автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Механизм для обеспечения заданных параметров движения рабочих органов

на правах рукописи

Белякова Светлана Анатольевна

МЕХАНИЗМ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ

050202 - машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 2004

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете

Шутаьш рукотодигеда кандидат технических наук,

доцент Синенко Евгений Григорьевич

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор Козлов Владимир Игоревич

кандидат технических наук,

доцент Меновщиков Владимир Александрович

Ведущая организация ФГУП ЦКБ «Геофизика»

СО

Защита состоится «Р9» ¿//&//Я 2004 г. в /0 часов на заседании диссертационного совета К212.098.01 при Красноярском государственном техническом университете (КГТУ), по адресу:

660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, аудитория_.

тел.(8-3912) 49-79-90; 49-76-19 факс (8-3912) 44-19-60 e-mail: svk@fivt.krasn.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим высылать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан 2004г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К.212.098.01 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В различных областях промышленности и в быту применяются технологические процессы, связанные с перемешиванием различных компонентов. При этом используются механизмы с различными типами движения рабочих органов: 1) рабочий орган располагается по оси емкости и совершает вращательное движение; 2) рабочий орган располагается на оси сателлита планетарного механизма и совершает сложное вращательно-вращательное движение; 3) несколько рабочих органов располагаются на сателлитах разного диаметра, а также на водиле планетарного механизма и совершают сложное вращательно-вращательное движение.

Первый тип механизмов достаточно хорошо изучен как с точки зрения движения смешиваемых компонентов, так и определения силовых характеристик, а так же определения мощности привода.

Второй и третий тип механизмов совершенно не изучены. При проведении литературно-патентного поиска не было найдено ни кинематических, ни силовых расчетов этих механизмов. Так же не обнаружено исследований, посвященных влиянию сложного движения рабочих органов на качество перемешивания, хотя было найдено 20 критериев оценки качества получаемой смеси. А также не проводилось сравнения этих механизмов с механизмами первого, достаточно изученного, типа.

Поэтому работа, направленная на создание методик расчета механизма создающего сложное движение рабочих органов, является актуальной.

Целью работы является разработка и исследование эксцентричного механизма с заданными траекториями движения рабочих органов, который может быть использован для смешивания жидких (эмульсий) и сухих сред.

Основными задачами работы являются:

1. Разработка эксцентричных механизмов, основанных на принципе сателлитного механизма с сателлитами разного диаметра, обеспечивающих заданные движения рабочих органов.

2. Разработка методик определения геометрических и кинематических параметров эксцентричных сателлитных механизмов.

3. Разработка кинематических зависимостей для определения траекторий движения рабочих органов (мешалок), закрепленных на сателлитах.

4. Силовой анализ эксцентричного планетарного и дифференциального механизмов и определение их к.п.д.

5. Разработка и создание универсального стенда механизма, а также экспериментальное определение кинематических и силовых характеристик эксцентричного дифференциального механизма и оценка его эффективности.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Разработаны схемы эксцентричных планетарных и дифференциальных механизмов с сателлитами разного диаметра, позволяющие получать на рабочих органах заданное движение.

2. Разработана методика расчета эксцентричного механизма, позволяющая определять геометрические и кинематические параметры.

3. Разработана методика расчета эксцентричного механизма, позволяющая обеспечивать заданные параметры движения рабочих органов, на этапе его проектирования.

4. Разработана методика силового расчета эксцентричного механизма с сателлитами разного диаметра, позволяющая получать параметры механизма исходя из заданных траекторий движения рабочих органов.

5. Получены зависимости, для определения к.п.д. эксцентричных исполнительных планетарных механизмов, с учетом схемы их нагружения.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные схемы эксцентричных планетарных и дифференциальных механизмов, обеспечивающих заданное движение рабочих органов, могут быть использованы для перемешивания жидких и сухих смесей по различной технологии, а разработанные методики позволяют определять геометрические, кинематические и силовые параметры этих механизмов, и являются предпосылками к созданию инженерных расчетов.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию города Красноярска» (Красноярск, 1997); на научно-практической конференции «Достижения науки и техники -развитию города Красноярска» (Красноярск, 2003); на кафедре ТиКМС КГТУ в 2004г., на научном семинаре по специальности 05.02.02 (Красноярск, 2004). По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Реализация результатов исследований. Изготовленный многоцелевой стенд и компьютерные методики анализа и синтеза позволяют в кратчайшие сроки провести исследования с конкретными смесями и дать рекомендации для конструирования и эксплуатации эксцентричных смесителей. Материалы диссертации используются в учебном, процессе при теоретическом изучении курса ДМ и ТММ, а также при выполнении курсовых и дипломных проектов. Некоторые материалы переданы для внедрения на предприятие «Сибволокно» и в УЖКХ г.Зеленогорска. Документация на эксцентричный дифференциальный привод смесителя внедрена в производство лакокрасочных материалов на «Костромском заводе автоматических линий и специальных станков».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и основных выводов, изложена на 160 страницах машинописного текста. Содержит 64 рисунка, 29 таблиц и 4 приложения. Список используемых источников содержит 126 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, поставлены цели и определены задачи исследования. Сформулированы научная новизна и практическая значимость работы.

Первый раздел посвящен анализу объектов исследования, рассмотрены смесители одно и многомешалочные, применяемые в химической и пищевой

промышленности, работающие с сухими, и жидкими, компонентами. Рассмотрены механизмы, обеспечивающие различные типы движения рабочих органов (мешалок) и их приводы. Поставлена задача исследований.

Механическим смесителям и перемешивающим устройствам, используемым в промышленности посвящены работы, авторами которых являются Холланд Ф., Чапман Ф., Васильцов В.А., Ушаков В.Т., Лисовенко А.Т., Макаров Ю.И., Сигал М.Н., Стенк Ф., Щербачек 3. и др. Исследованиям смесителей со сложным движением рабочих органов посвящены работы Бахтюкова В.М., Торубарова Н.Н., Лурье Б., Отто Ф. и др.

На основании проведенного анализа определено, что различие в структуре смешиваемых материалов и технологий смешивания требует большого количества смесителей различных конструкций. При этом, смесители создающие сложное движение рабочих органов, расположенных на подвижных звеньях механизмов, изучены недостаточно. Не было найдено методик определяющих кинематические и силовые характеристики этих механизмов, что и определило цель и задачи настоящего исследования.

Во втором разделе приведены исследования кинематики эксцентричных планетарных и дифференциальных механизмов, создающих сложное движение рабочих органов. Введен теоретический коэффициент посещаемости. Выбраны наиболее оптимальные схемы механизмов и исходные параметры для проектирования экспериментального стенда.

Для ликвидации неопределенности движения при одном входе и двух выходах было остановлено относительное вращение одного из центральных колес, что дало ему возможность переносного вращательного движения либо с помощью двух взаимно перпендикулярных направляющих, либо нескольких пальцев, закрепленных на центральной шестерне и совершающих круговое движение в отверстиях неподвижной плиты (схемы 1, 3 таблицы 1). Другой вариант контроля движения одного из центральных колес - зацепление его с неподвижной шестерней, концентричной с колесом входа (схемы 2, 4, 5, 6 таблицы 1). В этом случае получаем еще и вторую ступень редуктора,

обеспечивающую медленное вращение ведомого центрального колеса. Возможна группа вариантов исполнения механизма при двух входах и одном-выходе (схемы 7, 8 таблицы 1). Варианты исполнения механизмов сведены в таблицу 1. Всего получено восемь схем эксцентричных механизмов, из которых шесть представляют собой планетарные механизмы (схемы 1—6 таблицы 1) и два - дифференциальные (схемы 7, 8 таблицы 1). В столбце «Траектория» показаны траектории концов мешалок закрепленных на сателлитах 1, 2 и 4. При необходимости возможно крепление рабочего органа и на колесе 3 (схема 2).

Рассматривая таблицу 1, хорошо видно, что траектории следующего цикла не накладываются на предыдущие. Это позволяет ликвидировать «застойные зоны». Достигается данный эффект подбором размеров сателлитов, дающих дробные передаточные отношения между сателлитом и водилом.

Для определения траекторий движения концов мешалок, прикрепленных к подвижным звеньям механизма, использовано моделирование на компьютере, которое позволяет визуально наблюдать траектории движения лопаток различных схем механизмов и отбросить заведомо непригодные, что дает возможность резко сократить количество механизмов для экспериментальной проверки. Из полученных схем оптимальными были признаны схемы 4 и 7, при этом схема 7 рассматривалась в трех вариантах: при остановленной короне (юз = 0), при движении короны и водила в одну сторону (щ = 2 а>н) и при противоположном направлении движения короны и водила

На основании схем 4 и 7 был создан экспериментальный стенд. Ниже представлены формулы построения траекторий движения концов мешалок (рабочих органов) для схемы 4 (рисунок 1), а также формулы углов поворота колес.

Хщ = е • cos <рн + Г1л- cos <pi Х2„ = (г, - е + r2)cos фн + г2л- cos <р2 ' Yi„=e • sin <рн + rLl- sin <f>i Y*, = (r, - e + r2)-sin cpH + Гь- sin (p2

ГО)

Хзл = Гз„ • COS фз Узл = Гзл- sin«p3

Х4л = (n + е + r4) cos фн + г4л- eos «р4 Y4l = (ri + е + r4) sin фн + IV sin <р4

Таблица 1 - Схемы механизмов смесителей

№ схемы Звенья Неподвижные СХЕМА ТРАЕКТОРИЯ

§ X ел о X 3 « в «ч о о 3 ■п Л

1 г, н 0, Он Плита / 2 "V \ ' > 0. 1 \ ^ '1 / оуо. / • л Г ■ ■ • \ ^/тъ

2 г, Н г3 0, Он 0, г5 а2—V \\-'3 'У 5 У/4^». О, ' \ о.-Л—о. / / / / о. I У / ' ' 1 1 Шг л 3$

3 н ъ, 03 Он Плита п / 2-Л \ 5 >> о> \ \ 1= [1 У- ^ / - 4 / ¥ в

4 г3 н ъ1 03 Он 03 г3 1 5— V 3 0. 1 \ 1[ [£ у--у! 4 / •

Продолжение Таблицы 1

г,

при Г|=Г,'.

Рисунок 1

Разработана методика анализа эксцентричного механизма в основу которой положен, введенный автором коэффициент посещаемости к,. Этот коэффициент определен как отношение длины пути, пройденной лопастью лопастной мешалки (или точкой наружного радиуса шнековой мешалки) за цикл работы мешалки, к площади зоны зеркала емкости посещаемой мешалкой-

*,=2р,[1/мм]. (3)

Теоретически длина пути, пройденная концом мешалки, определена методом цифрового интегрирования по формуле Симпсона:

г.

Располагая программами вычерчивания траекторий движения мешалок и, соответственно, координатами. х, и у, мешалки I в любой момент времени, формулу Симпсона решаем методом Рунге-Кутта в виде:

1де - ДС„ - приращение траектории ¡°" мешалки в зоне между положениями j и (¡+1)-

Сформировав подпрограмму к программе вычерчивания траекторий, рассчитываем длины траекторий с разложением на зоны зеркала сосуда. Просчитав длины траектории концов мешалок за цикл, получим путь мешалок в наружной и внутренней ОХг) зонах. Результаты расчетов сведены в

таблицу 2, при ситуации, когда мешалки закреплены на сателлитах 1, 2 и 4. За наружную зону считаем зону зеркала, ограниченную диаметром сателлита 4. Сравнивая отношения по вариантам, отмечаем, что последний вариант соз=1,47сон (схема 4) дает одинаковый коэффициент посещаемости в обеих зонах. Хорошие показатели дает и схема 7 при о>з = 2-сон. Да и траектории движения мешалок (см. таблицу 1) больше напоминают- движение руки человека при перемешивании.

Таблица 2 - Определение коэффициента посещения по зонам зеркала сосуда

Передаточ. отношение привода схемы Суммарный путь мешалок в зонах, мм - Коэффициент посещаемости Отношение квн Л^нар

наружн. У.е, внутрен. 112 наружн. к, внутрен. к.

Из = 0 7а 507 490 0,054 0,185 3.42'

©з = 2 сон 7Ь 983 383 0,104 0.149 1.43

Шз = - <йН 7с 1063 1088 0,113 0.412 3.65

сй3=1,47£йн 4 506 142 0,054 0,054 1.0

На основании кинематического анализа и коэффициента посещаемости были отобраны схемы механизмов оптимально отвечающие поставленной задаче.

Третий раздел посвящен разработке методики силового расчета эксцентричных планетарного, дифференциального и замкнутого дифференциала механизмов, а так же определению К.П.Д. этих механизмов.

Разработана методика силового анализа эксцентричных планетарных и дифференциальных механизмов с сателлитами разного диаметра, обеспечивающих заданное движение рабочих органов. В автореферате представлен анализ схемы 4 - планетарного механизма.

Из силового анализа эксцентричного планетарного механизма(рисунок 2) можно определить усилия в опорах сателлитов (6), реакции в зацеплениях (7), реактивный момент на неподвижном колесе 5 (8) и движущий момент на короне 3 (9):

Р -Р -М±2-.7Р Н2 12 "И >

Г,

р =р 2Р

ГН4 ГС4 Ы *

Г/

Р =(Р .Ми).___

п-п + (р ^ (г,-г,) (М„

г4 2(г3 -'•«) П

(6)

Мг

м,

2г,

Ри^^Гш+Г*)-*-^. Р'> = Рнх + РС1 :

I

(7)

(9)

Для проверки правильности разработанной методики силового анализа воспользуемся методом «рычага Жуковского» (рисунок 3), при этом моменты представим в виде пар сил:

т.к. М}=2Р}-г}, то окончательно получим величину движущего момента на короне 3:

р .!к+р ма г, мС1 У, мСА

а У а " ^ Ул 2 гх УА 2 гг и, +1}+ 2Г4

(10)

О Рз'

Рисунок 3

После подстановки радиусов колес и величин скоростей, получим окончательные формулы движущих моментов на короне 3, по предложенному силовому анализу - (11) и методом «рычага Жуковского» - (12):

М,-

М А4 М

0,143-ЯС1 +ОМ-РС2+0,5-Рсл + 0,148 •—2- + 0,648 • -—£2- + 0,5 • -Но.

Г1 гг г*

(12)

Сходимость формул позволяет убедиться в надежности предложенной методики силового анализа и возможности ее применения для конструкторских расчетов шестерен, осей и подшипников эксцентричных планетарных и эксцентричных механизмов, обеспечивающих сложное движение рабочих органов.

Анализируя, представленные в работе механизмы следует отметить, что потоки энергии от двигателей являются последовательно-параллельными. Причем для разных схем распределение потоков различно. Поэтому приходится раздельно определять к.п.д. для эксцентричных планетарного и дифференциального механизмов, а также замкнутого дифференциала.

Определение к.п.д. для каждого сателлита можно вести индивидуально, для чего была разработана методика для схемы 4, основанная на положении, что сателлиты имеют разные диаметры. Используя ее, определили частные к.п.д.:

После вычислений получили т|3)=0,954, Т|32=0,966 и ц3,1=0,963.

Сравнивая значения частных к.п.д., отмечаем, что они находятся в пределах 0,97-0,954. Общий к.п.д. эксцентричного планетарного механизма будет равен 0,96, что удовлетворительно.

Сравнение полученных нами формул определения к.п.д. для эксцентричного планетарного механизма с соответствующими формулами для стандартных планетарных механизмов показало их идентичность. Это позволяет утверждать, что для предлагаемых в работе схем эксцентричных дифференциальных механизмов и замкнутых дифференциалов допустимо применение формул Чернавского С.А. и Кудрявцева В.Н.

Так как двухдвигательный привод механизмов обременителен для промышленности, поэтому в работе рассмотрены варианты привода одним двигателем с подачей движения на корону и водило, т.е. замкнутый дифференциал Проанализированы потоки мощности и выявлены схемы, где присутствует циркулирующий момент.

В четвертом разделе приведены экспериментальные исследования с жидкими и сухими смесями. Разработанные схемы механизмов сравнивались со стандартным механизмом смесителя, имеющим трехлопастную мешалку, расположенную по оси сосуда и совершающую вращательное движение. Проведено измерение силовых характеристик механизмов. На рисунках 4 и 5 представлены фотография и схема стенда.

Регулируемые параметры

электродвигателей и сменных шкивов

позволяют производить эксперименты

с заданием движения мешалок по схеме

7 в трех вариантах

а также моделировать

движение по схеме 4 и движение

стандартного смесителя с центральным

расположением одной мешалки.

Размеры сателлитов и короны

Ржунок 4 - Фотография стецца

1мм, Г| = г4 = 33 мм, г2 = 53 мм, г} = 124

мм) и кинематика работы блока дифференциала приведены в разделе 2. Двигатели постоянного тока с независимым возбуждением могут менять скорость вращения от 0 до 2000 об/мин. Реверс двигателей позволяет осуществить любое движение мешалок. Силовые замеры на стенде производились с помощью тензометрии. Мешалки для эксперимента подготовлены разных конструкций по ГОСТ 20680-75.

Рисунок 5 - Экспериментальный стенд: а -общий вид; б - схема дифференциального механизма; 1 - корпус (рама); 2 - кронштейн; 3- блок дифференциала; 4- цанга, 5-мешалка; 6-емкость; 7- столик; 8- направляющие; 9- лампа; 10- водило; 11, 12, 13- сателлиты; 14-центральное колесо (корона); 15, 16- электродвигатели; 17, 18- моментомеры; 19- шкив водила; 20— шкив центрального колеса; 21— ремень плоский, 22— ремень клиновой

Анализ кинематических схем 1-8 привода показывает, что концы мешалок, закрепленные на сателлитах, совершают сложное движение. Остальные звенья, реализованные в стенде, совершают вращательное движение. Следовательно, экспериментальной записи траекторий нужно подвергнуть только концы мешалок, закрепленные на сателлитах. Сравнение траекторий движения концов мешалок, полученных расчетным путем (рисунок 6) (схема 7 таблицы 1) с экспериментальной записью (рисунок 7) показывает удовлетворительную сходимость, что подтверждает правильность компьютерной модели.

Рисунок6 Рисунок 7

Технологические эксперименты проводились с жидкими и сухими смесями по программе полного факторного эксперимента ПФЭ23. Жидкие смеси представлены трудно смешиваемым составом вода-масло (эмульсия). В качестве выходного параметра было принято время отстоя (расслоения) 90% смеси. Для сухих смесей в качестве выходного параметра был принят коэффициент вариации, основанный на наличии в матрице (основной массе смеси) трассера (небольшого компонента второй смеси - 10%). Коэффициент вариации просчитывался по радиусу и высоте сосуда. Эксперименты проводились со смесями имеющими разную плотность компонентов, различающимися по размеру и форме частиц, а также разного цвета. В процессе эксперимента были подобраны типы мешалок (рабочих органов) и скоростные режимы, позволяющие резко улучшить показатели в сравнении с типовым трехлопастным смесителем.

Измерение силовых характеристик эксцентричного механизма. Для сокращения размеров приводимой ниже таблицы отметим следующее: в исследуемых рабочих диапазонах угловых скоростей водила и короны (со = 2,5...25 с'1) моменты сопротивления практически постоянны, а мощность с ростом угловой скорости соответственно растет по формуле

Силовые эксперименты с жидкими смесями (эмульсиями) проводились только пробные, так как было установлено, что величины рабочих моментов мало отличаются от моментов холостого хода и не могут служить основанием для расчета к.п.д. механизма. При этом установлено, что моменты на

моментомерах зависят от вязкости компонентов смеси и угловой скорости вращения и описываются формулами, приведенными В.А.Васильцовым.

Основные силовые эксперименты проводились с сухими смесями. Перед началом каждой серии экспериментов производилась тарировка моментомеров, и измерялись моменты холостого хода Ма на водиле и короне.

Таблица 3 - Зависимость моментов от типа движения механизма смесителя

№ Условие эксперимента Движение смеси 3 X 3 а ей с. в р. с Моменты на короне и водиле, Н мм

Три мешалки Шнек на сат. 1 Шнек на сат.4 Шнек на сат.2 Лента нас. 2 Шнек на сат. 4

М3 Мн Мз Мн М3 МН М3 Мн М3 Мн

1 Холостой ход рем. пер. 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15

р п+ з.п 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35

Г соз = 2а>н, два двигателя вве рх по пу тн. 200 44 70 77 87 38 137 27 162 50

шз = -<он, два двигателя вве рх ВС тр. 200 230 30 55 100 165 187 181 270 290

3 Лобовое сопротивление шз=а>н вве рх - 365 - 100 - 242 - 357 - 380

вниз с - 560 - 138 - 319 - 412 - 530

4 Окружное сопротивление сон ~ 0, саз > 0 вве рх 87 60 тор 17 22 тор 18 16 -тар 37 и тор 75 66 тор

вниз с 500 370 340 250 тор

5 шз > сон, без двигателя водила вве рх 150 44,

вниз с 600 70т 150 82т

б Ленточная 2ух заход, мешалка вве рх с 50 50т

юз>0,сон=0, 2x45*50 вниз 375 550

7 Трехлопастная вве рх <о3>0, сон = 0 460 550 Т Шз Шн = >4с' Ос'1 200 148 т

мешалка на сат 1 вниз с 9 00 850 т 200 120 Т

Эксперименты проводились при попутном движении короны и водила с угловой скоростью О} = 2юц = 23,4 с'1 и при встречном движении с 0)3=—<»н = 11,7 с"1. Затратные моменты на ременную передачу от моментомеров М] и М^ (рисунок 5), соответственно к короне и водилу замерялись при снятых ремнях, и связанных между собой водилом и короны. Этот момент оказался одинаковым для обеих ветвей и равен 15 Н-мм. Замер же полного момента холостого хода с учетом зубчатого планетарного механизма производился с моментомеров на рабочем ходу без смеси. Он также оказался одинаковым для водила и короны и равен 35 Н-мм. Эти данные расположены в строке 1 таблицы 4. Будем считать, что на зубчатые зацепления со сторон короны и водила расходуется по 20 Н-мм. При проведении опытов со смесью вначале замерялся момент холостого хода и, затем, полный момент. Результаты экспериментов сведены в таблицу 3.

В таблице 3 во всех строках приведены «чистые» моменты, т.е. моменты только на перемешивание без потерь на ременные и зубчатые передачи. По колонкам показано движение смеси вверх' или вниз, а также направление вращения водила и короны - попутное, или встречное (строка 2). Также в колонках указано, сколько мешалок участвуют в эксперименте и где они закреплены. Теперь из таблицы 3 можно делать частные выборки и давать пояснения отдельным экспериментам.

Результаты замера моментов лобового сопротивления М, можно взять из строки 3 таблицы 3.

Окружное сопротивление вращения мешалок Мс, определим, сняв информацию со строки 4 таблицы 3 и перенеся ее в таблицу 4 при а>н = 0 (водило остановлено).

Расчетный момент сопротивления на ьтом сателлите будет определен по формуле:

Для экспериментального механизма смесителя передаточные отношения:

/£=- 3,76; /5-2,14; Я =3,76; 1

4=4,76; 4 =-1,14; 4 =-2,76. | (15)

Результаты расчетов сведем в колонку Мс1 таблицы 4. Таблица 4 - Определение моментов на короне и сателлитах

№ Тип мешалок Место крепления мешалок Момент Мз, Н-мм Момент расчета на сател Мс„ Н мм Примечание

1 Шнек 30x25 лев. сат. 1 17 4,5

2 Шнек 30 х 25 прав. сат. 4 18 4,8

3 Ленточная 2х заходная 45x50 сат. 2 37 17,3

4 Шнек 30x25 прав. + Ленточная мешалка сат. 4 сат. 2 75 - (55)

5 Шнек 30x25 лев. + Шнек 30x25 прав. + Ленточная мешалка сат. 1 сат, 4 сат. 2 87 - (72)

Если сложить моменты Мз строк 1, 2 и 3 (в колонке «Примечание» таблицы 4) и сравнить результат со строкой 5, то увидим расхождение, т.е. принцип «суперпозиции» здесь неприменим. Кроме того, если сложить моменты на лобовое и окружное сопротивление (строки 3 и 4 таблицы 3) и сравнить с реально работающим механизмом (строка 2 таблицы 3), то увидим, что они будут больше.

Следовательно, для получения силовых характеристик — моментов на короне и водиле (Л/) и Мц~), необходимых для конструкционных расчетов, обязательно проведение стендовых экспериментов. Для промышленного смесителя необходимо еще математическое моделирование, т.е. перевод характеристик стенда на натуральный образец.

Если отнести наибольший момент Мз = 900 Н-мм (строка 7, последняя колонка таблицы 3) к нему же с добавлением момента холостого хода Ма = 20 Н-мм на зубчатую передачу, то получим к.п.д. механизма, равное 0,976, что соизмеримо с теоретическим расчетом к.п.д. раздела 3.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований найдены оптимальные режимы смешивания. По ним был разработан и изготовлен переносной макет, на котором в конкретных условиях можно демонстрировать эффективность предлагаемых методик.

В приложениях к диссертации приведены: 1) компьютерная модель механизма; 2) программа построения траекторий движения концов мешалок, являющихся рабочими органами механизма; 3) программа расчета теоретического коэффициента посещения; 4) акты внедрения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработаны и подвергнуты кинематическому анализу шесть вариантов схем планетарных и два варианта дифференциальных исполнительных эксцентричных механизмов с компьютерным моделированием траекторий движения рабочих органов (мешалок). Устаноштено, что дробные передаточные отношения механизмов позволяют обеспечить посещение мешалками всех точек зеркала сосуда и исключить застойные зоны.

2. Теоретически и экспериментально был обоснован выбор оптимальных кинематических схем эксцентричных механизмов, которые можно использовать для смешивания сухих и жидких материалов. С помощью компьютерного моделирования найдены передаточные отношения схем, в которых коэффициент посещаемости, предложенный автором, практически одинаков во внутренней и наружной зонах «зеркала» емкости.

3. По данным кинематического анализа был разработан и изготовлен многоцелевой стенд, позволяющий проводить эксперименты с разными видами смесей, мешалками разных конструкций, с различными траекториями и скоростями движения. По результатам многочисленных экспериментов с жидкими и сухими смесями установлено, что наиболее эффективным является смешивание мешалками, совершающими сложное вращателъно-вращателъное движение при попутном движении большого центрального колеса (короны) и водила. Причем, угловая скорость короны должна быть больше угловой

скорости водила в 1,5 ... 2раза. При смешивании жидких компонентов, для образования эмульсий, предлагаемая конструкция дифференциала и режимы движения позволяют увеличить время отстоя смеси от 30 до 160раз При смешивании сыпучих материалов предлагаемые режимы позволяют снизить коэффициент вариации неравномерности распределения смеси по рай1тсу сосуда в 25 раз и по высоте в 5 раз.

4. Проведены теоретические и экспериментальные исследования- по силовому анализу эксцентричного дифференциального механизма. Получены зависимости для определения силовых характеристик, необходимых для конструкторских расчетов и разработок. По затратам мощности предлагаемый механизм соизмерим со стандартным трехлопастным смесителем, а по эффективности смешивания превосходит его в пять раз.

5. Разработана методика определения к.п.д. предлагаемого эксцентричного планетарного механизма, который находится в пределах 0.96...0,98. Установлено, что для определения к.п.д. предлагаемых эксцентричных дифференциального механизма и механизма замкнутого дифференциала можно пользоваться формулами для известных передаточных дифференциалов.

6. Серии экспериментов с сухими смесями с целью определения сил и моментов для перемещения рабочих органов (мешалок) в дискретной среде позволили сделать вывод, что универсальных зависимостей, как в жидких средах, нет. Но наличие многоцелевого стенда, а также наработанные теоретические и экспериментальные методики позволяют в сжатые сроки провести серию расчетов и экспериментов с конкретными смесями и выдать рекомендации по конструированию механизма и его эксплуатации.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Синенко Е.Г., Белякова СА, Беляков А.Н., Синенко М.Е. Механический смеситель на основе механизма эксцентричного дифференциала. // Тезисы докладов научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию города Красноярска», Красноярск, 1997, с. 23-24.

2. Белякова. СЛ., Синенко Е.Г., Беляков А.Н. Синтез смесителя на основе эксцентричного сателлитного механизма. // Вестник Красноярского государственного технического университета. Машиностроение. Транспорт. -Красноярск, 1998, с. 14-19.

3. Белякова, СЛ., Синенко Е.Г., Беляков А.Н. Силовой анализ эксцентричного сателлитного механизма смесителя. // Вестник Красноярского государственного технического университета. Вып. 22. Машиностроение. / Отв. Ред. Е.Г. Синенко. Красноярск: КГТУ, 2001, с. 61-67.

4. Белякова С.А., Синенко Е.Г., Беляков А.Н., Анализ структурных и кинематических возможностей эксцентричного дифференциала Е.Г.Синенко. // Вестник Красноярского государственного технического университета. Вып. 29. Машиностроение. / Отв. Ред. Е.Г. Синенко. Красноярск, ИПЦ КГТУ, 2002, с. 106-111.

5. Белякова С.А., Экспериментальное исследование процессов смешивания жидких и сухих смесей с помощью дифференциального смесителя. // Вестник Красноярского государственного технического университета. Вып. 29. Машиностроение. / Отв. Ред. Е.Г. Синенко. Красноярск, ИПЦ КГТУ, 2002, с. 97-100.

6. Белякова С.А. Измерение силовых характеристик эксцентричного сателлитного механизма смесителя. // Вестник Красноярского государственного технического университета. Вып. 32. Машиностроение. / Отв. Ред. Е.Г. Синенко. Красноярск, ИПЦ КГТУ, 2003, с. 134-137.

7. Белякова С.А. Эксцентричный сателлитный механизм смесителя. // Тезисы докладов научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию города Красноярска», Красноярск, 2003, с.

Соискатель:

С.А. Белякова

Подписано в печать 19.05.04. Формат бумаги 68x84 1/16 Усл. п'еч. Л. 3,0 Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано на ризографе КГТУ 660074, Красноярск, Киренског 26

0 4-14082

Введение

1. Глава 1. СОДЕРЖАНИЕ ВОПРОСА

1.1. Смесители. Области применения, задачи смешивания, и методики расчета. 8 1.1.1. Смесители и типы мешалок.

1.1.2.1. Смесители и типы мешалок для химической промышленности.

1.1.2.2. Смесители и типы мешалок для пищевой промышленности.

1.1.2.3. Смесители и типы мешалок для сухих смесей.

1.1.2.4. Смесители многомешал9чные.

1.2. Привод мешалок.

1.3. Выводы по главе 1.

1.4. Постановка задачи.

2. Глава 2. КИНЕМАТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ И АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ

СМЕСИТЕЛЕЙ

2.1. Синтез схем механизмов на основе эксцентричного дифференциала.

2.2. Аналитическое определение траекторий движения концов мешалок различных схем механизмов с моделированием на компьютере.

2.2.1. Кинематический анализ схемы 2.

2.2.2. Кинематический анализ схемы 4.

2.2.3. Кинематический анализ схемы 6.

2.2.4. Кинематический анализ схемы 7.

2.2.5. Кинематический анализ схемы 8.

2.2.6. Анализ структурных и кинематических возможностей эксцентричного дифференциала Е.Г. Синенко.

2.2.7. Кинематический анализ схем взбивальных машин.

2.3. Определение теоретического коэффициента посещаемости концов мешалок по зеркалу сосуда.

2.4. Выводы и выбор наиболее оптимальных схем механизмов и исходных параметров для проектирования экспериментального стенда.

3. Глава 3. СИЛОВОЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА СМЕСИТЕЛЯ

3.1. Силовой анализ планетарного механизма по схеме 4.

3.2. Силовой анализ дифференциального механизма с двумя двигателями.

3.2.1. Силовой анализ дифференциального механизма по схемам 7а и 7с.

3.2.2. Силовой анализ дифференциального механизма по схеме 7Ь.

3.3. Силовой анализ замкнутого дифференциального механизма с одним двигателем.

3.4. К.П.Д. механизмов смесителей.

3.4.1. К.П.Д. планетарного механизма смесителя.

3.4.2. К.П.Д. дифференциального механизма смесителя.

3.4.3. К.П.Д. замкнутого дифференциала смесителя.

3.5. Выводы по главе 3.

4. Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА

4.1. Экспериментальный стенд смесителя.

4.2. Кинематическое исследование движения мешалок.

4.3. Исследование процессов смешивания жидких сред с различными конструкциями и количеством мешалок.

4.3.1. Выбор компонентов жидкой смеси и критерия оптимизации.

4.3.2. Выбор факторов оптимизации.

4.3.3. Факторные эксперименты ПФЭ23 и ДФЭ24"1 для смеси трансформаторное масло + вода.

4.3.4. Факторный эксперимент ПФЭ23 для смеси автол + вода.

4.4. Исследование процессов смешивания сыпучих материалов.

4.4.1. Выбор компонентов сухой смеси и порядок проведения пробных экспериментов.

4.4.2. Определение коэффициента вариации смеси по высоте и радиусу сосуда.

4.5. Измерение силовых характеристик привода смесителя.

Актуальность темы. В различных областях промышленности и в быту применяются технологические процессы, связанные с перемешиванием различных компонентов. При этом используются механизмы с различными типами движения рабочих органов: 1) рабочий орган располагается по оси емкости и совершает вращательное движение; 2) рабочий орган располагается на оси сателлита планетарного механизма и совершает сложное вращательно-вращательное движение; 3) несколько рабочих органов располагаются на сателлитах разного диаметра, а также на водиле планетарного механизма и совершают сложное вращательно-вращательное движение.

Первый тип механизмов достаточно хорошо изучен как с точки зрения движения смешиваемых компонентов, так и определения силовых характеристик , а так же определения мощности привода.

Второй и третий тип механизмов совершенно не изучены. При проведении литературно-патентного поиска не было найдено ни кинематических, ни силовых расчетов этих механизмов. Так же не обнаружено исследований, посвященных влиянию сложного движения рабочих органов на качество перемешивания, хотя было найдено 20 критериев оценки качества получаемой смеси. А также не проводилось сравнения этих механизмов с механизмами первого, достаточно изученного, типа.

Поэтому работа, направленная на создание методик расчета механизма создающего сложное движение рабочих органов, является актуальной.

Целью работы является разработка и исследование эксцентричного механизма с заданными траекториями движения рабочих органов, который может быть использован для смешивания жидких (эмульсий) и сухих сред.

Основными задачами работы являются:

1. Разработка эксцентричных механизмов, основанных на принципе сателлитного механизма с сателлитами разного диаметра, обеспечивающих заданные движения рабочих органов.

2. Разработка методик определения геометрических и кинематических параметров эксцентричных сателлитных механизмов.

3. Разработка кинематических зависимостей для определения траекторий движения рабочих органов (мешалок), закрепленных на сателлитах.

4. Силовой анализ эксцентричного планетарного и дифференциального механизмов и определение их к.п.д.

5. Разработка и создание универсального стенда механизма, а также экспериментальное определение кинематических и силовых характеристик эксцентричного дифференциального механизма и оценка его эффективности.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Разработаны схемы эксцентричных планетарных и дифференциальных механизмов с сателлитами разного диаметра, позволяющие получать на рабочих органах заданное движение.

2. Разработана методика расчета эксцентричного механизма, позволяющая определять геометрические и кинематические параметры.

3. Разработана методика расчета эксцентричного механизма, позволяющая обеспечивать заданные параметры движения рабочих органов, на этапе его проектирования.

4. Разработана методика силового расчета эксцентричного механизма с сателлитами разного диаметра, позволяющая получать параметры механизма исходя из заданных траекторий движения рабочих органов.

5. Получены зависимости, для определения к.п.д. эксцентричных исполнительных планетарных механизмов, с учетом схемы их нагружения.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные схемы эксцентричных планетарных и дифференциальных механизмов, обеспечивающих заданное движение рабочих органов, могут быть использованы для перемешивания жидких и сухих смесей по различной технологии, а разработанные методики позволяют определять геометрические, кинематические и силовые параметры этих механизмов, и являются предпосылками к созданию инженерных расчетов.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались: на научно-практической конференции «Достижения науки и техники — развитию города Красноярска» (Красноярск, 1997); на научно-практической конференции «Достижения науки и техники — развитию города Красноярска» (Красноярск, 2003); на кафедре ТиКМС КГТУ в 2004г., на научном семинаре по специальности 05.02.02 (Красноярск, 2004). По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Реализация результатов исследований. Изготовленный многоцелевой стенд и компьютерные методики анализа и синтеза позволяют в кратчайшие сроки провести исследования с конкретными смесями и дать рекомендации для конструирования и эксплуатации эксцентричных смесителей. Материалы диссертации используются в учебном процессе при теоретическом изучении курса ДМ и ТММ, а также при выполнении курсовых и дипломных проектов. Некоторые материалы переданы для внедрения на предприятие «Сибволокно» и в УЖКХ г.Зеленогорска. Документация на эксцентричный дифференциальный привод смесителя внедрена в производство лакокрасочных материалов на «Костромском заводе автоматических линий и специальных станков» и в г. Зеленогорске на предприятии «Электрохимический завод» в цехе по приготовлению магнитной пленки.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и основных выводов, изложена на 160 страницах машинописного текста. Содержит 64 рисунка, 29 таблиц и 4 приложения. Список используемых источников содержит 126 наименований.