смысл, как парциальные частоты для пар люлек, соединенных общим ремнем. Учет упругости вала открутки приводит к расширению зоны сгущения собственных частот. При этом ее относительная ширина в данном случае составляет 25%. Далее была рассмотрена зависимость спектра собственных частот от количества заполненных люлек и предложены рекомендации по увеличению жесткости приводных ремней люлек (рис. 9).

Рис. 9. Изменение спектра собственных частотмашины сувеличением жесткости приводныхремней люлек

Компьютерная программа созданная для оценок собственных частот системы с учетом податливостей валов открутки, позволяет контролировать параметры машины, для обеспечения внерезонансного режима работы. Получение амплитудно-частотных характеристик дало возможность исследовать влияние геометрических и балансировочных неточностей на амплитуды усилий и деформаций в машине.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования геометрии бронировочной машины KVS 48x630 №2656.52-1.02 на предприятии ЗАО «СЕВКАБЕЛЬ-ОПТИК». Координаты точек на поверхности обмеряемых деталей машины определялись высокоточным тахеометром TDA5000 фирмы Leica. Измерения выполнялись под управлением программы AXYZ в реальном режиме времени в единой системе координат. Подробный обмер одного диска, и обмер всех дисков машины позволил найти некругл ость наружной поверхности дисков, определить взаимное расположение дисков. Было найдено отклонение от соосности поверочных отверстий дисков и проведено исследование плоскостности диска. Геометрические обмеры показали, что отклонение центров дисков от идеальной оси имеет спиралевидный характер, и вся машина имеет наклон к приводу.

Проводились замеры колебаний токов главного двигателя и двигателя открутки бронировочной машины KVS 48x630 №2656.52-1.02. Показания снимались в установившемся режиме работы машины при угловой скорости вращения клети 30 об/мин. Был получен график зависимости колебаний токов двигателей от времени. С помощью ряда Фурье были получены и исследованы амплитудные спектры движущих моментов двигателей (рис. 10).

О 5 10 15 20 2S 30 35 « « 50 К во СЗ 70 70 00 « ВО 05

i

I - величина тока, i - номер гармоники Рис. 10. Спектр главного двигателя

Анализ показал, что присутствуют колебания 3-х периодов, велик шум (около 2.5А по спектру), вследствие чего точная аппроксимация не проводилась. Три гармоники из всех групп максимумов удовлетворительно описывают колебания (среднеквадратичная ошибка, приходящаяся на точку, меньше погрешности измерения). Аналогичная ситуация имела место и с двигателем открутки. В итоге был получен частотный спектр для двигателей бронировочной машины, и построены зависимости движущих моментов главного двигателя и двигателя открутки от времени.

Сравнение экспериментально полученных результатов с теоретическим исследованием подтвердило правильность расчетов и выбора динамической модели. Для собственных частот погрешность расчетов составила 33.3%. Таким образом, созданные динамические модели успешно описывают сложные процессы, происходящие в бронировочных машинах с регулярной структурой.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые поставлена и сформулирована задача динамического исследования бронировочных машин на основе анализа упругих моделей машинных агрегатов с регулярной структурой.

2. Разработаны и обоснованы динамические и математические модели отдельных элементов и всей машины, представляющей собой многомодульную колебательную систему разветвлено-кольцевой структуры, с целью определения эксплуатационных параметров бронировочной машины.

3. Получены геометрические и кинематические характеристики для определения параметров возможного движения оси и возмущений в упругих элементах машины.

4. Создан метод расчета положения клети на упругом основании и разработана специальная вычислительная программа для определения влияния погрешностей формы и взаимного расположения узлов клети на параметры движения машины. Программа может быть использована для обеспечения требуемой линейности и положения оси клети. Получен алгоритм определения значений параметров регулирования при выставлении опор.

5. Получены аналитические выражения для нахождения зон сгущения собственных частот цепной разветвленной системы. Определены формы свободных колебаний и передаточные функции, связывающие усилия с возмущениями в наиболее нагруженных местах. Выявлено расположение частот возмущений в собственном спектре машины от режима движения.

6. Разработана компьютерная реализация динамической модели бронировочной машины. Численно подтверждена правильность полученных выражений для собственных частот и форм системы.

7. Выполнено моделирование динамических процессов с целью определения усилий в звеньях и уровня вибрации в зависимости от погрешностей изготовления и наладки при известных геометрических и упруго-инерционных параметрах.

8. Выполнено экспериментальное исследование для отыскания спектров собственных частот и частот возмущения машины. Адекватность модели подтверждается совпадением результатов расчетов с полученными при экспериментах.

9. Сформулированы рекомендации по выбору параметров машины, в частности: жесткости вала открутки, жесткостей ремней, точностей изготовления и выставления опор, допустимого дисбаланса люлек. В результате появилась возможность отстроиться от работы в резонансе.

Публикации по материалам диссертации

1. Л.А. Быченко, В.А. Терешин. Идентификация линейных статических объектов. XXXII Неделя науки СПбПТУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Ч. Ш. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. — С.133-134.

2. Л.А. Быченко, В А. Терешин. О методике выставки опор бронировочной машины/ Теория механизмов и машин №1(3). 2004. Том 2. Периодический научно-методический журнал. — С. 88-89.

3. Л.А. Быченко, ВА Терешин. Динамика многодвигательной бронировочной машины. ХХХШ Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов. Ч. Ш. СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2005. — С.120-121.

4. Л.А. Быченко, В.А. Терешин. Движение оси бронировочной машины/ Теория механизмов и машин №1(5). 2005. Том 3. Периодический научно-методический журнал. — С. 16-23.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать . Формат 60x84/16. Печать офсетная.

Уч. печ. л. КО. '. Тираж /00 . Заказ МО.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

/adivyö'

cjjfKiívryi Ii. _

4TÏ • 908

09 Ш 2005

Введение.

1. Общие сведения о технологии производства кабелей.

1.1. Краткие сведения о кабельном оборудовании.

1.2. Волоконно-оптические кабели.

1.3. Организация технологии изготовления кабельных изделий.

2. Исследование статических деформаций бронировочной машины.

2.1. Оценка статической деформации участка клети.

2.2. Исследование зоны контакта диска и опоры.

2.3. Плоская задача о движении оси. Выставление, опор.

2.4. Пространственная задача о движении оси.

3. Динамическое исследование бронировочной машины.

3.1. Обоснование выбора характеристики двигателя.

3.2. Движение центров дисков.

3.3. Динамическая модель машины.

3.4. Определение собственных частот и форм колебаний.

3.5. Частотные передаточные функции. Возмущающий момент.

4. Экспериментальное исследование бронировочной машины.

4.1. Исследование геометрии бронировочной машины.

4.2. Исследование колебаний токов двигателя.

4.3. Сравнение полученных результатов с теоретическим исследованием.

Новые возможности резкого повышения технико-экономических показателей кабельных линий связи открылись в 60-х годах прошлого века с изобретением лазерных источников излучения и оптического волокна. Преимущество оптических кабелей оказалось столь очевидным и значительным по сравнению с электрическими кабелями, что, например, за 10 лет с 1988 года, когда началось коммерческое использование первой подводной трансатлантической волоконно-оптической системы передачи ТАТ-8 [22], протяженность волоконно-оптических линий превысила протяженность всех проложенных под водой симметричных и коаксиальных кабелей за все годы применения. В нашей стране первые волоконно-оптические линии начали действовать на городских сетях связи в 1977 году.

Бронировочная машина является агрегатом производства оптоволоконного кабеля, в котором происходит навивка защиты на кабель и намотка его в рулоны. Основным параметром бронировочной машины является скорость движения кабеля. Несмотря на свои внушительные размеры, машина оснащена очень тонкой регулировкой и выполняет работу высокого класса точности при почти полной автоматизации протекающих на ней технологических процессов. Вопросам динамики машинных агрегатов посвящены труды И.И.Артоболевского, В.Л.Вейца, И.И.Вульфсона, Г.В.Крейнина, М.З.Коловского и других выдающихся ученых.

Бронировочная машина (рис.1) состоит из отдающего устройства 1, клети 8, механизма открутки (на рисунке не показан), привода машины 3, тягового 11 и приемного 12 устройства. Клеть состоит из нескольких параллельно расположенных дисков 4 (в данном случае — из девяти), закрепленных на полом металлическом валу 5, проходящем через их центры. Каждый диск, кроме первого опирается на два опорных катка 13. Люльки 6 с отдающими катушками закреплены между дисками в подшипниках. Сходящие с отдающих катушек проволоки 7 проходят через отверстия в дисках. Далее, мимо люлек с катушками следующих по движению изделия секции, они поступают к последнему диску клети, а затем к распределительному диску, который обеспечивает правильное взаимное расположение скручиваемых проволок перед входом их в калибр.

1 — отдающее устройство, 2 — жила, заготовка, 3 — привод машины, 4 — диск, 5 — главный вал, 6 — люлька с отдающей катушкой, 7 — проволока, 8 — клеть, 9 — гидрофобная ванна, 10 — лентообмотчики, 11 — тяговое устройство, 12 — приемное устройство, 13 — опора Рис. 1. Общий вид бронировочной машины

Открутка на крутильных клетьевых машинах производится с помощью механизма открутки, работающем от собственного привода.

Для непрерывного поступления кабеля внутрь машины с постоянной заданной скоростью и стабильным натяжением применяют отдающее, тяговое и приемное устройства. Во множестве трудов В.Л.Вейца, И.Ш.Бейлина и В.М.Меркина затронуты проблемы непрерывного поступательного движения различных лентопротяжных механизмов. Отдающее устройство предназначено для равномерного сматывания заготовки с барабана при постоянной скорости с постоянным натяжением. Для этого оно снабжено тормозным приспособлением, обеспечивающим постоянное натяжение заготовки. Для крутильных машин с вращающимися тяговым и приемным устройствами используют безынерционные отдатчики. Тяговое устройство обеспечивает поступательное движение изделия в машине с заданной постоянной скоростью. В основном применяют колесные и гусеничные тяговые устройства. Приемное устройство служит для приема изолированной жилы, готового кабеля или заготовки на барабан, катушку, бухту или контейнер.

В современном производстве оптоволоконных кабелей широко используются бронировочные машины зарубежных фирм, таких как «Скет» (Германия), «УНИТЕК Машиненбау - унд Хандвлс» (Австрия), «ГАУДЕР» (Бельгия), «ПРОТОН ПРОДАКТС Лтд» (Англия), «КВАЙНС ЭНД КО» (Германия), «Сикра» (Италия), «Хансон-Робертсон» (Швеция) и предъявляются все большие требования к скоростным характеристикам машин. При увеличении производительности возрастают вибрации, приводящие к снижению качества защитной оплетки волоконно-оптических кабелей и частым поломкам деталей бронировочной машины. Исследованиям колебаний в механизмах и машинах посвящены труды многих ученых, например И.М.Бабакова, В.И.Бабицкого, В.Л.Бидермана, М.З.Коловского, Н.И.Левитского, Я.Г.Пановко, В.А.Щепетильникова и др.

Основной целью работы является выработка и обоснование необходимых изменений и усовершенствований в конструкции машин, увеличивающих производительность и расширяющих технологические возможности, повышающих износоустойчивость и точность отдельных деталей, узлов, механизмов и продлевающих срок их службы, усиливающих слабые звенья агрегата, повышающих эффективность системы управления. Это можно сделать посредством создания адекватной физической модели и на ее основе исследовать математическую модель динамических процессов в бронировочной машине. В зависимости от выбранной дискретизации упруго-инерционных параметров одна и та же система может описываться различными динамическими моделями. Неоднозначность выбора упругой модели, адекватной исследуемым процессам, происходящим в заданных режимах работы, является одной из наиболее сложных проблем динамического анализа. Но более важным является создание методики получения простых и точных моделей, описывающих динамические процессы в широком классе бронировочных машин, используя их специфическую особенность — характерную регулярность структуры. Исследованиям динамических моделей цикловых механизмов и машин разветвленной и кольцевой структуры посвящены множество трудов И.И.Вульфсона. С помощью созданных моделей можно исследовать влияние различных факторов, таких как связь амплитуд усилий и деформаций с погрешностями форм и балансировки, расположение собственных частот машины в спектре возмущений.

В работе была поставлена и сформулирована задача динамического исследования бронировочных машин с регулярной разветвленно-кольцевой структурой. Разработаны типовые динамические и математические модели отдельных узлов и всей машины в целом. Разработана математическая модель положения клети машины на упругом основании и на'этой основе получена методика выставления опор на основе формирования матрицы коэффициентов чувствительности. Была создана методика динамического анализа бронировочных машин с регулярной структурой, включающая расчеты собственных частот и форм колебаний, а так же передаточные функции первого приближения, связывающие усилия в наиболее нагруженных местах с возмущениями. Получены зависимости возмущений от погрешностей балансировки люлек, неточности изготовления клети и выставления опор. Разработан алгоритм наладки и определены критерии точности изготовления узлов и балансировки люлек с целью улучшения динамических характеристик бронировочной машины. Полученные теоретические и практические результаты приблизили возможность создания отечественных высокопроизводительных бронировочных машин.

Выводы по аппроксимации: присутствуют колебания 3-х периодов (см. рис.4.2.3). Велик шум (около 2.5А по спектру), вследствие чего нет смысла делать точную аппроксимацию (прохождение кривой через все точки). Три гармоники из всех групп максимумов удовлетворительно описывают колебания (среднеквадратичная ошибка, приходящаяся на точку меньше погрешности измерения).

Аналогично рассматривается спектр двигателя открутки. Наблюдаются группы максимумов в спектре: группа 1 — гармоники 21 — 22, группа 2 — гармоники 39 — 43, группа 3 — гармоники 74-81. При этом наблюдается белый шум интенсивности 2А.

Результаты максимальных значений амплитуд, частот и фаз, полученных из программы для двигателя открутки, представлены в таблице 4.2.2. а, Гц 1гш> А Ф,рад 1

0.36 3.82 1.14 22

0.66 3.75 1.17 40

1.32 4.47 -1.33 79

Для аппроксимации применялись те же два метода. При этом были получены аналогичные результаты. В частности выбраны гармоники 22, 40, 79. При этом среднеквадратичная погрешность на точку равна 2. Выводы касательно точек, колебаний и аппроксимации совпадают с выводами, сделанными для главного двигателя.

Коэффициент пропорциональности между амплитудой колебания момента на валу двигателя и амплитудой колебания тока двигателя Н • м а = 8-(см. п. 3.1). Таким образом, можно получить график зависимостей А колебаний амплитуды движущего момента от времени (рис. 4.2.5)

Мт(0=а-1т(0. (4.2.4)

Рис. 4.2.5. Графики зависимости движущего момента на валу главного двигателя и двигателя открутки от времени

Анализ показал, что эти колебания существенные. Так номинальный момент на валу главного двигателя равен Мн = 200Н • м, а амплитуда колебаний составляет порядка Мт = 20Н • м .

Исследуя переменную составляющую момента приложенного к люльке (3.3.13), можно построить эту зависимость (рис.4.2.6) и сравнить с моментом на выходе двигателя открутки.

Мл, Н • м

Рис. 4.2.6. График зависимости переменной составляющей момента, приложенного к люльке со стороны привода открутки

4.3. Сравнение полученных результатов с теоретическим исследованием

В ходе диссертационной работы по изучению динамики бронировочных машин с регулярной структурой были созданы несколько динамических моделей. Были получены спектры собственных частот колебаний для конкретной машины, работающей на предприятии ЗАО

СЕВКАБЕЛЬ-ОПТИК». Так в динамической модели, где рассматривались жесткие валы открутки, были получены следующие собственные частоты машины:

X = (0.038 0.7723 1.3224 14.7)Гц, где нижний индекс показывает количество совпадающих в рамках данной модели частот.

Учет упругостей участков валов открутки, заключенных между дисками, привел к значительному усложнению модели. Решение этой задачи было осуществлено с помощью специально созданной компьютерной программы (приложение Д) и получены следующие собственные частоты (для случая, когда заполнены 24 люльки):

Х=(0, 0.Ц 0.5 0.704 0.74; 0.75, 0.7$ 0.82} 0.8^ 0.87, 0.8% 1.3^2 1.5УГц, где нижний индекс показывает количество частот отличающихся друг от друга не более чем на 1%.

Анализ показал, что оценка собственных частот на основе модели без учета упругости вала несостоятельна. Учет упругости вала открутки привел к расширению зоны сгущения собственных частот до 25%.

Экспериментальное исследование колебаний' токов в* двигателях позволило оценить реальные частоты колебаний машины при рабочей скорости 30 об / мин.

X = (0.36 0.66 1.30)Гц. Сравнивая численные результаты, можно получить следующие погрешности для каждой частоты:

ЭКСП

117 -X

ТЕОР

5,=

53 =

0.36-0.48

0.48 1.30-1.32

1.32

5 = |л Л"тах(ЭКСП,ТЕОР)

100% = 25%, 52 = 100% = 1.5%, 54 =

•100%, 0.66-0.88

0.88 1.30-1.56

1.56

100% = 25%,

100% = 16.6%

Для собственных частот погрешность расчетов составляет 25%. Таким образом, созданные динамические модели удовлетворительно описывают сложные процессы, происходящие в бронировочных машинах с регулярной структурой.

Заключение

В диссертационной работе была поставлена и сформулирована задача динамического исследования бронировочных машин с регулярной структурой. Разработаны типовые динамические и математические модели отдельных узлов и всей машины в целом; разработана математическая модель положения клети машины на упругом основании, учитывающая погрешности изготовления и выставления опор. Создана методика динамического анализа бронировочных машин с регулярной структурой, включающая расчеты собственных частот и влияние * различных конструктивных параметров на деформации звеньев и внутренние усилия. Получены аналитические выражения для нахождения зон сгущения собственных частот роторных машин указанного типа. Определены формы свободных колебаний и передаточные функции, связывающие усилия с возмущениями в наиболее нагруженных местах. Выявлено расположение частот возмущений в собственном спектре машины в зависимости от режима движения. Анализ показал, что машина работает в дорезонансном режиме и ее наименьшая собственная частота близка к рабочей частоте. Для увеличения рабочей скорости машины необходимо повысить ее собственные частоты.

С помощью динамических моделей было исследовано влияние различных факторов на амплитуды усилий и деформаций звеньев, что, например, дает возможность рассчитать силы натяжения в ремнях (которые на конкретной машине часто выходят из строя).

В ходе исследовательской работы были получены следующие критерии совершенства клети с целью улучшения динамических характеристик бронировочной машины:

1) ширина интервала резонансных частот должна быть' как можно меньше, так как рабочий режим машины находится в области близкой к резонансу. Она минимальна, если все люльки хорошо сбалансированы;

2) жесткости валов открутки и приводных ремней люлек следует повысить в 10 и более раз для увеличения низшей собственной частоты машины и рабочей скорости;

3) допустимые неуравновешенности люлек и погрешности выставления опор клети определяются нормированным уровнем вибрации машины. С этой целью в работе была разработана методика выставления опор.

Научные положения, выводы и полученные результаты, содержащиеся в работе, подтверждены положительными результатами экспериментальных исследований, которые хорошо согласуются с расчетами по предложенной методике.

120

1. 50 лет научно-исследовательскому, проектно-конструкторскому и технологическому кабельному институту. Очерки истории/ О. И. Горбунов, А. С. Ананьев, А. Н. Перфилетов, Р. П-А. Шапиро. — СПб.: Судостроение, 1999.— 168с.: ил.

2. Александров А. В., Потапов В. Д., Державин Б. П. Сопротивление материалов: Учеб. Для вузов. — 2-е изд. испр. —М.: Высш. шк., 2000.560с.: ил.

3. Андронов А. А., Витт А. А., Хайкин С. Э. Теория колебаний. — М.: Наука, 1981. —380с.: ил.

4. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1975.640с.: ил.

5. Бабаков И. М. Теория колебаний. — М.: Наука, 1968. — 559с.: ил.

6. Бабицкий В. И. Теория виброударных систем. — М.: Наука, 1978. — 352с.: ил.

7. Бабицкий В. И., Крупенин В. Л. Колебания в сильно нелинейных системах. — М.: Наука, 1985. — 320с.: ил.

8. Бидерман В. Л. Теория механических колебаний: Учебник для вузов.

9. М.: Высшая школа, 1980. — 408с.: ил.

10. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. — М.: Наука, 1980. — 976с.: ил.

11. Ю.Вейц В. Л. Динамика машинных агрегатов. Л.: Машиностроение, 1969.368с.: ил.

12. Вейц В. Л., Коловский М. 3., Кочура А. Е. Динамика управляемых машинных агрегатов — М.: Наука, 1984. — 332с.: ил.

13. Вейц В. Л., Кочура А. Е., Мартыненко А. М. Динамические расчеты приводов машин. — Л., Машиностроение, 1971. — 352с.: ил.

14. Вейц В. Л., Кочура А. Е., Федотов А. И. Колебательные системы машинных агрегатов. Из-во Ленингр. Ун-та, 1979. — 256с.: ил.

15. Вешеневский С. Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Изд. 6-е, исправленное. М., Энергия, 1977. — 432с.: ил.

16. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т./Ред. совет: В. Н. Челомей (пред.). — М.: Машиностроение, 1978 — Т. 1. Колебания линейных систем/ Под ред. В. В. Болотина. 1978. — 352с.: ил.

17. Вульфсон И. И. Виброактивность приводов машин разветвленной и кольцевой структуры. — Л.: Машиностроение, 1986. — 99с.: ил.

18. Вульфсон И. И. Динамические расчеты цикловых механизмов. — Л.: Машиностроение, 1976. — 328с.: ил.

19. Голуб Дж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления: Пер. с англ. — М.: Мир, 1999. —548с.: ил.

20. Динамика машин и управление механизмами: Справочное пособие/ Под ред. Г. В. Крейнина. — М.: Машиностроение, 1987. — 240с.: ил.

21. Каменев А. Ф. Технические системы: закономерности развития. — Л.: Изд-во «Машиностроение», 1985. —216с.:ил.

22. Кандидов В. П., Капцов Л. Н., Харламов А. А. Решение и анализ задач линейной теории колебаний. Изд-во Моск. ун-та, 1976. — 272с.: ил.

23. Кельзон А. С., Журавлев Ю. Н., Январев Н. В. Расчет и конструирование роторных машин. Л., «Машиностроение» (Ленинград, отд-ние), 1977. — 288с.: ил.

24. Колебания машин с механизмами циклового действия/ И. И. Вульфсон. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние , 1990. — 309с.: ил.

25. Коловский М. 3. Динамика машин. — Л. Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. — 263с.: ил.

26. Коловский М. 3. Исследование динамики установившегося движения машинного агрегата с упругим передаточным механизмом/ Машиноведение. — 1985. — №2. — с. 40-47.

27. Коловский М. 3. Методы расчета нелинейных виброзащитных амортизаторов. Диссертация. 1961 Москва.

28. Коловский М. 3. Нелинейная теория виброзащитных систем. М.: Наука, 1966. —317с.: ил.

29. Курс теоретической механики: Учебник для вузов/В. И. Дронг, В. В. Дубинин и др.; Под общ. ред. К. С. Колесникова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. — 736с.: ил.

30. Левитский Н. И. Колебания в механизмах: Учеб. пособие для вузов. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. Лит., 1988. — 336с., ил.

31. Левитский Н. И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1979. — 576с.: ил.

32. Лурье А. И. Аналитическая механика. — М.: Физматгиз, 1961. — 824с.: ил.

33. Марко Канту, Тим Гуч с Джоном Ф. Лэм. Delphi: ^Руководство разработчика. — М. «ЭНТРОП», 1999. — 752с.: ил.

34. Механика машин: Учеб. Пособие для втузов/ И. И. Вульфсон, М. Л. Ерихов, М. 3. Коловский и др.; Под ред. Г. А. Смирнова. — М.: Высш. шк., 1996 —511с.: ил.

35. Нелинейные задачи динамики машин. Вульфсон И. И., Коловский М. 3. Изд-во Машиностроение, 1968. — 284с.: ил.

36. Нелинейные задачи динамики машин/ Под ред. В. Л. Вейца. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1983 —336с.: ил.

37. Пановко Я. Г. Введение в теорию механических колебаний. — М.: Наука, 1971. —340с.: ил.

38. Плис А. И., Сливина Н. A. Mathcad2000. Математический практикум для экономистов и инженеров: Учебное пособие. — М.: Финансы и статистика, 2000. — 656с.: ил.

39. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том 2. Под ред. Д-ра техн. Наук проф. И. А. Биргера и чл.-кор. АН Латвийской ССР Я. Г. Пановко. Из-во Машиностроение, 1968. — 467с.: ил.

40. Рыбаков И. Ф., Шепелев И. М. Автоматизация производства кабелей, проводов и кабельных резин. М., Машиностроение, 1977 — 176с.: ил.

41. Теория механизмов и машин. Динамика машин: Текст лекций/М. 3. Коловский; СПб. гос. техн. ун-т. СПб., 1995. — 96с.: ил.

42. Троицкий И. Д. Производство кабельных изделий. Учебное пособие для СПТУ. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая шк9ла, 1988. — 240с.: ил.

43. Уравновешивание роторов и механизмов: (Сб. статей)/Под ред. В. А. Щепетильникова. — М.: Изд-во «Машиностроение», 1978. — 320с.: ил.

44. Физическая энциклопедия/ Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред. кол. Д. М. Алексеев, А. М. Балдин, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов и др. — М.: Сов. Энциклопедия. Т. II. Добротность — Магнитооптика. 1990. —703с.: ил.

45. Щепетильников В. А. Уравновешивание механизмов. — М.: «Машиностроение», 1982. — 256с.: ил.

46. Схема соединения дисков с основным валом15600