автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование и разработка методики расчета ... тяжелого типа с целью увеличения производительности машин бескольцевого кручения

/'• м У

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕН! ТЕКСТИЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ имени А.Н.КОСЫГИНА

на ирамах. рукош^л

ТУХТАБАЕВ аг1ДДШ

УДК С. ГХ£.2.Г-:Ъ

ИССЛЕДОВАНИЕ Я РАЗРАБОТКА КЪТОдаШ РЛ'ЛЕТД Ш'г.ТГ'Н ТШЕЛОГО ТИПА С ЦЕЛЬЮ УВЕЛГчаИИЯ ПРОЮгО.^ТГЕЛГ.ПХ;!! МАШИН БЕСКОЛЫЩБОГО КГУЧЕКУЛ

Спшу.элышсть 05.02.13 - Нэи:ины и агрогэты попсой

прожзлолностн

А В Т О I ЕФЕРАТ диссертации нз соиска.гио ученой степони кандидата тохлп'чосютх нарте

Москва -'1В93

Работа выполнена в Московской ордена Трудового Красного Знамени государственной текстильная академии имени А.Н.Косыгина

Научныа руководитель

дсистор технически! наук, профессор Попов Э.А. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кельзоы A.C.

кандидат технических наук . Щукин А.И.

Ведущая организация - НПО "ТЕКСХИЛЬМАШ", г. Москва

Защита состоится " г. в ^¿^асов на

заседании специализированного, совета К 053.ЗЬ.иЗ в Московской орцонэ Трудового Красного Знзмени государственной текстильной академии имопи А.Н.Косыгина по адресу: 117018, Москва, Донская ул., д.ЗУ, корп.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ШЛА.

Автореферат разослан " 2 » (M^UJL

iü'tü г.

Ученый секратарь сюциализированого совета fS&'ji Корнев Б.И.

Подписано в печать 15.06.92 Сдано в производство 16.06.92 Формат бушги 60 х 84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Уч.-изд.л. 0,75

Заказ 414 Тираж 90

Ротапринт МГТА, 117419, Москва, ул., Донская, 26

АННОТАЦИЯ

Диссертационная работа посвящена исследованию и разработке мотодики расчета веретен тяжелого типа с целью увеличения производительности машин бескольцевого кручения. Выбраны и обоснованы динамические модели для веретен двух типов, - с невращэющшея полым шпиндолем типа 0П-0070 и "с вращэющимся полым шпинделем типа 0П-0250 - применяемых на машине бесколъцевого кручения марки КБ.

Разработана методика расчета веретен тяжелого типа, выбрзч метод деформация (перемещений). В результате решения диффоренци-альпаго уравнения с учетом граничных условия на концах участка бэлхи и условия сопряжения двух участков, получены уравнения равновесия,из которых можно наяти собственные частоты колебаний, ро-акции в опорах и перемощения в сечениях шпинделя исследуемого веретена. Исследовано влияние основных параметров конструкции веретена на ого динамику; определены основные динамические характеристики веретен, предложены рекомендации по улучшению дтамкчос-ких характеристик веретен типов 0П-0070 и ОП-0250.

Аатор защищает:

- методики расчета динамических характеристик таретен с нов-рэщающимся полым шпинделем типа ОП-0070 и Бракующимся полым шпинделем типа 0П-О25О; »

- методику и результаты экспериментальных исследовании по определению статических и динамических неуравновешенностей вращающихся частей веретен ОП-0070 и 0П-0250;

- методику и результаты экспериментальных исследований по определению реакции в верхней опоре веретена 0П-СЮ70;

результаты экспериментальных исследования по определению мощности, потребляемой веретено«;

- аналитические зависимости, позволяющие на стадии проектирования выбрать конструктивные параметры и жесткостныо свойства опорной части веретен 0П-0070 и 0П-0250; '

- рекомендации по выбору оптимальных параметров конструкции веретен с учетом характеристик резиновых амортизаторов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

До недавнего времени доминирующая роль в производстве крученой пряжи принадлежала кольцевому способу кручоаия. Однако этот

способ считается исчерпаным, поскольку основным лимтфуюЕда узлом являотоя пара "кольцо-бегунок" и наличие баллона. Скорость с^гунка о праишивэннаатИ обычно не превышает 24-25 м/с, хотя в отдолъньтх случаях известно, когда она достигает 30 м/с. и более. Крема того, дальнейшее повышение скорости не может обеспечить

увеличения производительности труда из-за недостатков, присущих с.то!,:у способу кручения (совмещенность процэссов кручения ж -¡матки, прерывность процесса, ограниченность размеров выпуск-лих паковок и пр.). ч

В настояние время сравнительно широко применяется так назы-ьмлсыа дзухстадияныя (двухступенчатый) споооб кручения шггеа, яв~ ляюиуася универсальным для выработки крученых нитаи и прш; как из натуральных и химических волокон, так и из их смэсоа.

Сор.чяныа Быпуск оборудования для двухстадийного кручения пряжи сухим способам освоен в 1885-1ЬВ7 г.г. Швейцарским отдола-¡;юм "нйтг.е!".

Ташкентским СКБТМ совместно с ЦНИХШ разработаны и изготовлены троеттьно-крутильная максхна марки ТК и крутильная бесколь-извая машина марки КБ для сухого дзухстадааного способа кручения прята:. В настоящее время Ташкентский СКБТМ разрабатывает аналогичную систему для мокрот*' кручения пряжи.

Круга.чыгая бвекольцевая машина марки'КБ создана но аналогии Л КГ,уг.СЛ1П0Й бЭСКОЛЬЦЭВСа МаИЗШОЙ фИрШ . Дкя соблидэния

пэтчялиоа чистого на нзпше КБ примонены другие типы воротов -¡-.¡г,ото;;о с ц&ьрздмодиися полым шпиадалом'типа 011-0070 (для мокрого пг.гоба кручения пряжи) и ворвтопо с вращающимся полым шпивдр--ом типа 011-0250 (для сухого способа кручения пряжи).

Веретена рассчитаны для работы с паковками массой 1.5кг и о частотой вращения 12С00 мин~£ изготовлены под цилиндрический патрон, Эти воротона прюдставляюг собой сложную динамическую систему и отличаются от сучаствуацих серишшх понтон (таи ВН и др.),что но позволяет ь полной мор» воспользоваться результатами ранее проведенных исследовании в области динамики веретен и требуят рассмотреиип ряда кодостаточно изученных вопросов. В частности, это вопросы, связанный с наличием упругих опор шпинделя и упругой подвески корпуса веретена на раме машины." Необходимость исследования динамики ^¡хлеи типов 0П-0070 и ОН-0250 обусловлена ощо и том, что I I паьышшм рабочих частот пращ-зния и увеличения кассы паковэк возможно проявление новых резонансных зон, уводичояиз

вибраций и повышение динамических нагрузок в опорах шпинделя. Поэтому, в связи с задачей повышения рабочих частот и увеличения"* массы паковок, возникает необходимость теоретического и экспериментального исследования динамики веретен тяжелого (нового) типов 0П-0070 и 0П-0250.

. Цель и задачи исследований

Цель работы - разработка обоснованной методики расчета и проектирования тяжелых типов веретен, поиске конструктивных параметров, обеспечивающих снижение интенсивности колебаний проектируемых веретен.

Основными задачами настоящей работы-являются:

1. Анализ существующих конструкция веретен на двух шарикоподшипниковых опорах с целью обоснованного выбора динамических моделей и разработки методики расчета и проектирования веретен тяжелых типов 0П-0070 и 0П-025С).'

2. Теоретические исследования динамики веретен с невращающимся полым шпинделем типа 0П-0070 т с вращающимся полым тпипдэ-лем типа 0П-0250.

3. Экспериментальные исследования статической и душамичоскоя неуравновешенностей вращающихся частей веретен ОП-0070 и 0П-0250, реакции в верхней опоре веретена, с невращающимся полым шпинделем типа 0П-0070 и мощности» потребляемой веретеном.

4. Теоретическое исследование влияния конструктивных (для веретен типа ОП-0070) и жесткостных (для веретен типа 011-0250) параметров' на их динамику и разработка рекомендация по выбору их оптимальных величин. '

Научная новизна

В результате выполнения диссертационной работы автором впер-'

вые:

- разработаны с испольэова! ;ем метода перемещений методики' расчетов динамических характеристик веретен с невращающимся полым шпинделем типа 0П-0070 и с вращающимся полым шпинделем типа ОП-0250;

- исследованы на ЭВМ собственные частоты колебания веретен и определено влияние на их значения жесткостных и инерционных параметров системы;

- найдена аналитическая зависимость, позволяющая выбрать, на стадии проектирования веретена жесткостные свойства опорной части

системы;

v - разработана методика проведения эксперимента по определения реакции в верхней опоре веретена 0II-ÜU7D;

- разработана конструкция стенда и проведены с его использованием экспериментальные исследования по определению собственных частот колебаний веретен типов ÜH-ÜU70 и ОП-ОЛБО.

Практическая ценность работы

Определены ос ;вные конструктивные параметры для веретен 0I1-CJ07Ü и Oil-OübO, обеспечивающие устойчивую работу машин при скиристях до 12йиимин_-!- для веретен типа 0II-U07U и до ЗООООмин-1-- длн ееротон типа 0П-0250, т.'е. повышение производительности оборудования в 1.2 - l.b раза и качества продукции.

Основные результаты работы используются Ташкентским СКБТМ и МГТА им. А.Н.Косыгина.

Апробация работы

Основноо содержание диссертации доложено и получило положительную сменку:

- на заседании кафедры проеетирования текстильных машин MIT А им. А.Н.Косыгина, г.Москва, 1992 г.;

- Ташкентским СКБТМ, г.Ташкент, 19У2 г.

Объем работы

Диссертация состоит введения, трех глав, общих выводов, рекомендации, библиографии из 47 наименовании, приложении и изложена на 119 страницах машинописного текста, 34 рисунков, 1В таблиц.

Обдан методика исследований

Для решения поставленных задач в работе проведены теоретические и экспериментальные исследования. Теоретической основой исследовании явились работы советских и зарубежных ученых.

Экспериментальные исследования выполнены на кафедре IHM МГТА им. Л.Н.Косыгина, а такие в научно-исследовательской лаборатории Ташкентского 01 Л'М.

При обработке результатов экспериментальны*,данных использованы методы математической статистики. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, использованы фундаментальные положения .теории колебаний и теории проектирования- машин текстиль-, ной и легкой промышленности. Достоверность теоретических выводов

определялась путем сопоставления их с результатами экспериментальных исследования,

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены основные задачи текстильной промышленности, в частности крутильного производства, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе приведена к эссифшсация крутильных устройств текстильных машин в зависимости от типа перерабатываемых волокон, дэны описания конструкции веретен на двух шарикоподшипниковых опорах, характеристики и описание конструкция горэтеи тк:-келого типа 0П-0070 и 0П-0250, применяемых на крутильной бескольцовсй машине марки КБ, входящей в комплект машин двух гадийного кручения.

Представлен обзор работ по исследованию динзговси высокоскоростных узлов современных текстил..яых машин и поставлены задачи исследования.

Вопроси динамики роторов рассмотрены в значительном чи^л-работ выдающихся ученых-механиков; нашли свое отражен:».? в трудач ученых и исследования быстровращзюыихся узлов текстильных мига, в частности, разработана теория полужесткого шпиндоля. Ряд работ посвящен исследованию динамики веретен текстильных машин. К танин работам относятся работы М.Я.Кушуля, А.П.Малышева, А.Н.Макарова, • Я.й.Коритысского, А.С.Квльзоиа, Э.А.Попова и др.

Однако увеличение скоростей и массы выходных паковок при переработке различного рода волокон вызывает необходимость дальнейшего изучения вопросов вибрации веретен.

В связи с вышеизложенным в конце главы сформулировапы задачи исследования, которые приведены ранее.

Вторая глава посвтцена обоснованию динамических моделей веретен с вращающимся и с извращающимся полкм шпинделем типов ОП-0070 и 0П-025С) соответственно и содержит результаты их теоретического исследования.

Основным вопросом при обосновании динамической модели веретен типа 0П-[Ю70 и 0П-СЙ50 явился выбор расчетной схемы шпинделя.

Проф. Поповым Э.А. пропложена - с использованием известного метода деформаций (перемещений) - методика расчета динамических характеристик наиболее массовых изделий текстильного маиинострое-

ния - веретен. Эта методика и принята за основу при проведении теоретических исследований веретен тяжелого типа.

Расчетная динамическая модель веретена с невращающимся полым шпинделем типа 0П-0070 приведена на рис.1. Нижняя часть шпинделя 1 закрепляется на веретенном брусе машины при помощи стакана 5 и резиновых втулок с жесткостью Ki и К|, играющих роль амортизаторов. Блочек 3 жестко закреплен на нижнее части насадки 2, а наконечник 4 - при пог щи трех стопорных винтов - в верхней части насадки. Насадка в etíope через опоры качения установлена на шпинделе. Благодоря тому, что радиальные подшипники допускают относительный поворот внутреннего и наружного колец, в дальнейшем будем полагать, что в опорах п и ш насадка закреплена шарнирно на неподвижном шпинделе. Так как насадка имеет значительно большую изгибную жесткость чем шпиндель, в дальнейшем ее можно принять за абсолютно жесткое тело, а опорную часть шпинделя считать гибкой.

В качестве узлов (в дальнейшем узлы обозначим буквой К) выберем: к.лобою <левую на рис.1) и верхнюю опоры шпиндоля, нижний и верхний подшипники насадки. На рис. они обозначены соответственно 0, i, 11, ni ib нашем случае число узлов К=4).

Силы, действующие на шпиндель со стороны насадки, имеющей статическую и динамическую неуравновешенности, рассчитываются по формуле:

Pi = -Jtúty + В Ojf^/ * Cu)*{ , U) ■ Рл = Bu)tytiüty« i- Ей)*, { 3 }

*(WS.(иЭД^. <3 >

ЗЬЗэ+Тпй,

ITljJa^á - масса и моменты инерции. насадки;^- расстолька

от центр тяжести до верхней опоры насадки;fo- расстояние

Модель'веретена 0П-0070

Рис. I

менаду опорами насадки; и £ - характеристики статической и динамической составляющих 001ДИХ ноуравновешенностей насадки.

В формулах (3) и (4) учтены статическая (£) и динамическая (£") неура новошенности, которые представляют собой амплитудные значения от этих неуравновешенностоя.

Пользуясь формулами 41) и (2), по известным шремошэниям в узлах 11 и ; 11 У1 и У2) можно подсчитать нагрузки в опорах шпинделя. . Воспользовавшись уравнениями равновесия

% и-П/нЩн у^М*;

( 5 )

и учитывая силы упругости опорной части шпинделя и силы Рх и Рг ! была получена система восьми ди^эронциэлышх уравнении дтя всех четырех узлов.

Представляя систему уравнений в матричной форме и решая с-ё, с применением ЭЬМ, для параметров исследуемая системы, найдем собственные частоты колебания (табл. 1) для вариантов работы ьорео-ен-з без паковки, с катушкой и с паковкой массой 1.5кг.

Г яб лиг 1а 1

йесткость огпр вала И / м п 2 10-

Вариант работы веретенз паковки Творог Экспрр 0 кату '¡.''-орет шкой ^К'-'пер С паког Теорет кой Экспер

' РЭД/с 182 1442 164 147 1377 1411 123 1332 1

Полученные расчетные значения первой частоты собственных колебании хорошо согласуются с экспориментэ.пгными данпми (таб.т. 1), что свидетельствует о достав© рн.^ти выбранной даивмичелом модели. Анализ результатов расчета показал, что рабочая частому исследуемого веретена с паковкой, оостэкляюдзя 12Е:7 рэл/с, близко

находится от резонансной области, соответствующей второй собственной частоте системы (см. табл. 1), что свидетельствует о высоком уровне виброаюивиости данного ворзтонз в зоне рабочих частот.

С цэлью отстройки собственной частоты от рабочих частот колебаний' системы варьировались соотношениями размеров/^ и^(см. рис.1). Такой подход дает возможность с меньшими затратами, связанными с изменениями конструкции поротона, добиться желаемого результата. Найдены такие соотношения размеров ^и< «70мм, 4=50мм и^=80им ,4=Б0мм). при которых , собственные частоты колебании системы удалены от рабочей частоты, з реакции п опорах значительно уменьшены.

Для отой ка машины (для сухого двухстадийного способа кручения) разработаны и изготовлены веретена с вращающимся полым шпип-делем типа 0П-0250. Проьодоно исследовэнио - динамики вэротеи с вращающимся полым шпинделем. Динамическая модель веретена 0П-0250 приведена на рис. 2. Расчетная схема дана на рис. 3, где . кроме приведенных сил, действующих на шпиндель, указаны также узлы (арабскими цифрчми) и участки (римскими цифрами).

Воспользовавшись зависимостями (5) и учитывая приведенные силы (рио. 3), получена система .поепти дифференциальных уравнения для пяти узлов системы.

Для этой системы с примененном ЭВМ осуществлено числетшое решение уравнений для случаев работы воротена без паковки, о катушкой и с паковкой массой 1.5кг. Теоретические и ¡экспериментальные значения собственных частот колебаний веретена ОП-ОЬБО приведены в табл. 2.

По найденным перемещениям в умах 0 и- 2 (¡.здизльныо и угловые) дон соответствующих рабочих частот определены нагрузки з нижней Рс н и в верхней Рд опорах по следующем формулам:

Ро,к = -{1~ 1Ус-Кк)Кф +1 <Ч&-КкК«*п Ун+п1 ( 6 )

Гда +Кк+п¿г ( а )

Анализ результатов расчета показал, что при определении собственных частот в исследуемой системе имеется парциальная частота (Ц«155.1 рад/с), которая фактически явл»отся _собственной

- 12 -Модель веретена Cffl-0250

Рис. 2

•

частотой корпуса веретена на упругое подвеске к долина быть •/.•:;-* клкпэна из апеюра собственна! частот. Согластно расчетам, ¡¿со четире собственные частоты достаточно удалены от диапазона рабочих частот.

Таблица Я

Жесткость опор вала К1--К2, Н/м 5 3.27-10 а

Угловая швоткость Нм/рад 2-10 3

Вариант работы веретена Без паковки С катушкой 0 тгог.коя

Теорет Зкспер Георет Зкспер Теоре Зкспер

Парц. частота 154.0 - 154.9 - 1Б4.9 -

О)! рад/с 59.1 - 54.7 - м -

и)г 140.5 146.6 131.1 130.9 123.1 120.1

СО, 155.1 - 155.1 - 155.1 -

и)ч 500.4 - 572.8 - вез. 4

сох 1587.3 - 1485 - 1463 -

Исследовано влкянга параметров кэлструвдм геротона яа ого динамику, при зтсм изучалось влппдио шсткостпшс параметров и;: критически» скорости, а таю» ка ампяггудо колобапиг и реакции ь опорах шпинделя при работе веретена с пакрг.кся на частоте £¿>=1275 рад/с. Наядепы тагсио жесткостныо ппр^г/.этрп, при которых в перспективе рабочую частоту можно довести да и>р -2075 рад/с.

В третьей глзво представлены методика и {¡озультаты экспериментальных исследования динамических характеристик веретен типов 0П-0070 и 011-0250. Исследовались:

- характеристика жесткости резиновых амортизаторов;

- дипам;ггоская неуравновешенность веретен без паковки и с пакавкоя;

- реакция в верхней опора веретена ОП-С070;

- сзйсгБоша.,;, частоты веретен 011-0070 и ОЬ 0250.

. Были опродолены экспэримонтально фиоичсскио порпмвгры вере-

Рс

о*

Расчетная схема шщипрля веретена 0П-0250

Рг / й

2 I'

Р3,к+Рз

3

IV

2,

1

е,

4

Рис. 3

Л

тон, потребляемая ими мощность.

Установлено, что динамические характеристики веретен типов 0П-0070 и СШ-0250 удовлетворительно согласуются с величинами, найденными теоретическим путем.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Составлены дифференциальные уравнения для веретеп с невращаю-щимся полым шпинделем типа 0П-СЮ70 и вращающимся полым шпинделем типа ОП-0250, позволяющие на стадии разработки выбрать конструктивные параметры, обеспечивающие снижение интенсивности колебания проектируемых веретен. ,

2. Результатами динамических характеристик веретена 0П-0070 установлено, что в существующей конструкции нерационально выбраны соотношения' размеров^и^( см. рис. 1). Так, при работе веретена .с паковкой рабочая частота £¿^=1257 рад/с близко находится от второй собственной частоты системы 1X^=1332 рад/с.

3. Найдены значения_ расстояний между упругими опорамийи от верхней упругой опоры до нижнего подшипникапри которых собственные частоты системы лежат на достаточно безопасном удалении от рабочего диапазона частот и значительно уменьшаются величины реакций в опорах. Так, при наличии паковки и при и) =1257 рад/с, величина 88.ЗН - уменьшилась в 3 раза, а /£-3.8Н - в 13 с лишним раза. •

4. В результате расчета - для веретена 0П-0250 - установлено, что значения собственных частот системы лежат на достаточном удалении от диапазона рабочих частот. Первые три резонансные частоты не приводят к изменению формы упругой линии вала.

5. Для веретен типа ОП-0250, при варьировании жесткостньми пара-

метрами К у. Л», и Ал, найдены еще даа варианта - ^-2-10° Нм/рад, К| =Кг= 2-Ю6 Н/м и нм/рад, /Г, =Л'1=2-10? Н/м - которые

можно использовать в перспективе при рабочих частотах сОр =2075 рад/с.

6. Для снижения потребляемой мощности, при окончательной доработке конструкции, м«жно рекомендовать для веретена 0П-0070 неподвижный кожух с крышкой. Применение крышки снижает потребляемую мощность: при /7* =8000 мин-1 на 9 Вт, /7*-9000 мин-1 на 18 Вт, Я/=10000 мин-1 на 23 Вт, /7^=11000 мин1 на 33 Вт, /7/=12000 мин-1 на 40 Вт. ,

РЕКОМЕНДАЦИИ

1. При разработка новых и модернизации существующих кс :гструкции веретен типов 0П-0070 и 0П-0250 рекомендуется использовать предложенные в диссертации модели и методики расчета основных динамических характеристик с применением разработанных в -диссертации программ расчета на ЭВМ.

2. Для обеспечения устойчивой работы веретена типа 0П-0070 при частоте вращения 10-125? рзд/о о паковкой масооп 1. Б;сг, рекомендуется брать следующие соотношения размерив (см. рис.. 1):

I, =70 мм, ¿г =50 мм; С =80 мм, /г =50 мм.

3.. Для увеличения частоты вращения веретена типа 0П-025С) с паковкой массой 1.5кт, Ц^-2075 рад/с (перспективный вариант), рекомендуется использовать слодующда коэффициенты жесткости: «V =2 ■ 105 Нм/рад, К, - & =2 • 106 Н/М и К^г-Ю8 Нм/рад, 1(, = Кг=2-107 Н/м.

Основное содеркание диссертации опубликовзно в работах:

1. Тухтабаев !0. Определение мощности, расх одуемой на вращеюю веретен машины ¡СБ. -Деп. ЦНШТЭИлвгпром № 664 -МЛ от 01.10.86 г. •

2. Попов Э.А., Картовенко В.М., Тухтабаев Ю. Классификация и сравнительный анализ конструкций веретен на двух шарикоподшипниковых опорах. Деп. ЩШТЭЯк лтром № 340 -ЛП от 04.11.81 г.

3. Тухтабаев Ю., Бзлакин В.Е., Сабиров М.Н. Устройство для измерения крутящего момента. Подана заявка на изобретение (получено положительное решение за Л 4896795/10 (109549) от 27.09.91 г.)