автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Нагрузочная способность привода механизма поворота груза с гибкой связью

0 ОД

1 ДЬН 1898 На правах рукописи

СУХИКГШЛ Екатерина Валериевна

НАГРУЗОЧНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРИВОДА МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА ГРУЗА С ГИБКОЙ СВЯЗЬЮ

05.02.02 - Машиноведение и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Краснодар -1998

Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Бережной С.Б.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ковалевский В.И.

кандидат технических наук, профессор Соколов И.С.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт по монтажным работам ОАО "НИИМОНТАЖ" (г. Краснодар)

Защита диссертации состоится " 16 " декабря 1998 г. в час. на заседании диссертационного совета К 063.40.04 Кубанского государственного технологического университета (г. Краснодар, ул. Красная, 135, ауд. 80)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 350072, Краснодар, ул. Московская, 2

Автореферат разослан " 13 " ноября 1998 г.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 350072, Краснодар, ул. Московская, 2

Ученый секретарь диссертационного совета К 063.40.04 ^ к. т. н, доцент ( А/-^—^- А.в. Пунтус

ОБЩАЯ ХАРАКТШ5ИСГОКА РАЮТЫ

Актуальность темы. Основными задачами, стоящими перед отечественным машиностроением, является создание современных высокопроизводительных, надежных, экономичных и, следовательно, конку-рентноспособнпх машин и механизмов. Для повышения надежности машин, снижения пх массы необходимо использование современных методов динамического расчета на стадии проеетирогания с учетом всех специфических особенностей машины.

Подъемно-транспортные и монтажные операцнн'на большой высоте, в труднодоступных горных условиях (монтаж ВЫСОТНЫХ сооружен!!», радиорелейных вышек, опор ЛЭП и др.) все чащз выполняются вертолетами. При монофилярном подвесе груза (на штатном тросе внешней подвески) поворот груза осуществляют монтажники с помощью расчалок. Однако участие людей в операции поворота груза не всегда возможно из условий их безопасной работы. Поэтому современная технология монтажа оборудования с применением вертолетов должна предусматривать систему азимутальной ориентации груза, включающую в себя гибкую связь (тросовую бифплярную внешнюю подвеску) и механизм поворота (МП), установленный в фюзеляже вертолета. При этом способе монтажа вертолет находится в рожме "внсенил", а разворот груза в требуемое положение по азимуту осуществляется с помощью МП. Это существенно повышает производительность труда и снижает затраты при монтаже оборудования, исключает или уменьшает применение ручного труда при установке оборудования в проектное положение.

Однако при пуске и торможении привода МП с гибкой связью возникают крутильные колебания, усложняющие установку груза в проектное положение и вызывающие дополнительные динамические нагрузки на элементы привода МП, приводящие, как показывает практика, к поломкам деталей механизма поворота. Кроме того, при монтажных работах и транспортировке груза элементы привода и подвески испытывают дополтггельные динамические нагрузки вследствие маятниковых и вертикальных колебаний груза на гибкой подвеске.

Динамические процессы в элементах привода М?1 с гибкой подвеской груза имеют ряд специфических особенностей и являются недостаточно изученными. По этой причине вопросы определения динамических нагрузок, действующих на элементы привода МП с гибкой подвеской груза, не могут быть полностью решены на базе имеющихся иссле-

дований.

В связи с непрерывно расширяющейся потребностью в приводах МП и с изложенным выше, снижение динамических нагрузок в приводе механизма поворота с гибкой подвеской груза является актуальной задачей, решение которой способствует повышению надежности элементов этого привода и безопасности транспортирования и монтажа оборудования и конструкций с помощью вертолетов.

Целью работы является повышение нагрузочной способности элементов привода механизма поворота с гибкой связью путем снижения динамических нагрузок на основе выбора рациональных параметров МП с гибкой подвеской груза и специальных конструктивных методов исключения опасных перегрузок.

Объектом исследования является привод механизма поворота с гибкой связью, применяемый при монтаже оборудования с использованием вертолетов среднего класса (вертолета Ка-32).

Методы исследования. Использованы аналитические, численные и экспериментальные методы. Зависимости для определения динамических нагрузок в элементах привода механизма поворота и гибких связях (подвеске груза) установлены теоретически. Решение полученных дифференциальных уравнений колебаний в системе механизм поворота -гибкая подвеска - груз (МП-ГП-Г) выполнялось аналитически и числен* но с применением ЭВМ. Экспериментальные исследования с целью проверки правильности сделанных допущений и принятых динамических моделей проводились на специальных стендах. Кроме того проводилась экспериментальная проверка установленных теоретических зависимостей в производственных условиях при летных испытаниях на вертолете Ка-32.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- Предложены и научно обоснованы динамические и. математические модели для описания наиболее опасных динамических процессов, происходящих в приводе МП с гибкими связями, используемом при монтаже оборудования с применением вертолета: крутильных колебаний в системе МП-ГП-Г при пуске и торможении МП; маятниковых и вертикальных колебаний груза на гибкой подвеске, возникающих соответственно при изменении скорости точки подвеса груза при транспортировке его и изменении скорости подъема - опускания груза.

- Получены теоретически и эксперимешальпс обоснованы зависимости для определения динамических нагрузок в элементах привода МП и подвески груза, возникающих при крутильных, маятниковых и верти-

кальных колебаниях груза.

- Разработаны рекомендации, позволяющие установить радаонагь-иые параметры гибкой подвески груза, обеспечивающие более благоприятные условия работы элементов привода МП и гибкой подаескп ш счет уменьшения динамических нагрузок и ограничения перемещений, возникающих вследствие колебаний.

- На основании проведенных динамических исследований обоснованы и предложены конструктивные способы уменьшения динамических нагрузок и исключения перегрузок элементов привода МП при наиболее опасных режимах его работы; новизна предложенных конструктивных решений подтверждена двумя патентами РФ на изобретения.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в разработке методики расчета динамических нагрузок, возникающих в элементах механизма поворота с гибкой связью при монтаже оборудования с применением вертолета. Разработанные рекомендации по выбору оптимальных параметров механизма поворота и системы гибкой подвески груза, а также конструктивные способы повышения нагрузочной способности и исключения перегрузок элементов привода и гибкой подвески внедрены в Научно-производственной компании применения авиации в народном хозяйстве (НПК ПАНХ, г. Краснодар) при совершенствовании системы азимутальной ориентации груза для монтажа оборудования с применением вертолетов. Полученные результаты могут быть применены также при совершенствовании механизмов поворота с гибкой подвеской для наземных подьемно-транспортных средств.

Экономический эффект от внедрения указанных разработок и рекомендаций составил 58 млн.руб. в год на один вертолет (в ценах1997г.).

• Дсстсветость результатов и выводов. Корректность постановки задач, обоснованность выбора основных допущений и принятых динамических и математических моделей, аналитических и численных методов, подтверждается удовлетворительным согласованием результатов теоретических исследований и экспериментов на стендах и в производственных условиях, положительным опытом внедрения полученных результатов и рекомендаций в НПК ПАЖ (г. Краснодар) при конструкторских расчетах, доводке и модернизации механизма поворота груза, используемого для монтажа оборудования с применением вертолетоз.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались: на заседаниях кафедры технической механики КубГТУ в 1994-1998 гг.; на научно-методических семинарах "Техническая механика" КубГТУ в 1994-1998 гг.; на Третьей Международной конференции "Концепции развития и высокие технологии производства и ремонта

транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики", г. Оренбург, 1997 г.; на Первой международной научно-технической конференции "Бесступенчатые передачи, приводы машин и промысловое оборудование", г. Калининград, 1997 г.; на Краевых научно-технических конференциях "Автоматизированные производства, САПР ТП в промышленности", г. Краснодар, 1996 г. и 'Проблемы повышения автоматизации производства и надежности новой техники", г. Краснодар, . 1993 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований по теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, получено 2 патента РФ "на изобретения.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 128 наименований, приложения. Основная часть работы изложена ка 158 страницах, содержит 47 рисунков. В приложении на 40 страницах содержатся таблицы с результатами расчетов и экспериментов, осциллограммы итарировочные графики.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность работы.

В первом разделе проанализированы используемые в современной технике основные схемы механизмов поворота (МП), приведен краткий критический обзор работ, посвященных изучению динамических процессов и нагрузок в МП. Проанализированы причины отказов, появляк>-щихся при эксплуатации приводов МП с гибкими связями. Приведенный обзор литературных источников показывает, что в работах по динамике МП рассматриваются вопросы определения динамических нагрузок в механизмах поворота стационарных наземных грузоподъемных машин. Специфической особенностью исследуемого в диссертации механизма поворота, предназначенного для поворота груза вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр масс, является то, что сам МП размещен в фюзеляже вертолета, а вращение от выходного вала МП к грузу передается с помощью гибких связей тросовой бифилярной внешней подвески. Другая отличительная особенность - использование ряда элементов МП (выходного вала, гибкой подвески и одновременно в качестве элементов системы подъема (опускания) и транспортирования

груза к месту монтажа. Динамические характеристики системы МП-ГП-Г зависят не только от параметров привода и груза, но и от геометрических и жесткостных параметров гибкой подзеаси. Указанные специфические особенности привода МП с гибкой связью не позволяют решать вопросы определения динамических нагрузок только на базе имеющихся исследований.

На основе проведенного анализа сформулированы следующие основные задачи исследования, решение которых приводит к поставленной цели:

1. Исследования крутильных колебаний и динамических нагрузок, возникаюшлх в системе механизм поворота - гибкая подвеска - груз при пуске и торможении МП; динамических нагрузок при изменении скорости точки крепления гибких связей к МП н возбуждаемых при этом маятниковых и вертикальных колебаниях груза на гибкой подвеске.

2. Теоретическое обоснование выбора рациональных геометрических параметров гибкой подвески с целью уменьшения динамических нагрузок и амплитуд возникающих колебаний для повышения нагрузочной способности и надежности привода, повышения безопасности транспортных и монтажных работ.

3. Разработка конструктивных методов уменьшения динамическим нагрузок и исключения перегрузок элементоз привода МП для наиболее опасных режимов его работы.

4. Экспериментальное исследование влияния основных параметров системы МП-ГТ1-Г на величину динамических нагрузок ее элементов с целью оценки правильности принятых допущений п установленных теоретических зависимостей, определяющих нагрузочную способность МП.

Во втором разделе проведено теоретическое исследование динамических процессов, возникающих в МП с гибкими связями., рассмотрены основные предпосылки динамического исследования, введены основные допущения, принятые при исследованиях. При исследовании крутильных и маятниковых колебаний груза гибкие связи (канатные стропы) моделируются гибком иерастяжимой нитью, а прилсследованин вертикальных колебаний - гибкой растяжимой нитью, поскольку эти колебания определяются упругой податливостью в основном элементов подвески. Составлены расчетная схема системы (рис. 1, а),ее трехмассо-вая (рис. 1, б) и двухмассовая (рис. 1, в) динамические модели. Инерционные свойства вращающихся частей привода от ротора электро-

двигателя до выходного вала моделируются диском с моментом инерции /). За звено приведения выбран выходкой вал МП. Второй диск с моментом инерции 1% моделирует груз. Третий диск с моментом инерции /3 учитывает инерционные свойства граверсы подвески. Между дисками расположены квазиупругие связи с коэффициентами крутильной жесткости С„ и С). Этими связями моделируются канатные стропы подвески груза. Эквивалентный 1£рэффициент жесткости С характеризует квазиупругие и упругие свойства исследуемого МП с гибкой подееской груза.

Дифференциальные уравнения движения при крутильных колебаниях в исследуемой системе МП-ГП-Г вследствие пуска МП имеют вид:

/! (рх + + С](щ - (р3) = М0 - Л/,; т

• •

- - - ^2) = 0)

• •

^з <Рз~ С\{<р\ -<ръ) + Сп(<р1 -<р3-<р2) = 0,

где <р\, (р1, (¡ъ,- угловые координаты, определяющие положения масс 1\, ¡2, /3; М0=Мпщщ-, й?о=й^ых'Мо ; М„ - пусковой момент электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения; щ - общее передаточное отношение привода МП; щ - КПД привода; М\= Л/Спр приведенный к выходному валу привода МП момент сопротивления вращению; гУтач -максимальная угловая скорость электродвигателя в режиме холостого хода; С„ - коэффициент крутгль-юй жесткости подвески груза; С1 - эквивалентный коэффициент крутильной жесткости подвески траверсы (С„[), выходного вала (С„) и редуктора (Ср) привода МП. Здесь и далее производные по времени обозначены для краткости точками.

Для коэффициентов жесткости С„, Сп] получены выражения:

г 1щаЬ г

си — ---—, — г~-— > .

ф2-(*-Ь)2 -а)2

где т - масса груза; /, 1\, а, а\, Ъ - геометрические размеры подвески; g - ускорение силы тяжести. Решение уравнений (1) выполнялось численным методом на ЭВМ.

Для реальных значений параметров МП величина момента инерции траверсы /? на несколько порядков .меньше величин ¡¡, Ь . Поэтому вместо трехмассовой (рис. 1, б) модели МП с гибкой связью возможно применить двухмассовую (рис. 1,в). Дифференциальный уравнения для такой системы при пуске МП имеют вид:

\ ЭЫ

%

8

Рис.1. Расчетная схема (а), трехмассовая (б) н двухмассовая (в) динамические модели системы МП-ГП-Г при исследовании пуска МП: 1- вертолет; 2- привод МП; 3- выходной вал МП; 4- балансир; 5- подвеска траверсы; 6- траверса; 7- канатные стропы подвески груза; 8- 1руз

М,

?

Мпах, *Ртвх

/ / / / А А ?

ь 1 \ / V/

Ы г> и

Рис.2. Зависимость угла "закрутки" р н динамического крутящего момента М от времени / при пуске МП

1 26 Щ

1 ]

Рис.3. Схема подвески груза с "упругой" траверсой (а) н с распорной балкой (б)

&0 (2)

• •

1г Я>1-С{<Р\-<1>2) = °-

Решение уравнений (2) с нулевыми начальными условиями

9]т = <Р2т - <рщ - <р2 (0) = 0 для пуска МП получено в виде

- М0 ~ Л/1 1

¡1 '(2-Л)2+и2

ем + еа [вш Ш - сое Ш ]

и

(3)

а динамический момент, передаваемый выходным валом привода при пуске МП, определяется га выражения

М=С<р. (4)

В выражении (3) величина <р =<рг <р2 представляет собой угловую деформацию эквивалентного упругого звена с коэффициентом жесткости С, а величина и - частоту собственных крутильных колебаний; величина г характеризует затухание в системе из-за демпфирующих свойств электродвигателя; величина Я представляет собой один из корней характеристического уравнения, соответствующего уравнению (3).

Полученные аналитические зависимости (3), (4) показывают, что рас-сматрзшагмая динамическая система МП-ГП-Г находится в колебательном состоянии с частотой собственных колебаний, равной и. Величина 2 получается сосательной, поэтому ксдебажи будут затухающими.

Графики зависимости угла "закрутки" <р упругого звена С и динамического момента М при пуске от времени / показаны на рис. 2. Для удобства анализа влияния параметров привода и подвески на динамику' МП использовалось численное интегрирование уравнений (2) на ЭВМ. Результаты аналитического и численного решений идентичны.

Доказано, что при торможении МП угол "закрутки" <р груза с достаточной точностью может быть представлен выражением

<р = ——5шр( + <р(0) сОБр(, (5)

Гс

где р — А— - частота свободных крутильных колебаний груза на

гибкой подвеске; Щщ - угловая скорость выходною гола привода МП в момент, непосредственно предшествующий торможению (при /=0); Щщ -

начальный угол "закрутки" груза (при /=0).

Если к моменту начала торможения колебания в системе МП-ГП-Г, вызванные пуском, затухли, то

В разделе 2 также составлены динамическая и математическая модели системы с гибкой подвеской груза при его подъеме - опускании. В этом режиме возникают вертикальные колебания груза вдоль оси у на гибкой подвеске, обусловленные изменением скорости подъема (спускания) точки крепления подвески к выходному валу МП и упругостью элементов подвески и вала. С учетом деформаций упругих элементов (подвески груза, подвески траверсы и выходного вала) получено следующее выражение для определения частоты собственных вертикальных колебаний груза

I-(6)

т

' ' . h , 4

\2ЕК A cos2 у г 2 Ек Ах cos2 у\ Ев Аа) где /, //, U - длина соответственно канатных стропов подвески груза, подвески траверсы и вала; А,А/,Ае- площадь поперечного сечения канатных стропов подвески груза, траверсы н вала; Ек, Ев - модуль упругости соответственно стального каната и вала; ft - углы наклона канатных стропов подвеска (см. рис. 1, а).

В работе показано, что одгатм из способов уменьшения дингмнчесшге нагрузок при вертикальных колебаниях груза является применение специальной "упругой" траверсы. Если вместо жесткой недеформнруемой траверсы в ее конструкцию ввести амортизатор в виде специальных упругих элементов (с большим коэффициентом внутреннего трения), то можно существе пно уменьшить коэффициент динамичности при рассматриваемых колебаниях. Получены аналитические зависимости, устанавливающие связь между перемещением груза и перемещениями всех элементов подвески, включая выходкой Еал МП, на основании которых найдено выражение для частоты вертикальных колебаний системы с "упругой" траверсой

Ру =

\

1

\

(7)

2Е!(А1<х^у1 АСА _ ZJ

где С а - коэффициент жесткости амортизатора.

Применение "упругой" траверсы (рис.3,а) приводит к значительному уменьшению коэффициента динамичности нагрузок в элементах подвески, что способствует повышению надежности элементов привода МП. Предложенный способ уменьшения динамических нагрузок

реализован в устройстве для стабилизации вращения груза, на которое получен патент РФ на изобретение.

Поскольку в системе МП-ГП-Г кроме крутильных и вертикальных колебаний возникают еще и маятниковые колебания груза на гибкой подвеске, раздел 2 заканчивается кратким исследованием этих колебаний. Показаны причины возникновения маятниковых колебаний, приведены выражения для углового перемещения у/, угловой скорости у/, углового ускорения \р и частоты р„ груза с учетом момента инерции груза, геометрических размеров подвески и груза. Полученные выражения для щ у/, ру использованы в разделе 3 для определения динамических нагрузок в подвеске при маятниковых колебаниях груза.

В третьем разделе рассмотрены статические и динамические нагрузки, действующие на элементы механизма поворота и подвеска груза. При анализе статических нагрузок рассмотрены два варианта внешней подвески: без распорной балки и с распорной балкой (рис.3,а,б), получены выражения для определения усилий в канатных стропах и траверсе; найдены выражения для статических нагрузок в этих же элементах при отклонении груза от вертикального положения за счет воздействия воздушного потока на груз при его транспортировании. Эти нагрузки необходимо учитывать при прочностных расчетах с использованием коэффициента динамичности нагрузок при различных режимах работа МП.

Для определения величины динамического крутящего момента, передаваемого выходным валом привода МП при пуске или торможении, необходимо знать угол "закрутки" <р эквивалентного упругого звена. У гол ф определяется из выражений (3), (5), а динамический крутящий момент - по формуле (4). Показано, что максимальное значение динамического момента прп пуске МП возникает в первой полуволне колебаний при =1/4, где т- период собственных крутильных колебаний системы МП-ГП-Г, определяемый по формуле

г = —. <П

и

где и - частота собственных крутильных колебаний, выражение для которой получено в разделе 2.

Наибольший динамический крутящий момент, передаваемый выходным валом МП при пуске определяется из формул (3), (4) при / = Ц. Менее трудоемким способом величина наибольшего динамического момента получена при использовании численного метода решения с применением ЭВМ.

При торможении МП динамический крутящий момент при начальном смещении груза Щоу^ следует определять из выражения

где р = д/С//2 - по-прежнему частота крутильных колебаний груза при торможении привода МП; С - эквивалентный коэффициент жесткости квазиупругого звена между грузом и приводом, включающего в себя подвеску груза, подвеску траверсы и выходной вал МП.

Из формулы (9) видно, что динамический крутящий момент периодически изменяется с частотой р (и периодом г=2я7/?). Максимальное значение динамического крутящего момента равно

= (Ю)

Сравнение величин максимальных динамических крутящих моментов при пуске и торможении показало, что динамический момент при торможении больше, чем при пуске, поэтому режим торможения - опасный режим работы МП.

Разработанная в разделе 3 методика определения динамического крутящего момента, действующего на выходной вал привода МП , дает возможность проводить прочностные расчеты элементов привода с учетом перегрузок при пуске и торможении МП.

Для двух других режимов работы (транспортирование и подъем -опускание груза) для определения динамических нагрузок, действующих на элементы подвески груза (канатные стропы, траверсу, балансир и др.) и на выходной вал удобно пользоваться коэффициентом динамичности нагрузки, который представляет собой отношение максимальной нагрузки, возникающей вследствие вертикальный или маятниковых колебаний к соответствующей статической нагрузке на рассматриваемый элемент МП.

Коэффициент динамичности нагрузки при подъеме - опускании груза и возбуждаемых при этом вертикальных колебаниях груза равен Г

К =1+-¿.у (11)

у т8Ру

где У(0) - начальная скорость груза в момент возникновения колебаний.

Проведенные расчеты для "жесткой" и "упругой" траверс показывают, что введение в систему амортизатора с коэффициентом жесткости Сл существенно уменьшает коэффициент динамичности к^ и динамическую нагрузку (до 1,86 раза).

Для определения усилия Г, в эквивалентной гибкой связи при ма-

ятняковых колебаниях методом кинетостатики получено выражение Тэ = /Цсо^о соър^) + Щ зш2 , (12)

где щ - начальный угол отклонения подвески (н выходного вала) от вертикали; для вертолета Ка-32 допускаемое значение у-'о составляет 0,262 рад.

С целью упрощения расчетов максимальное значение величины Т3 следует определять из приближенного выражения

^шах^^ + ^о)- , ' (13)

Этому значению Г, соответствует коэффициент динамичности

=1 + ^0- ' 04)

Допускаемому значению угла рад будет соответствовать

значение /0^=1,07, следовательно, максимальное динамическое усилие,

действующее на выходной вал привода МП при маятниковых колебаниях груза, превышает статическое на 7 %.

Четвертый раздел посвящен исследованию методов повышения нагрузочной способности привода механизма поворота с гибкой связью. Разработана методика расчета на прочность гибких связей (канатных стропов подвески), для наиболее опасного режима - режима торможения привода МП. Получено следующее выражение для определения усилия натяжения канатных стропов подвески груза

r-lftf*

f\

CI2 Sin2 I—t. (15)

b ) 2 ih Установлена зависимость для динамического коэффициента уси-

лии натяжения канатных стропов подвески груза и подвески траверсы Кдг = J1 +

Г^Агс,2. Об)

bmg J

Выражения для коэффициента динамичности усилий в канатных стропах соответственно при маятниковых и вертикальных колебаниях груза на гибкой подвеске имеют вид

Kdvr = * + ¥0> О7)

V(0) СэкЗу

4=1 + _U -—. (18)

> g v m

Величина коэффициента жесткости Сэкв в последней формуле

определяется для существующего МП с учетом выражения (6), а для предлагаемого МП с "упругой" траверсой по запатентованному изобретению - с учетом выражения (7).

.Формулы (16) ' (18) следует использовать при расчете канатных стропов по требуемому разрывному усилию, определяемому по нормам и правилам Гостехнадзора; при этом следует брать наибольшее из трех возможных значений коэффициентов динамичности усилий в подвеске.

Приведена методика расчета эквивалентных напряжений, возникающих в поперечном сечении выходного вала привода МП. Нормальные напряжения от растягивающих усилий (веса груза) определяются с учетом коэффициента динамичности к#у, а напряжения кручения - с учетом коэффициента динамичности

' М"сР

При этом максимальный крутящий момент, передаваемый выходным валом, будет равен

МКтзх = М? • кдн = М? + М*т = М»Р + Ю(0)л/^2 • (20)

Выражение (20) показывает, что наибольший крутящий момент, передаваемый выходным валом привода МП, зависит не только от момента сил статического сопротивления вращению, но и от угловой скорости вращения &\о). коэффициента жесткости С системы и момента инерции /2 груза.

Полученные в работе аналитические зависимости, связывающие динамические нагрузки в элементах привода МП с геометрическими, кинематическими и инерционными параметрами Привода, подвески и груза, позволили подойти к вопросу оптимизации параметров подвески и привода и наметить пути их оптимизации с учетом всех специфических особенностей рассматриваемой системы, главная из которых - наличие гибкой квазиупругой связи между выходным валом МП и грузом.

Для облегчения "наведения" груза при установке его в проектное положение, обеспечения быстрой стыковки секционных грузов и нормальной работы "ловителей" (устройств, обеспечивающих точную установку груза), необходимо так назначить параметры механизма и подвески, чтобы обеспечить выполнение условия <ртах :£.[#>], где [ср ] -допускаемый угол "закрутки" груза, зависящий от конструкции ловителей и технология монтажа.

Расчета по найденным зависимостям показали, что для ограничения угла поворота груза фп» возможны несколько вариантов:

- использовать специальную распорную балку, устанавливаемую

между грузом и траверсой подвески;

- уменьшить угловую скорость поворота выходного вала МП;

- »вменить геометрию подвески, сделав ее "жесткой". Последнее достигается за счет уменьшения длины канатных стропов / или увеличения расстояния между точками подвеса груза. Оптимальная длина подвески / груза нз условия ограничения угла его "закрутки" должна удовлетворять неравенству

2 _

(21)

Для предотвращения поломок .выходного вала под действием динамического крутящего момента получено выражение для определения допускаемой угловой скорости выходного вала МП

(22)

где Гг- предел текучести материала вала; [х] - допустимый запас прочности вала; соответственно наружный и внутренний диаметр выходного вала кольцевого поперечного сечения.

Предложены и рассмотрены семь возможных консгрукпюных способов повышения нагрузочной способности элементов привода МП и гибкой подвески и уменьшения динамических нагрузок при колебаниях.

1. Изменение конструкции существующей траверсы (конструкции НПК ПАНХ) путем установки вдоль ее продольной оси набора специальных упругих элементов с большим коэффициентом внутреннего и внешнего трения, что приводит к интенсивному рассеиванию энергии при колебаниях. На предложенный способ демпфирования динамических нагрузок -с помощью "упругой" траверсы получек патент РФ (№2087411 от 20.08.97).

2. Изменение конструкции внешней подвески груза путем замены типовой двухстроповой подвески на четырехстроповую с двумя уравнительными блоками. Перекатывание блоков по канатным стропам приводит к рассеиванию энергии крутильных колебаний и предохраняет стропы и другие элементы МП от перегрузок при зацепе монтируемого оборудования при его развороте за какое-либо препятствие. Новизна, полезность и эффекшвносп» предоо-женного решения подтверждается патентом РФ (№2088482 от 27.08.97)

3. Применение специальной фрикционной предохранительной муфты, устанавливаемой в месте соединения балансира с выходным валом МП. В этом случае предохранительная муфта работает в "стерегущем" режиме и вступает в действие при перегрузках МП вследствие крутильных колебаний,

предотвращая тем самым поломки выходного вала и других злемешхэв МП.

4. Установка дополнительной распорной балки с целью увеличения !:ру-•пшьной жесткости подвески груза, при этом распорную балку, как и траверсу, можно сделать "упругой", разместив вдоль ее оси упругие демпфирующее элементы, что способствует интенсивному гашению колебаний.

5. Установка специальных демпферов-амортизаторов непосредственно в самих гибкие* связях.

6. Совмещение специальной предохранительной фрикщклшсй дисковой муфты с демпфером колебаний. Демпфирующий эффект достигается за счет применения специального рез5вювого кольцевого элемента, верхняя поверхность которого является поверхностью трения.

7. Для увеличения прочности и жесткости выходного вала МП (при од-современном снижешш его массы) целесообразно прхшимать кольцевую форму его поперечного сечения, а для удобства эксплуатации, монтажа (демонтажа) -МП выходной вал выполняется шарнирно-сочлененным, при этом длина каждой секции вала не должна быть чрезмерно большой из-за опасности потеря устойчивости при кручении.

Отмечается, что первый, четвертый, пятый и шестой конструктивные методы являются универсальными, так как уменьшают динамические нагрузки ii, следовательно, способствуют повышению надежности и нагрузочной способности злементоз МП и гибкой подвески при всех переходных режимах работы МП: крутильных колебаниях при пуске и торможении МП, маятниковых и вертикальных колебаниях груза га гибкой подвеске.

В пятом разделе приведена методика и результаты экспериментального исследования динамических процессов, происходящих в МП с гибкой подвеской "груза. Главная задача исследований заключалась в получении исходных предпосылок для построения расчетных динамических моделей привода МП с габкой связью, проверке полученных теоретическим путем зависимостей, определяющих величину и характер изменения динамических нагрузок на элементы МП.

На первом этапе экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на специальных стендах с использованием методов тензометрии. Приведено описание трех стендов. Для экспериментальной проверки разработанной методики определения частоты крушльньгГ-кблебаний и характера изменения динамического крутящего момента при торможении МП применялся стенд №1. Поворот груза в нем осуществлялся ог двигателя постоянного тока через червячно-цилиндрический редуктор, на выходном валу которого был жестко закреплен упругий элемент - тензобалочка, являющаяся

датчиком крутящего момента и выполняющая одновременно функцию н балансира, и траверсы реального МП. Груз в виде двух дисков, закрепленных на стержне, подвешивался с помощью гибких связей к левому и правому концам тегоооалочки. Момент инерции груза варьировался за счет изменения взаимного положения дисков.

На стенде № 2, схема подвески груза которого идеяшчна внешней подвеске груза на верггалете,Ка-32, проводилась экспериментальная проверка найденных в разделе 2 зависимостей частоты крутильных колебаний от геометрических параметров не только подвески груза, но и подвески траверсы, в т.ч. с применением распорной балки. •

Экспериментальная проверка основных теоретических предпосылок дая исследования динамических нагрузок при пуске и торможении была продолжена на стенде № 3. Привод стенда состоял из балзлсирного мотор-редуктор! компенсирующей муфты, промежуточного вала, конической зубчатой передачи и вертикального выходного вала, к которому прикреплена тензобаточка. К тензобалочке на гибких связях подвешивался груз. Цилиндрический корпус мотор-редуктора мог поворачиваться вокруг оси, совпадающей с осью выходного вала. На статоре электродвигателя постоянного тока был закреплен рычаг, воздействующий на вторую тензобалочку при повороте статора под действием реактивного момента. Таким образом, крутящий момент на выходном валу регистрировался двумя независимыми друг от друга датчиками.

В результате экспериментов на стегщах установлено следующее:

- методика определения частоты крутильных колебаний должна учитывать особенности подаески груза и подвески траверсы; пренебрежение величиной коэффициента жесткости подвески траверсы С„] дает значительную ошибку в расчетах;

- процесс изменения динамического момента на выходном салу МП во времени при пуске и торможении МП носит колебательный характер; при этом максимальный крушций момент при торможении больше по абсолютной величине, чем при пуске;

- разработанная методика расчета ярушцего момента, действующего ка выходной вал МП, дает достаточно точное (для инженерных расчетов) совпадешь с результатами эксперимента не только по величине динамических нагрузок, но и по форме (характеру) кривых изменения динамического крутящего момента во времени.

На втором этапе проводились натурные экспериментальные исследования в производственных условиях с механлзмоь; поворота конструкции НПК ПАНХ, уствновленнЗм в фюзеляже вертолета Ка-32. Экспер;агагг про-

водился в легко-испытательном комплексе (ЛИК НПК ПАНХ, г. Краснодар) согласно договору о научно-техническом содружестве между НПК ПАНХ и кафедрой технической механики КубГТУ. Целыо летных испытаний являлась проверка полученных аналитических зависимостей для определения динамических нагрузок в элементах привода МП, углов "аахрутки" и угловой скорости груза при кругалышх колебаниях.

В ходе эксперимента применялись следующие приборы и оборудование: гироскопические датчика (типа ГПК-52) угла поворота груза и вертолета; датчики (тала ДУС) угловой скорости вертолета и груза; потенцио-метрические датчики угла отклонения выходного вала от вертикали в двух взаимно перпендикулярных верпжальных плоскостях; тензометрический датчик крутящего момента на промежуточном валу привода МП; нагрузочная система к тензометрическому датчик крутящего момента, шлейфовый ос-цилллотраф К6-53 с отметчиком времени и согласующим устройством (усилителем): В качестве груза использовалась металлоконструкция решетчатого типа (ферма) с двумя дополнительными массами. Общая масса груза составляла 3600 кг, момент инерпии груза при вертикальном его г.одаесе равнялся 3456 кг-м2. Длина под вески в одной серии опытов экспериментов была 10 м, в другой - 5 м. Расстояния 2а=1,34 м; 2^=1,96 м.

Крутильные колебания груза возбуждали методом "обращения" движения: груз разворачивали вокруг вертикальной оси у, проходящей через центр масс груза, с помощью вертолета, находившегося в режиме "висения" на 90 град. Ось у совпадала с осью выходного вала привода МП. Величина угловой скорости "обращенного" движения, время разгона (пуска), время установившегося вращательного движения и время торможения определялись по осциллограммам. По осциллограммам также определялся угол поворота вертолета в "обращенном" движении, угол поворота груза при крутильных колебаниях и его угловая скорость, крутящий момент на промежуточном вату привода МП.

Проводились измерения всех перечисленных параметров и при горизонтальных полетах, но главной целыо было измерение угла маятниковых колебаний при транспортировании груза.

В результате обработки осциллограмм, полученных при экспериментах в производственных условиях, установлено следующее:

- процесс крутильных колебаний груза на гибкой подвеске носит моногармонический характер; экспериментальные кривые для угла "закрутки" гру за, угловой скорости груза и крутящего момента по характеру и форме совпадают с расчетными кривыми по установленным теоретическим зависимостям;

- крутильные колебания груза на подвеске практически не оказывают

влияния на угловые смещения вертолета, поэтому допущение о том, что вертолет при крутильных колебаниях является неподвижной инерциальной системой, подтверждается экспериментально;

- расхождение расчетных и экспериментальных данных по частоте колебаний, максимальному углу "закрутки" груза и наибольшему динамическому крутящему момешу при крушльных колебаниях не превышает 22 %;

- при горизонтальном транспортировании груза возбуждаются малые крутильные и маятниковые колебания; угловые смещения при маятниковых колебаниях находятся в пределах нормы; расчетные и экспериментально найденные значения частоты отличаются друг от друга на 6 %; угол "закрутки" груза при крутильных колебаниях в режиме транспортирования на порядок меньше, чем при торможении выходного вала привода МП

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Выполнено комплексное исследование основных динамических процессов, возникающих в механизме поворота (Kill), используемом для азимутальной ориентации груза при монтаже оборудования с применением вертолета, при наличии гибкой связи (гибкой канатной подвески) между выходным валом привода МП и грузом; составлены динамические и математические модели, описывающие динамику системы механизм поворота - гибкая подвеска -груз (МП-ПТ-Г) для режимов пуска и торможения МП, подъема-опускания груза, транспортирования груза.

2. Разработана методика определения динамического крутящего момента, действующего на выходной вал привода МП при пуске и торможении МП с учетом влияния гибкой подвески груза, подвески траверсы и упругой податливости валов привода МП, дающая достаточную для инженерных расчетов сходимость с результатами лабораторных и натурных экспериментальных исследований.

3. Установлена зависимость коэффициента динамичности продольного усилия выходного вала привода при вертикальных колебаниях груза вследствие его подъема -опускания и при маятниковых колебаниях груза в режиме транспортирования от массы (момента инерции) груза, коэффициента, жестко сти системы, начальной скорости груза

4. Установлено, что д инамический крутящий момент на выходном валу МП при торможении значительно больше, чем при пуске, следовательно, режим торможения является более опасным.

5. Разработанная методика определения динампчсс:с:х нагрузок, действующих на выходной вал привада МП, дает возможность производить расчеты

выходного вала на прочность, жесткость и устойчивость (при кручении срс. тяжением), а также производить прочностные расчеты других элеметов привода с учетом динамических перегрузок.

6. Разработанная методика динамического расчета элементов механизма поворота с гибкой подвеской груза может был. применена для наземных грузоподъемных механизмов.

7. Дано теоретическое обоснование способов уменьшения динамических нагрузок при подъеме (опускании) груза и демпфирования крутильных колебаний; предложена принципиальная схема конструкции "упругой" траверсы с демпфирующими упругими элементами. На предложенный способ стяжения динамических нагрузок получен патент РФ на изобретение.

8. Для уменьшения перегрузок деталей привода при работе МП предложена принципиально новая система четьзрехстроповсй подвески с двумя уравнительными блоками, на которую получен патеэт РФ на изобретение.

9. Для автоматического предохранеюш деталей привода МП от перегрузок при кругаяьных колебаниях предложено использовать дисковую фрикционную предохранительную муфту, устанавливаемую нз выходном валу МП в месте соединения с гибкой подвеской. Применение в конструкции муфты резинового кольцевого элемента в качестве одной из поверхностей трения создает демпфирующий эффект при других видах колебаний.

10. Рекомендации, выработанные в результате проведенных исследований, мгтодш<а расчета дшгамичеекпх нагрузок, возникающих при работе привода йОТ с гибкой подвеской груза, переданы и приняты к внедрению Научно-производственной компанией применения авиации в народном хозяйстве (НИК ПАНК г. Краснодар).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Сухинина Е.В., Бережной С.Б., Иосифов В.В., Солуянов Ю.М. Кру-тилыше колебазшя груза на внешней подвеске вертолета при монтаже оборудования // Проблемы повышения автоматизации производства и надежности новой техшжи: Тезисы докладов. Дом науки и техники РосНИО. - Краснодар, 1993.-С. 25-26.

2. Сухшпш В.Н., Солуянов Ю.М, Сухинина Е.В., Иосифов В В. Система азимутальной фиксации груза для вертолета Ми-ЮК // Проблемы повышения автоматизации производства и надежности новой техники: Тезисы докладов. Дом науки и техники РосНИО. - Краснодар, 1993. - С. 23-24.

3. Сухинина Е.В., Сухинин В Н., Солуянов Ю.М., Бережной С Б. Дина-

мическая модель механизма ориентации груза Н Кнструмгнтообеспечещкг и современные технологии в технике: Сб. науч. тр. / Под ред. д.т.н. проф. В.Г. Солоне.'жо.- Сев.-Кавказ. Отдал. Академии проблем качества РФ, Краснодар. Дом науки и техники РосНИО. - Краснодар, 1994. - С. 71 -73.

4. Сухишш В.Н., Сухинина ЕВ., Солуянов ЮМ. Динамические нагрузки в цепной передаче транспорта o-moi 1таяа гого манипулятора // Цепные передачи и приводы: Сб. rays. тр. / Кубанский гос. технолошч. ун-т. - Краснодар, 1995.-С. 102-107.

5. Сухинина Е.В., Иосифов В.В. Крутильные колебания в системе "механизм - подвеска - груз" при монтаже оборудования с применением вертолетов // Сб. тезисов научных работ студентов, отмеченных наградами и поощрениями на конкурсах. - Краснодар: Изд. КубГТУ. - Вып.1. -1996. - С. 71-74.

6. Сухишш В.Н., Сухинина Е.В., Шайдеров АА. Механизм поворота с радиоуправлением // Автоматизированные производства. САПР ТП в промышленности: Тезисы докладов к краевой научно-технической конференции.

. Дом науки и техники РосНИО. - Краснодар, 1996. - С. 34 -35.

7. Сухинина ЕВ., Сухишш ВН., Солуянов ЮМ. Механизм поворота с канатным приводом // Автоматизированные производства. САПР ТП в промышленности: Тезисы докладов к краевой научно-технической конференции. Дом науки и техники РосНИО. - Краснодар, 1996. - С. 33.

8. Сухннин ВН., Сухинина Е.В. Динамические нагрузки в цепной передаче привода с тягово-несущим канатом // Автоматизированные производства. САПР ТП в промышленности: Тезисы докладов к краевой научно-технической конференции. Дом науки и техники РосНИО. - Краснодар, 1996. - С. 36-37.

9. Сухинин ВН., Бережной С.Б., Сухинина ЕВ. Динамические нагрузки при пуске и торможении в механизме поворота с гибкой подвеской груза // Инструментообеспечение и современные теханологии в технике и медицине: Сб. науч. тр. / Под ред. д.т.н. проф. В.Г. Солоненко. - Сев.-Кавказ. Отдел. Академии проблем качества РФ, Донской гос.технич. ун-т,- Ростов-на-Дону, 1997-С. 96-100.

10. СухишшаЕВ., Сухинин ВН., Бережной Ci. К вопросу опреяелетшя динамических нагрузок в приводе механизма поворота с гибкой связью // Бесступенчатые передачи и приводы машин и промысловое оборудование: Сб. гезисов докладов Первой Международной научно-технической конференции. -Калининград, Калининградский государственный технический университет, .1997,-С. 78.

11. Сухинина Е.В., Бережной СЕ. ДинамнчсхКыС нагрузки в механизме поворота с гибкой связью // Концепция развитая и высокие технологи: про-

изводства и ремонта транспортных средств в условиях постиндустриальной экономию« Тезисы докладов Третьей Международной научно-технической конференции / Оренбургский государственный университет. - Оренбург: ОГУ. -1997.-С. 195-196.

12. Патент РФ № 2087411, МКИ6 С1 В 66 Б 11/00, В 64 Б 1/22. Устройство для стабилизации вращения 1руза / В.Н. Сухинин, Ю.М. Солуянов, Е.В. Сухинина, СБ. Бережной; Кубанский гос.технологич. ун-т, Заявл. 30.06.95; Опубл. 20.08.97. Бюл. № 23.

13. Патент РФ № 2088482, МКИ6 С1 В 64 Б 9/00. Система внешней подвески груза к вертолету / В.Н. Сухинин, Ю.М. Солуянов, Е.В. Сухинина, СБ. Бережной; Кубанский гос. технологии, ун-т, Заявл. 25.04.95; Опубл. 27.08.97. Бюл. №24.

Подписано в печать 10.IX.96г. 1 Краснодар. Типография Луб! ТУ. Заказ > Тираж 100.



./ г Д> /> ^ и- 7 / ^ чг' / ^ -У

I

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Сухинина Екатерина Валерьевна

НАГРУЗОЧНАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРИВОДА МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА ГРУЗА С ГИБКОЙ СВЯЗЬЮ

05.02.02 - Машиноведение и детали машин

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -канд. техн. наук, профессор С.Б.Бережной

Краснодар, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................................................4

1. Обзор литературы. Постановка задач исследования...............................................8

1.1. Основные типы приводов механизма поворота груза с гибкими связями и их анализ.............................................................................................................................8

1.2. Расчетные модели приводов механизма поворота с гибкими связями............................14

1.3. Анализ методов исследования динамических нагрузок в приводах механизмов поворота с гибкими связями........................................................................................16

1.4. Анализ отказов, возникающих при эксплуатации механизмов поворота груза............32

1.5. Выводы и задачи исследований............................................................................37

2. Исследование динамических процессов, возникающих в механизме поворота груза с гибкими связями.............................................................................................40

2.1. Основные предпосылки динамического исследования механизма поворота с гибкой подвеской груза..............................................................................................40

2.2. Динамические модели системы "механизм - - груз" при исследовании крутильных колебаний.............................................................................46

2.3. Дифференциальные уравнения движения системы "механизм - подвеска - груз" при крутильных колебаниях........................................................................................51

2.4. Динамическая и математическая модели системы с гибкой подвеской при подъеме (опускании) груза с применением вертолета...............................................71

2.5. Динамическая и математическая модели при исследовании маятниковых колебаний

груза, возникающих при его транспортировании вертолетом.............................................81

Выводы.........................................................................................................................84

3. Статические и динамические нагрузки, действующие на элементы механизма поворота груза.............................................................................................................87

3.1. Статические нагрузки в элементах гибкой подвески груза и в приводе..................87

3.2. Динамические нагрузки вследствие крутильных колебаний груза при пуске и торможении механизма................................................................................................92

3.3. Динамические нагрузки от действия вертикальных колебаний при подъеме (опускании) груза...........................................

.ашп 14/^x4x14/ них ^ л\п V/ х д^пчлшш шил 1хити1»1лл пи^^иинхш ^и...............

........................................................................................................................1

;дование методов повышения нагрузочной способности механизма пово|

I.......................................................................................................................1

одика расчета гибкой подвески груза на прочность с учетом динамичес]

ма нагружения...............................................................................................

годика расчета элементов привода на прочность и жесткость с учетом I

;нта динамичности нагружения...................................................................1

:омендации по выбору оптимальных параметров механизма поворота и сз экой подвески груза.....................................................................................11

Заключение.. Литература.. Приложения

159 169

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей, стоящей перед отечественным машиностроением, является создание современных высокопроизводительных, надежных, экономичных и конкурентоспособных машин и механизмов. Для повышения надежности машин, снижения их массы необходимо использование современных методов динамического расчета на стадии проектирования с учетом всех специфических особенностей машины.

Для механизации подъемно-транспортных и монтажных операций на большой высоте, в труднодоступных горных условиях (монтаж высотных сооружений, радиорелейных вышек, опор ЛЭП и др.) используются вертолеты. При монофилярном подвесе груза (на штатном тросе внешней подвески) поворот груза осуществляют монтажники с помощью расчалок. Однако участие людей в операции поворота груза не всегда возможно из условий их безопасной работы.

Современная технология монтажа оборудования с применением вертолетов должна предусматривать систему азимутальной ориентации груза, включающую в себя гибкую связь (тросовую бифилярную внешнюю подвеску) и механизм поворота (МП), установленный в фюзеляже вертолета. При этом способе монтажа вертолет находится в режиме "висения", а разворот груза в требуемое положение по азимуту осуществляется с помощью МП. Это существенно повышает производительность труда и снижает затраты при монтаже оборудования, исключает или уменьшает применение ручного труда при установке оборудования в проектное положение.

При пуске и торможении привода МП с гибкой связью возникают крутильные колебания, усложняющие установку груза в проектное положение и вызывающие дополнительные динамические знакопеременные нагрузки на элементы привода МП, приводящие к поломкам деталей механизма

поворота. Кроме того, при монтажных работах и транспортировке груза элементы привода и подвески испытывают дополнительные динамические нагрузки вследствие маятниковых и вертикальных колебаний груза на гибкой подвеске.

Динамические процессы в элементах привода МП с гибкой подвеской груза имеют ряд специфических особенностей и являются недостаточно изученными, хотя потребность в таких приводах непрерывно расширяется.

Вопросы определения динамических нагрузок, действующих на элементы привода МП с гибкой подвеской груза, не могут быть полностью решены на базе имеющихся исследований.

В связи с изложенным выше, поиск возможных путей снижения динамических нагрузок в приводе механизма поворота с гибкой подвеской (Ьвязью 7 является актуальной задачей, решение которой способствует повышению надежности и долговечности элементов этого привода.

Целью работы является исследование методов повышения нагрузочной способности элементов привода механизма поворота (МП) с гибкой связью путем снижения динамических нагрузок на основе выбора оптимальных параметров МП и гибкой подвески и специальных конструктивных способов исключения опасных перегрузок.

Зависимости для определения динамических нагрузок в элементах привода механизма поворота и гибких связях (подвеске груза) установлены теоретически. Решение полученных дифференциальных уравнений колебаний в системе: механизм - подвеска - груз выполнялось аналитически и численно с применением ЭВМ. Ввиду сложности рассмотрения некоторых вопросов, связанных с определением динамических нагрузок в приводе МП, и с целью упрощения полученных решений, сделан ряд допущений, которые оговариваются в соответствующих разделах настоящей работы. Экспериментальные исследования проводились на моделирующих стендах для проверки правиль-

ности сделанных допущений и принятых динамических моделей. Окончательная экспериментальная проверка установленных теоретических зависимостей проводилась в производственных условиях при летных испытаниях на вертолете Ка-32.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложены и обоснованы динамические и математические модели:

- для описания наиболее опасных динамических процессов, происходящих в приводе механизма поворота (МП) с гибкими связями, используемого при монтаже оборудования с применением вертолета: пуска и торможения МП;

- для исследования маятниковых и вертикальных колебаний груза на гибкой подвеске, возникающих соответственно при изменении скорости точки подвеса груза при транспортировке его к месту монтажа и изменении скорости подъема (опускания) груза.

2. Получены теоретически и экспериментально подтверждены выражения для определения динамических нагрузок в элементах привода МП и подвески груза, маятниковых и вертикальных колебаний груза на гибкой подвеске.

3. Выработаны рекомендации по выбору рациональных параметров гибкой подвески груза с целью обеспечения более благоприятных условий работы элементов привода МП и гибкой подвески: уменьшения динамических нагрузок или ограничения перемещений, возникающих вследствие колебаний.

4. На основании проведенных динамических исследований предложены конструктивные способы уменьшения динамических нагрузок и исключения перегрузок элементов привода МП для наиболее опасных его режимов работы; на предложенные способы получено два патента РФ на изобретения.

Практическая ценность и внедрение работы заключается в разработке

методики определения динамических нагрузок, возникающих в элементах механизма поворота с гибкой связью при монтаже оборудования с применением вертолета. Разработанные рекомендации по выбору оптимальных параметров механизма поворота и системы гибкой подвески груза и конструктивные способы повышения нагрузочной способности и исключения перегрузок элементов привода и гибкой подвески внедрены в Научно-производственной компании применения авиации в народном хозяйстве (НПК ПАНХ, г. Краснодар) при совершенствовании системы азимутальной ориентации груза для монтажа оборудования с применением вертолетов. Полученные результаты могут быть применены при совершенствовании и для механизмов поворота с гибкой подвеской для наземных подъемно-транспортных средств.

Экономический эффект от внедрения указанных разработок и рекомендаций составил 58 млн. руб. в год на один вертолет (в ценах 1997 г.).

Достоверность результатов и выводов подтверждается удовлетворительным согласованием результатов теоретических исследований с результатами экспериментальных исследований на моделирующих стендах и в производственных условиях, положительным опытом внедрения полученных результатов и рекомендаций в НПК ПАНХ (г. Краснодар) при конструкторских расчетах, доводке и модернизации механизма поворота для монтажа оборудования с применением вертолетов.

Настоящая работа выполнена на кафедре "Техническая механика" Кубанского государственного технологического университета. Заключительные экспериментальные исследования механизма поворота груза с гибкой связью, установленного на вертолете Ка-32, проводились в летно-испытательном комплексе Научно-производственной компании применения гражданской авиации в народном хозяйстве в соответствие с договором о научно-техническом сотрудничестве между НПК ПАНХ и кафедрой "Техническая механика" КубГТУ.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные типы приводов механизма поворота с гибкими связями

1.1.1. Механизмы поворота груза с гибкими связями нашли применение в настоящее время в качестве механизмов азимутальной ориентации груза при монтаже оборудования с применением вертолетов, строительстве высоковольтных линий электропередач, а также при работе специальных грузоподъемных устройств с большегрузными контейнерами, при монтаже тяжелого крупногабаритного оборудования и в других случаях [7, 41, 95, 98]. Основные элементы типовых механизмов поворота с гибкими связями показаны на рис. 1.1-1.3. Эти механизмы поворота используются для азимутальной ориентации груза, т.е. для разворота груза в горизонтальной плоскости на требуемый угол, что весьма удобно для установки оборудования в проектное положение при выполнении монтажных работ [10, 29, 79, 81].

В отличие от традиционных механизмов поворота грузоподъемных машин [3, 4, 9, 115, 127, 128], где центр масс груза при повороте движется по окружности с радиусом, определяемым вылетом стрелы (поворотные стреловые краны различного типа), в рассматриваемом в данной работе механизме поворота с гибкой подвеской груза (рис. 1.1) осью его вращения является вертикальная ось у, проходящая через центр масс груза.

В качестве привода для исследуемого нами механизма поворота (МП) могут использоваться, как и в традиционных МП, различные механические передачи: мотор-редукторы [1, 4, 22] с многоступенчатыми планетарными передачами, червячно-планетарные [9, 32, 33, 38], зубчатые цилиндрические и червячные передачи [63, 65, 68, 82, 93, 94, 115]. Гибкой связью, которая непосредственно сообщает вращательное движение грузу относительно вертикальной оси у, являются стропы-канаты подвески груза, а также канатные

стропы подвески специальной траверсы. Нижние концы канатных стропов с грузозахватными органами прикрепляются к грузу, а верхние концы - к балансиру, связанному шарнирно с выходным валом привода механизма поворота.

Если механизм поворота предназначен для установки на вертолете (рис. 1.1), то выходной вал, проходящий через люк фюзеляжа вертолета, делается шар-нирно-сочлененным, т.е. состоящим из нескольких секций, что удобно для эксплуатации МП, монтажа и демонтажа. Корпус МП жестко прикреплен к раме, установленной над люком вертолета. Если же МП предназначен для работы с наземными грузоподъемными машинами (мостовыми, башенными, стреловыми кранами, кабель-кранами), то корпус МП прикрепляется к верхнему балансиру, поддерживаемому дополнительными гибкими связями, которыми являются ветви грузоподъемного каната (рис. 1.2). Ветви грузоподъемного каната служат в этом случае для подъема-опускания груза, а также препятствуют самопроизвольному повороту МП вокруг вертикальной оси при работе МП.

При пуске и торможении исследуемого привода МП с гибкой связью возникают крутильные колебания груза вокруг его центральной оси у. Эти колебания усложняют установку груза в проектное положение при монтаже, а также вызывают дополнительные знакопеременные нагрузки на элементы привода МП, что может привести к поломкам деталей механизма поворота.

Нагрузки, действующие на элементы привода МП, зависят не только от параметров поворачиваемого груза, скорости его поворота, физико-механических характеристик гибких связей, сообщающих движение грузу, но и от параметров всей гибкой подвески груза, а также от характеристик самого привода (типа двигателя, передаточного отношения привода, инерционных параметров элементов привода и др.). Несмотря на значительные конструктивные особенности приводов МП с гибкими связями, все они могут быть сведены к трем основным типам, изображенным на рис. 1.1-1.3.

Рис. 1.1. Механизм поворота груза с гибкими связями, установленный на И вертолете: 1 - мотор-редуктор; 2 - корпус механизма поворота; 3 - выходной вал; 4 - балансир; 5 - подвеска траверсы; 6 - траверса; 7 - стропы гибкой подвески груза; 8 - электрозамки; 9 -груз; 10 - вертолет.

Рис. 1.2. Механизм поворота с гибкими связями для работы с наземными грузоподъемными машинами (кранами): 1- мотор-редуктор; 2- корпус механизма поворота; 3- выходной вал; 4- балансир; 5- подвеска траверсы; 6-траверса; 7- стропы гибкой подвески груза; 8-грузозахватный орган; 9-груз; 10- траверса-балансир; 11- грузоподъемный канат; 12- отклоняющие блоки; 13- барабан механизма подъема.

Рис. 1.3. Механизм поворота с жесткой под-£ веской груза: 1 - электродвигатель; 2 - редук-

1 тор; 3 - выходной вал; 4 - планетарный меха-

2

низм; 5 - платформа; 6 - канат; 7 - груз.

Рис. 1.4. Механизм поворота стрелового крана с вращающейся колонной: 1 -электродвигатель; 2 - тормоз; 3 - червячная передача с предохранительной фрикционной муфтой; 4 - цилиндрическая зубчатая передача; 5 - открытая цилиндрическая зубчатая передача; 6 - поворотная часть крана; 7 - груз.

Рис. 1.5. Механизм поворота с гибкими связями и "внецентренной" осью вращения: 1 - ось вращения поворотной части крана; 2 - гибкие связи (канаты); 3 - отклоняющий блок; 4 - барабан механизма поворота; 5 - редуктор; 6 - тормоз; 7 - электродвигатель; 8 - груз.

Рис. 1.6. Механизм поворота с канатным приводом и гибкими связями: 1 - груз; 2 -барабан механизма поворота; 3 - отклоняющий блок; 4 - гибкие связи - канаты; 5 -вал; 6 - балансир; 7 -траверса; 8 - подвеска траверсы; 9 - стропы гибкой подвески груза.

Наиболее полно изучены традиционные МП (рис. 1.4 -1.5), в которых гибкой связью является грузоподъемный канат и канатные стропы гибкой подвески груза, а поворот груза происходит вокруг оси, не проходящей через центр масс груза, т.е. МП для поворотных кранов стрелового типа [2, 3, 9, 32, 33, 63, 82].

1.1.2. Специфической особенностью исследуемых МП с гибкой связью (рис.1.1)является то, что гибкие связи и ряд элементов самого МП являются составной частью еще одного механизма - механизма подъема (опускания) груза. Выходной вал исследуемого МП работает не только на кручение, но и на растяжение под действием силы тяжести поворачиваемого груза. К этим нагрузкам добавляются динамические нагрузки (дополнительный крутящий момент), вызываемые крутильными колебаниями груза при пуске и торможении привода. При изменении скорости подъема (опускания) груза на выходной вал действуют динамические нагрузки от вертикальных колебаний груза н�