автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Моделирование процесса отжима и разработка метода расчета валов валковых машин

КОСТРОМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИТЛЕНЕР АРКАДИЙ РОБЕРТОВИЧ ' Г ^

■

. V/

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОТЖИМА И РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ВАЛОВ ВАЛКОВЫХ МАШИН

Специальность - 05.02.13 -Машины и агрегаты легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

р г б од

5 ДЬН ГЗЗо

На правах рукописи

УДК 677.057.001

Кострома 1996 г.

Работа выполнена в Костромском государственном

технологическом университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор

Мартышенко В.А.

Официальные оппоненты

доктор технических наук,

профессор

Белов Ю.В.

Ведущее предприятие :

Защита состоится 0 " ^ на заседании диссертационног

кандидат технических наук, Фомин Ю.Г.

АО " Ивтекмаш ".

_ 199^ г. в ю часов

совета К 063.89.01 при

Костромском государственном технологическом университете по адресу: 156021, г.Кострома, ул. Дзержинского, д.17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Костромского государственного технологического университета Автореферат разослан " /Ро^'^Л 199^" г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических науь

1аук.

профессор

А.П.Соркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Современные тенденции развития легко! промышленности во многом связаны с техническим перевооружение]* предприятий с целью повышения надежности и долговечности оборудования, уменьшения затрат на его изготовление и эксплуатацию. Перспективные, высокотехнологические процессы производства текстильной продукции требуют создания новых методов расчета и проектирования оборудования.

Современные малопрогибные валы классической конструкции содержат в себе, как правило, тонкостенные оболочечные элементы, вопрос расчета которых еще слабо изучен. Существует целая группа валов - валы с регулируемым прогибом, которые находят все более широкое применение за рубежом. В этих валах одним из главных элементов является легко деформируемая, тонкостенная оболочка. Проектирование валов с регулируемым прогибом практически не нашлс отражение в научно-технической литературе.

.Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка математической модели оболочечной рубашки вала, а также получение регрессионной модели процесса отжима. Предложенные модели применяются при разработке алгоритмов автоматизированного расчета валов валковых машин на прочность й жесткость.

Основными задачами работы являются:

1. Анализ существующих методов исследования технологических процессов обработки текстильных материалов в отжимных валковых машинах.

2. Анализ существующих конструкций валов и методов их исследова-

ния.

3. Получение регрессионной модели процесса отжима.

4. Разработка математической модели оболочечной рубашки вала.

5. Разработка алгоритма автоматизированного расчета на прочность и жесткость оболочечных рубашек валов.

6. Разработка алгоритма проектирования валкового модуля с валом регулируемого прогиба.

Методы исследований. Методология работы основана на общетеоретических, системных исследованиях Г.Крона по расчету сложных систем по частям, развитых В. А.Мартышенко применительно к оболо-чечным системам и валковым механизмам.

В теоретической части работы применены: дифференциальное и интегральное исчисление, линейная алгебра, теория оболочек, классический регрессионный анализ. Для разработки прикладных программ применен язык программирования Паскаль и численные математические методы. Проверка работоспособности алгоритмов проведена с помощью вычислительных экспериментов на ЭВМ.

Научная новизна. В диссертации предложена новая математическая модель для описания рубашек валов валковых машин в виде системы цилиндрических оболочечных элементов. Разработан метод получения матрицы жесткости оболочечной рубашки вала в специфических условиях нагружения, характерного для текстильного отделочного оборудования.

Практическая ценность и реализация результатов работы. _Раз-работанные модели, методы и программное обеспечение применены в системе автоматизированного проектирования:

1. Алгоритм и пакет программ "0Ьо1а" по расчету оболочечных рубашек валов на прочность и жесткость использован в подсистеме САПР "Анализ и синтез валов валковых машин", разработанной для АО "Ивтекмаш" в рамках договора о творческом содружестве.

2. Регрессионная модель процесса отжима вошла составной частью в САПР "Анализ и синтез валов валковых машин";

Апробация работы. Основные вопросы диссертации докладывались

на:

- республиканской научно-технической конференции "Пути совершенствования технологии и оборудования в льняной отрасли текстильной промышленности (Лен-94)", г.Кострома, 1994 г.;

- заседании кафедры сопротивления материалов Костромского государственного технологического университета, г.Кострома, 1996 г.;

- семинаре по теории механизмов и машин Костромского филиала АН РФ, г.Кострома, 1996 г.;

- расширенном заседании технического совета АО "Ивтекмаш", г.Иваново , 1996 г.;

- международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы техники и технологии производства льняных изделий (Лен-96)", г.Кострома, 1996 г.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, общих выводов по диссертации, библиографии, приложения. Общий объем диссертации составляет 163 страницы, в том числе рисунков - 10 страниц, библиография - 11 страниц, приложение, содержащее тексты программ - 39 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи и методы исследования, отмечена научная новизна и практическое применение результатов, приведены основные положения работы выносимые на защиту.

8 первой главе дан обгор работ по исследованию технологических процессов обработки текстильных материалов в отжимных валковых машинах. Определение возможностей валковых устройств при обезвоживании материалов, промывке или пропитке их, является достаточно сложной задачей. Исследованиями в этом направлении занимался ряд авторов, каждый из которых внес свой вклад в изучение физики процесса удаления влаги и сопровождающих это удаление явлений. Реализация результатов подобных работ должна привести к повышению эффективности механического способа удаления влаги, к разработке рациональных методов расчета и осуществлению оптимального процесса отжима, промывки или пропитки волокнистого материала.

В работах Кузнецова Г.К. , Кузнецова В.А., Крючкова В. А. и др. приведены аналитические зависимости, которые представляют практический интерес в определении остаточной влажности и построении математических моделей отжима. Однако в приведенных зависимостях имеется несколько коэффициентов, которые необходимо уточнять в процессе эксперимента для конкретных тканей. Более сложными моделями описывается процесс отжима в работах А.А Румянцева и С. А.ГТолумискова, приводятся методики и алгоритмы для решения прикладных контактных задач, направленные на оптимизацию параметров технологического процесса отжима ткани.

Узкой направленностью отличаются работы посвященные по; нию регрессионных моделей отжима, но такие модели хорошо пор вают влияние или вклад конкретного фактора в параметр оптик ции. Без них не обойтись при проверке адекватности математиче моделей. Они пригодны для использования в проектировании валн механизмов.

Во второй части главы представлен анализ существующих к трукций валов и их классификация, а также обзор работ по прое рованию конструкций валов. Установлено, что основное требова предъявляемое к валковым модулям - минимальная неравномерн давления в жале валов. Уменьшение неравномерности давления в валов добиваются в основном двумя способами: создание малопро ного вала с одновременным ограничением по размерам и материал кости (вала классической конструкции); создание вала с регули мым прогибом , упругая линия рубашки которого способна копиро упругую линию рубашки контактируемого вала.

По результатам патентного поиска по текстильной и другим раслям промышленности приводятся разнообразные конструкции ва Практически каждая новая конструкция появилась в резуль стремления уменьшить неравномерность давления в жале валов, меняя системный подход, А.В.Подъячев провел классификацию ва в которую вписываются все существующие конструкции валов.

.Многообразие конструкций валов привело к тому, что до не, него времени существовало несколько методик расчета их на п] ность и жесткость. Появление обобщеной модели вала, разработа) В.А.Мартышенко и А.В.Подъячевым, позволило подходить к рас валоЕ любых конструкций с единых позиций. Для моделирования в;

- б -

валковых механизмов ими предложены стержневые элементы.,. Соединение элементов может быть как последовательное, так и параллельное. На основании разработанной модели предложены методики'автоматизированного проектирования как отдельного вала, так и многовалкового модуля на заданное усилие прижима.

Современные маяопрсгибные валы классической конструкции и рубашки валов регулируемого прогиба содержат в себе как правило тонкостенные сболсчвчные элементы, в которых деформация в окружном направлении (искажение формы поперечного сечения) значительна. Математическое обеспечение изучения оболочечных элементов валов классической конструкции и валов с регулируемым прогибом слабо отражено в научно-технической литературе.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям технологического процесса отжима ткани в валках. С целью проведения разносторонних исследований процесса отжима ткани был сконструирован и изготовлен опытный экспериментальный стенд. Экспериментальный стенд имеет два отжимных валка - нижний приводной (ведущий) и верхний (ведомый) валки. Рабочая ширина валков 200 мм. Верхний (прижимной) валок обрезиненный диаметром 320 мм, резиновое покрытие-марки 2-610-7, твердостью по Шору 55, толщиной 24 мм: Нижний валок стальной диаметром 265 мм. В качестве привода использован электродвигатель постоянного тока с системой электронного управления, который дает возможность бесступенчатого-регулирования скорости от 40 до 130 м/мин. Яри нагруженш левой и правей опор с помощью винтовых механизмов, одновременно контролируются и усилия прижима, и сближении валков, с целью обеспечения параллельности их осей и. следовательно, 'равномерности усилий прижима по ширине рабочей зоны. Сила прижима ведомого валка к

приводному оценивалась по осадке спиральных пружин. Измepe^ осадки осуществлялось датчиками перемещений ДП-3, входящим} комплект виброизмерительной аппаратуры ВИ6-5МАД. Винтовые ус ройства позволяют бесступенчато регулировать усилия прижима от до 1000 кГ или от 0 до 100 кГ/см. Дополнительные устройства усз навливаются по мере необходимости и могут включать: ванну с рас чим раствором; загрузочное устройство (для облегчения введени? рабочую зону образцов ткани); съемное устройство (для облегчен съема отжатых образцов); нагревательные элементы (для нагревав рабочих растворов и рабочих поверхностей до необходимой темпер туры); датчики контроля температуры; устройство для удаления I лишков жидкости с рабочих поверхностей валков; и некоторые де гие.

Предпринята попытка создания модели отжима, учитывающей ы яние удельной нагрузки в жале валов д [КГ/см], скорости прово; ткани V См/мин], температуры удаляемой жидкости I С°С] и свойса ткани ( поверхностную плотность ткани г [кг/м2]), на остаточ* влажность - V/ [%]. Эксперимент проводился для трех тканей льняк группы (Арт.052115, г=0.151 кг/м2; Арт.052347, г=0.179 кг/к Арт.052334, г=0.228 кг/м2), по плану Коно, предусматривающе проведение 21 опыта для 3-х факторов. Уровни варьирования факт ров выбраны в соответствии с режимами работы серийных отжимк машин. Определение влажности после отжима проводилось по ГС 3810-72.

Результаты эксперимента обработаны стандартным классическ регрессионным анализом. Получена регрессионная модель для вс тканей с:учетом поверхностной плотности \1={(I,у,д,г). ОтбрасыЕ незначимые коэффициенты методом включения и методом исключен

выбрали линейную модель от всех четырех факторов:

№=36.445-0.188*1+0.258*У-0.185*4+45.088*Г.

Модель проверена на адекватность. Нормирование коэффициентов регрессии, позволило сделать выводы о значимости того или иного фактора на остаточную влажность. Уравнение регрессии с нормированными коэффициентами имеет вид:

\»/=-0. 615*1+0. 493*у-0.303*Ч+0.265*Г.

Как видно, на остаточную влажность после отжима в большей степени влияет температура: с увеличением температуры влажность уменьшается. В меньшей степени - скорость: с ее увеличением влажность растет. Степень влияния давления в жале валов вдвое меньше температуры. И последний по степени влияния параметр, поверхностная плотность ткани: чем больше плотность, тем больше влажность. Применительно"'к производственным условиям варьирование температуры и скорости для уменьшения остаточной влажности сильно ограничено, поэтому доступнее изменять давление в жале валов.

Полученная регрессионная модель процесса отжима, необходима при проверке адекватности математических моделей процесса отжима. Модель может быть использована при проектировании валковых механизмов (как составная часть САПР валковых механизмов).

В третьей главе приведены теоретические исследования по разработке методов расчета рубашек валов с регулируемым прогибом. Рубашка вала моделируется системой конечных элементов в виде цилиндрических оболочечных элементов.

Для бесконечно малого элемента цилиндрической оболочки с< тояние равновесия описывается системой 3-х дифференциальных ур, нений в перемещениях, причем эти уравнения в частных производи! два из них второго порядка, а одно - четвертого. Уравнения св: внутренних усилий с перемещениями, также записываются в част; производных. Для принятого вида конечного элемента составляю! силы и моменты в окружном направлении не учитываются (так как ; цилиндрического оболочечного элемента они вэаимоуравновесятс: что приводит к четырем независимым внутренним силовым факторам

Из условия замкнутости цилиндрической оболочки есть возм< ность перемещения, силы и распределенную нагрузку разложить в ] Фурье-по синусам или косинусам. Таким образом, можно перейти уравнений в частных производных к обыкновенным дифференциала уравнениям, от уравнений, записанных для бесконечно малого э. мента оболочки, к рядам уравнений, записанных для цилиндрическ оболочечного элемента. На основании уравнений равновесия и ур. нений связи выводим систему 8-ми дифференциальных уравнений 1 порядка в безразмерной форме, • описывающих напряженно-деформи! ванное состояние цилиндрического оболочечного элемента для фик< рованного номера члена ряда.

Для рассматриваемой краевой задачи сформулированы 4 крае, кинематические условия и 4 краевые статические условия на кад .краю интервала. Численно решаем систему при произвольных крае, условиях на одном краю интервала. Вследствие интегрирования с темы получаем значения кинематических и статических парзмет задачи на другом краю интервала, то есть получаем уравнени. форме,-метода начальных параметров. Быполнив матричные опера над этим уравнением, получаем матрицу жесткости элемента.

Матрица жесткости оболочечного элемента является основой для получения матрицы жесткости рубашки вала, имеющего конечное число участков. Приводится алгоритм формирования матрицы жесткости системы элементов. При известных условиях закрепления и нагружения

оболочки автоматизированно формируется и решается с применением оВМ система линейных алгебраических уравнений для определения неизвестных перемещений в узлах. Определение внутренних усилий и напряжений решается обратным ходом по известным перемещениям для узлов элемента и матрице жесткости элемента. Знание узловых перемещений и угловых сил хотя бы для одного узла изолированного элемента позволяет методом начальных параметров определить перемещения и внутренние силы и напряжения в сечениях элемента при произвольном фиксировании их по длине.

После выполнения алгоритма, изложенного выше, найдем ш-ные члены рядов перемещений, усилий или напряжений. Проделав его необходимое число раз, получим все составляющие члены рядов для искомых функций. То есть сможем определить с заданной точностью значения перемещений, усилий или напряжений для любого узлового сечения, в любой точке на окружности для этих сечений. Этот алгоритм реализован в виде пакета программ "0Ьо1а", написанном на алгоритмическом языке Паскаль.

Программа автоматизированного расчета рубашек валов позволяет с единых методологических позиций исследовать все возможные конструктивные схемы залов. Для всех элементов системы вводятся числовые массивы, содержащие значения геометрических характеристик и свойств материала.

Закрепление рубашки вала соответствует нулевым компонентам линейных перемещений в опорах, а при симметрии относительно ере-

. . динных сечений можно ограничиться рассмотрением половины д рубашки вала и для срединного сечения принять нулевым угол п рота. Внешняя нагрузка может быть задана в виде сосредоточе сил и моментов, принимая их по теории оболочек распределенным • длине, а также распределенных нагрузок, которые изменяются длине оболочки по кусочно-линейному закону. . В результате расчета определяются линейные и угловые пер чщения узлов, поперечные силы и изгибающие моменты в этих сече -(при необходимости можно определить эти величины и для проь точных сечений каждого элемента), максимальные напряжения в с ниях элемента.

Для проверки правильности работы программы, проводится с нение результатов расчета оболочек с теоретическими результ; , и с расчетами при помощи пакета "Zenit". Сравнение показало программный продукт " Obola " обладает достаточными при про< ,. . . ровании валов точностью и быстродействием. • В четвертой главе изложена., методика проектирования валк<

ч модуля с валом регулируемого прогибач При проектировании т. i. модуля нужно стремиться к оптимальному сочетанию трех факт неравномерность давления в жале (если не задана), ..стоимо' затраты на эксплуатацию валкового модуля. В идеале все три ф ра должны быть минимальны. Варьируемыми параметрами при это ляются: конструкция, размеры, материал вала классической i трукции; параметры участков давления (число, расположение, р ры); размеры и материал оболочки. В настоящее время из-за от твия опыта создания валковых модулей с валами регулируемого гиба вопросы, связанные с выбором конструкции валов, реш конструктором на интуитивном уровне. Только после создания

тания таких модулей, т.е. после накопления достаточного объема иных, можно будет решать эти вопросы осознанно.

Предлагается следующий порядок проектирования валкового моля с валом регулируемого прогиба:

1. На основании входных параметров выбор максимального дав-ния в жале валов (если оно не задано).

2. Проектирование вала классической конструкции, при соблю-нии следующих требований: необходимая длина, минимальная стои-сть. Построение упругой линии классического вала.

3. Проектирование рубашки вала с регулируемым прогибом (по ¡ории оболочек). Задаемся: шириной площадки контактов валов; определением давления в жале в окружном направлении; параметра-[ участков давления (числом, положением, длиной, шириной, расп-■делением давления в окружном и осевом направлениях); материа->м, диаметром и толщиной оболочки. Оптимизация, например, мето->м случайного поиска, давлений по участкам выполняется из усло-ш минимума расхождения между упругими линиями оболочки и кон-зктируемого вала. Проверочный расчет оболочки на выносливость.

4. Проектирование сердечника вала с регулируемым прогибом ю теории изгиба стержней), по известным нагрузкам на участках, учетом ослабления внутренними каналами.

Приводятся результаты проектировочного расчета валкового мо-лля с валом регулируемого прогиба по предложенному алгоритму. ?зульгаты расчета дают представление о конструкции валкового мо/ля в целом, о материале и основных размерах его составных час-эй, о параметрах участков давления (число, расположение, разме-з!) для вала регулируемого прогиба.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Получена регрессионная модель процесса отжима, необходимая при проверке' адекватности математических моделей процесса отжима. Модель может быть использована при проектировании валковых механизмов (Как' составная часть САПР валковых механизмов).

2. Современные малопрогибные валы классической конструкции и рубашки ваЯов регулируемого прогиба содержат в себе как правило тонкостенные "оболочечные элементы, в которых деформация в окружном направлении (искажение формы поперечного сечения) значительна. Математическое моделирование валов классической конструкции и валов с регулируемым прогибом оболочечными элементами слабо отражено ё "научно-технической литературе.

3. Разработана математическая модель элемента рубашки вала, в виде оболочечного элемента, которая позволяет более точно качественно и количественно по сравнению со стержневой моделью описывать напряжённо-деформированное состояние рубашек валов.

! 4. Разработан алгоритм автоматизированного расчета на прочность и жесткость оболочечных рубашек валов.

5. На основе алгоритма создан программный продукт " 0Ьо1а " для анализа напряженно-деформированного состояния оболочечных рубашек валов, обладающий достаточными при проектировании валов точностью и быстродействием.

6\"На1 основе пакета программ "0Ьо1а" разработан алгоритм пpoe^

- • - - /V • '

тирования'^валкового модуля с валом регулируемого прогиба.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Мартышенко В.Д., Подъячев A.B., Волков A.M., Грошевик Е.А., Полумисков С.А., Ямщиков С.5., Митленер А. Р. Моделирование технологических процессов формирования и обработки текстильных материалов в рабочих органах текстильных машин.- Леп.статья N 350i ЛП 93 ЦНИИТЗИлегпром, 1993 г.

2. Мартышенко В.А., Митленер А.Р. Метод расчета рубашки гибких валов. // Республиканская научно-техническая конференция "Пути, совершенствования технологии и оборудования в льняной отрасли текстильной промышленности (Лен-94)". - Кострома - 1994г.- с.69.

3. Мартышенко В.А., Подъячев A.B., Митленер А.Р. Исследование влияния предварительного обжатия ткани на величину разрывной нагрузки.,/Деп. статья N 3651 Ж ЦНТЭИлегпром, 1996 г.

4. Мартышенко В.А., Митленер А.Р. Алгоритм проектирования ваяа с регулируемым прогибом. // Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы техники и технологии производства льняных изделий (Лен-96)". - Кострома - 1996 г. - с.152.

Автореферат

Митленер А.Р.

Моделирование процесса отжима и разработка метода расчета валов валковых машин

Подписало в печать 22.11.96г. Заказ ?29.КГ1У,Дзержинского 17.