автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Повышение эффективности рейсмусовых деревообрабатывающих станков на основе улучшения динамического качества

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

1а правах рукописи

Александров Алексей Валентинович

РГБ ОД

2 7 ОПТ 1998 ВДК 621.912.022

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЙСМУСОВЫХ ЛЕгЕБООБРАБАТЫВАКЖХ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ УЛУЧШЕНИЯ ЩПШРПХШО КАЧЕСТВА

Со.21.СБ. - Технология и оборудование деревообрабатывающих производств;древесиноведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 1993

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи Александров Алексей Валентинович

УДК 621.912.023

повышение зффекшностм рейсмусовых деревообрабатнващих станков на

основе улршшт динамического

КАЧЕСТЕЛ

СБ,21.05. - Технология а оборудование деревообрабатыващих производств;древесиноведение

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

санкт-петербург - 1998

Работа выполнена на кафедре Станков и инструментов деревообрабатывающих производств Санкт-Петербургской лесотехнической академии.

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

-доктор технических наук, профессор,академик РАЕН, Санев В.И.

-доктор технических наук, профессор,академик РАЕН, Андреев В.Н.

-кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Третьяков Ю.А.

"Севзаппроекгмебель", Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится 1998 г. в 4й

часов на заседании диссертационного Совета Д.063.50.01 в Санкт-Петербургской лесотехнической академии /194018,Санкт-Петербург, Институтский пер.5,главное здание,зал заседаний/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан "¿2." ¿X) 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук,профессор,академик РАЕН.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одной из важнейших задач современного деревообрабатывающего станкостроения является создание станков, обладающих высоким динамическим качеством. Динамическое качество станка во многом определяется устойчивостью механической системы. Этот комплексный показатель объединяет все многообразие протекающих динамических процессов в станке.Он характеризуется сопротивляемостью возникновению вибраций,влиянием вынужденных колебания на шероховатость поверхности и точность обработки,затуханием колебаний в гереходных процессах.

Одновременно при проектировании новых станков большое внимание уделяется повышению производительности. Это достигается в основном совершенствованием режувдэго инструмента и оптимальным выбором режимов резания. При этом увеличивается объем снимаемой с обрабатываемой древесины стружки за единицу времени при увеличении быстроходности систем станков и форсировании пуско-тор-иозных режимов,что в свою очередь приводит к росту динамических на1рузок и сншению надежности.

Одним из наиболее нагруженных узлов деревообрабатывающего станка является его привод;поломки деталей привода, вызванные динамическими перегрузками при резании и переходных процзссах, приводят к значительным простоям станков в эксплуатации. Повысить надежность станка можно обеспечением рациональных динамических характеристик. Постоянный рост требований, предъявляемых промышленностью к горечислэнным показателям,приводит к тому,что современные деревообрабатывающие станки становятся все боже сложными,насыщенными различными вспомогательными устройствами и системами автоматизации.

Создание деревообрабатывающих станков, удовлетворяющих современным требованиям промышленности к их точности, производительности и надежности при минимальной массе и затратах энергии является актуальной задачей.

Дяя удовлетворения этих противоречивых требований необходим тщательный анализ движений в станках с учетом всех основных силовых факторов,то есть исследовать все,что входит в задачу

динамики машин.Конечной целью решения такой задачи является разработка и внедрение научных методов расчета и выбора параметров систем станков,позволяющих еще на стадии проектирования в сжатые сроки определить совокупности параметров,обеспечивающие минимум силовых нагрузок, динамических ошибок и металлоемкости.

Цель работы. Улучшение динамического качества рейсмусовых станков на основе математического и аналогового моделирования режимов их работы.

Объекты и методы исследований. Объекта» теоретических исследований являлись динамические системы "электродвигатель - привод - механизм резания" и "электродвигатель - привод - вальцовая подача" и их основные подсистемы,адекватно отражающие конструктивные особенности серийно выпускаемых и перспективных рейсмусовых станков,а также условия их работы.

Объектами машинных и экспериментальных исследований были рейсмусовые станки СР6-9 и СРЗ-6.

В основу теоретических и экспериментальных исследований положены метода математического и электронного моделирований, вероятностно-статистические метода и аналого-цифровая техника.

Оценка корректности разработанных моделей производилась методом сравнения экспериментальных и расчетных данных по максимальным и среднеквадратичным значениям выходных параметров моделируемых процессов.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается:

- в разработке математических моделей динамических систем "электродвигатель - привод - механизм резания" и "электродвигатель •- привод - вальцовая подача".позволяющих исследовать динамику рейсмусовых станков в стационарных и пуско-тормсзных режимах;

- в выявлении источников возмущения,вызывающих крутильные колебания в приводе ножевого вала,в том числе от перерезания сучков,а таюке влияния динамической характеристики асинхронного двигателя на изменение нагрузок в приводе;

- в уточнении аналитических зависимостей для расчета макск-

мальных динамических нагрузок в приводе в режиме разгона;

- в установлении законов распределения сучков в обрабатываемой древесине и их связи с динамикой, резания.

Значимость для теории и практики.

Для теории имеют значение :

- математические модели,позволяющие определить .уровень динамических нагрузок в приводе основных систем рейсмусовых стэнкев;

- выявленные истопники возмущений .вызывающие крутильные колебаниям приводе механизма резания и вальцовой подачи;

- законы распределения сучков по условным диаметрам и расстояниям между ними в обрабатываемой древесине;

- методы аппроксимации внешних возмущэний.

Для практики имеют значения :

- закономерности и уровень динамических, нагрузок в приводе механизма резания и вальцовой подачи;

- определенные динамические ошибки з приводе механизма резания и способы их уменьшения;

- оптимальные параметры привода механизма резания;

- технические решения и рекомендации по снижению динамических нагрузок и ошибок в системах рейсмусового станка.

Научные положения.выносимые на защиту :

1.Совокупность математических моделей основных систем рейсмусового станка и структурные блок-схемы машинных исследований. ж на АЕМ,

2.Выявленные источники всзмуешвг крутильных колебаний в приводах механизма резан;«! и вальцовой подачи и рациональные способы их аппроксимации.

3.Законы распределения сучков в обрабатываемой древесине и их связь с динамикой резания.

4.Закономерности и уровни динамических нагрузок и ошибок в приводах механизмов резания и подачи рейсмусового станка.

5.Оптимизация параметров привода механизма резания рейсмусового станка.

. Апробация работы. Основные положения диссертационной рабе-

ты доложены и одобрены на научно-технических конференциях КАРНИИЛПа (г.Петрозаводск, 1997 г.), ЛТА (1998 г.) и на семинаре кафедры "Станки и инструменты деревообрабатывающих производств" .

Реализация работы. Основные результаты работы переданы для внедрения в проектно-конструкторские бюро, связанные с разработкой и модернизацией деревообрабатывающего оборудования,и на деревообрабатывающие предприятия дая использования рекомендаций в производстве.Кроме того,материалы диссертации рекомендованы дая использования в учебном процессе кафедр станков и инструментов деревообрабатывающих производств в лесотехнических вузах.

Публикации. Материал диссертации опубликованы в трех статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов,заключения и списка литературы.

Содержание работы изложено на 171 странице машинописного текста,иллюстрировано 50 рисунками и 6 таблицами.Список литературы включает 58 наименований.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темь; диссертации,сформулированы ее цель,научная новизна и основные положения выносимые нэ защиту.

1.Состояние вопроса и -задачи исследования.

К основополагающим исследованиям б области динамики металлорежущих станков относятся работы : Кудинова В.А..Андреячлхова Б.И., Вейца В.Л..Кочуры А.Е., Царева Г, В..Срликова М.Л.,Кедрова С.С.,Мурашка Л.С. и Мурашкина С.Л. .Рявина Е.И. .Михайлова О.П. и других.

Анализ работ,перечисленных авторов позволил сделать следующие основные выводу :

1. Исследования динамики систем металюрежущкх станков в большинстве случаев проводят на многомассовых моделях. Причем требованиям точности инженерного расчета удовлетворяют двух иди

трехмассовые расчетные схемы. Более сложны© динамические модели с распределенными параметрами применяются редко.

2.Для исследования переходных процессов в многамассовых нелинейных системах целесообразно применять аналоговые вычислительные машины.

3.При расчетах систем главного привода металлорежущих станков значительное внимание уделяется крутильным колебаниям в стационарных периодических решмзх, обусловленных периодическим характером изменения момента силы резания.

Исследованию вопросов динамики деревообрабатывающих станков посвящены работы : Мовнина М.С., Ботвина М.М., Грубе А.Э., Санева В.И., Маковского Н.В., Амалицкого В.В., Комарова Г.А.. Кузнецова В.М., Ширяевой Т.П., Малышева ¡0.В. , Ефймсва Ю.П., Межова В.Г. , Тракало Ю.И. я других.В результате анализа работ, посвященных исследованию динамики деревообрабатывающих станков и оборудования установлено :

1.Динамика привода механизма резания рейсмусовых станков не исследовалась.

2.В исследованиях .посвященных динамике систем фрезерных станков,не учитывалось воздействие перерезаемых сучкрв.

3.В опубликованных работах не дается оценка влияния динамической характеристики асинхронного двигателя на пиковые динамические нагрузки в приводе механизма резания.

4.Бри исследовании динамики вальцовой подачи деревообрабатывающих станков продольно-фрезерной группы в математическую модель системы изменение динамического момента вводится в упрощенном приближенном виде

р г -ъ

м = —С—-- ,

д

гДе р _ максимальное значение составляющей силы резания в р

направлении подачи;

гв - радиус вальца; - текущее время; г - время срезания стружки.

На основании вышеизложенного и учитывая тенденции развития деревообрабатывающих станков в диссертации поставлены следующие

задачи:

1.Разработать математическую модель привода механизма резания рейсмусового станка.

2.Исследовать нагруженность привода механизма резания рейсмусового станка.

3.Разработать математическую модель вальцовой подачи и исследовать ее нагруженность.

4.Установить закон распределения сучков по условным диаметрам в пиломатериалах в направлении подачи,тдлежащих окончательной обработке,и выявить их влияние на нагрузки и динамические ошибки в приводе механизма резания и вэльцоеой подаче.

5.Разработать рекомендации на проектирование рзаок^овых станков заводам - изготовителям.

2,Теоретические исследования динамической нагруженности привода рейсмусового станка

Основным источником возмущения,вызывающим крутильные колебания,в приводе ножевого вала рейсмусового стажа является переменный момент сил резания от биения вала,чередования резцов (ножей) фрезы (вала), так называемая "зубцовая составляющая" и перерезания сучков.

Кроме этих переменных,имеется и постоянная составляющая момента,то есть

* п

(1)

П - и гп

+ М 51 п - 1 + Г м 51пС1 и^ 2. I 0 ),

п _ ** I ф ф V '

где мо - постоянная составляющая момента;

м1оз1п +_ - переменная составляющая момента,обусловленная биением ножевого вала;

п

£ м^пСсо ъ+е э - составляющая момента , обусловленная

чередованием резцов - за оборот вала ("зубцовая составляющая" ),ау= к о>ф гф - фаза к-ой гармоники;

п-и

м^п — ». - дополнительный момент,вызываемый сопротивлением перерезаемого сучка.

Здесь ч - подача,м/с; 2 - дайна волны периодического воздействия;

го

Е м.з!па ь <■ в.з - составляющая момента, обусловленная чередованием резцов при перерезании сучков, в - фаза ¿-ой гармоники.

В общем случае рэсчетная схема привода механизма резания рейсмусового станка (см.рис.1.) включает приведенные моменты инерции масс - .. ,х4, соединенных связями, состоящими из приведенных крутильных ¡кесткостея элементов привода - '-12/-23 и демпферов вязкого трення , ¡?2Э, Р34.На основании частотного анализа доказана возможность упрощения четырехмассовой расчетной схемы до двухмассовой.

щ

ч>4

К

% %

■Л Сзь 5- Сгз об23 СУ? Л

Рас.1.Расчетная схема привода механизма резания рейсмусового станка.

Система дифференциальных уравнений для двухмассовой расчетной схемы имеет вид :

I р +ГХр -р Э+ССр -{?)=М ,

11 » 2 12 Д *

.... (2)

Здесь : 11 - момент инерции ротора электродвигателя и шки-

ва.установленного на его валу; х2 - приведенный к валу электродвигателя суммарный момент инерции ножевого вала и шкива,установленного на нем ; с - приведенная крутильная жесткость вала электродвигателя, клиноременной передачи и ножевого вала; А -приведенный параметр малого линейного сопротивления в передаче; мД'мс ~ кРУтяшш момент двигателя и приведенный к его валу момент сопротивления.

После несложных преобразований система уравнений <2) приводится к виду

где

к? + (ю + се = M(t)-r/x.

(3)

a +i з 1 2

-f;

MCt"j=M -i sin —;— t + ГМ. -i S id n i , * fJ

П V,~ 1

П u

+ M -i sin П П

+ £M-i sir.

l П

t+0.

а - передаточное отношение привода.

Преобразуя уравнения (3) заменой аь=/?/г iz^xi2/iT и

вводя оператор дифференцирования rf/dt-p .получим модули амплитуд колебаний от всех периодических составляющих,то есть

1 М -i

УС i2+C2hw~ J

фп

фп

о & е о

я е о

М -i

I 11

У zv2~bi2 5г

(4)

Здесь

ф ф

i Г7

(О. = <0. /i in 1/ 11

Исследованиями установлено,что переменной составляющей момента ,обусловленной биением ножевого вала,можно пренебречь вследствие большой жесткости последнего.Сопротивление,обусловленное "зубцовий" составляющей может рассматриваться как периодическая функция,представленная рядом Фурье. Причем,в связи с

ь

¡гозг,з1 хщщгщо ¡а'] с

наличием в разлагаемой функции и ее производных разрывов и изломов ряд Фурье сходится очень медленно.имеет место явление Гиббса. На рис.2, приведен график изменения во времени динамической составляющей момента в приводе станка. Из графика видно, что динамическая составляющая момента (кривая 1) не превышает С.07 нм , в то время как постоянная составляющая в этом случае равна 22.98 н-м.

С увеличением крутильной жесткости привода в 1.5 раза динамическая составляющая момента также возрастает в среднем на 62.5-65 '¿.Уменьшение динамического момента в приводе может быть достигнуто увеличением момента инериии ножевого вала. Однако, в целом, динамическая нагруженяость привода механизма резания рейсмусового станка от "зубцовоа" составляющей имеет также несущественное значение.

3 связи с тем.что в известных опубликованных работах,по-евящйЯЕьа изучению древесины,не приводятся данные по характеристикам сучков в пиломатериалах,нами были проведены статистические исследования на пиломатериалах с целью выявления законов распределений как по условным диаметрам сучков в направлении подачи так и по расстояниям между ними.Установлено, что распределение условных диаметров сучков подчинено логарифмическому нормальному ззкону с параметрами:

Рис.2.График изменения динамического момента в приводе : 1 - от "зуйдевой" составляющей ; 2 - при перерезании сучка диаметром 23.22 мм.

- математическое ожидание - х = гз. гг мм;

- среднеквадратическое отклонение - а = 14.4 мм.

При перерезании сучков происходит увеличение динамического момента от "зубцовои" составляющая (см.рис.2,кривая 2). Для нахождения дополнительного момента рассмотрены два случая аппроксимации внешнего воздействия.В первом случае дополнительный момент аппроксимируется простой гармонической функцией вида

п-и Т

М, =м '51п - 1 , О 5 1 £ - .

лап п 2 » а

Во втором случае дополнительное сопротивление, обусловленное перерезанием сучка, рассмотрено как периодическая функция, аппроксимируемая рядом фурье вида

УСО«1.65+3.29соз3.30Ъ + ...+О.О8со5123. 29Ь . (6)

Ряд сходится на 23 гармонике.

Установлено,что аппроксимация внешнего воздействия от перерезания сучков во втором случае дает некоторое увеличение дополнительного момента по сравнению с первым вариантом (1.48 >1.25 Н-м).Однако с увеличением расстояний между сучками наблюдается занижение динамической нагрузки в приводе по сравнению с первым способом вследствие уменьшения частот воздействии, то есть,на его использование должно быть введено, дая конкретной исследуемой системы,ограничение.В динамических расчетах необходимо пользоваться обоими способами аппроксимации, цричем по первому способу определяется минимально возможная нагрузка,а по второму способу прослеживается зависимость амплитуда колебаний от частоты воздействия сучков.Дополнительный момент от перерезания сучков во много раз превышает момент от "зубцовых" составляющих.

3.Теоретические исследования пуекс-тормозных режимов механизма резания рейсмусового станка

В разделе рассмотрена динамика привода механизма резания в режимах стопореная,разгона и торможения.Исследования проведены соответственно на одаомасссвой и двухнассовых расчетных схемах.

В режимах стопорения установлено,что момент в приводе зависит от угловой скорости ротора электродвигателя перед остановкой. При полной остановке / w0 » О / нагрузка в приводе равна

2М .

д

В режиме разгона нагрузка в упругой связи "с" (привода)

определится как

. Г ш ХМ TIM

с-р * G-0,t- с —£ sin kt + -5-5- cos kt + JLL. . (7)

Ik I +1 I I +1

1 12 J 1 2

Здесь обозначено - - скорость разгона **

На динамические нагрузки в крутильной системе решающее влияние оказывают угловая скорость разгона и пусковой момент двигателя.При этом доказано,что при определенном соотношении переменных величин,возможны максимальные нагрузки в приводе выше рассчитанных по известной формуле

2М I

..так тлх 2 /0. М--, (В)

I +1 1 2

Так как в некоторый момент времени при любой частоте воздействия реален случай, когда sin kt- % cos kt s: 0.707 и отношение шрД соизмеримо с 12мд / сз^+i^c * Со= kt.

Применительно к рейсмусовому станку СР6-9 по нашим экспериментальным данным скорость разгона составляет 7...9 с"1 . В этом случав м™0* находится в пределах 80...90 Н-м,в то время

как,полученный го формуле (8) составляет 58.132 н-м.одновременно выявлено,что учет динамической характеристики асинхронного двигателя в теоретических расчетах необязателен ввиду незначительного ее влияния на нагрузку в приводе.

В разделе получены также аналитические выражения дол определения динамической нагруженности привода в режимах торможения в случаях когда тормоз установлен на валу электродвигателя и за ножевым Валом соответственно:

*) Остальные обозначения соответствуют принятым в разделю два.

ВС I м -i м У 2ci м +1 мпрэ

с-р = __L_I_JL_£_ : с-р «-2 д 1 т . <9>

я** 1+1 • *** I+1

12 12

В выражениях (9) обозначено :

,м % м , + м ; мпр = м •i .

т изб с • т т п

Установлено,что с увеличением тормозного момента пропорционально возрастает деформация упругой связи.При наличии сопротивления на ножевом валу динамические нагрузки а цриводе уменьшается.Для эффективного снижения динамических нагрузок в приводе станка торможение необходимо осуществлять тормозом,установленным за ножевым валом с противоположной стороны кшюременвой передачи.

4.Машинные и экспериментальные исследования динамики привода механизма резания рейсмусового станка

Для моделирования на АБМ была принята двухмассовая расчетная схема привода механизма резания с присоединенными дифференциальными уравнениями математической модели асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором :

d М

А ^ г ' , i ,,

— - [ to - р р 1 у--

О 1 * • м

dt,

d \f Я 3

— =---м —— V - г CJ - Р р ] м_ ;

dt T Т

■л э

хл * К-- * ° cv - мя • .... _ (10) 1Л - (KV - Pj -^V^V =-rfc *

ь>0 - круговая частота сата.пйгасшэй э^ктродагэхшь *, р - число пар полюсов;

тэ - электромагнитная постоянная времени двигателя; V-' - вспомогательная переменная. Основной цель» машинного эксперимента было установление взаимовлияния динамических характеристик асинхронного двигателя привода с параметрами клиноременноа передачи и ножевого вала.

О -<

3

а

в

5 *

з

Рис.3.Типовая осциллограмма процесса обработки древесины.

Исследованиями установлено,что процесс подачи заготовки сопровождается нарастанием момента в приводе при этом де-

формация упругой связи (лр) в начальный период (0...0.5 с) носит колебательный характер (см.рие.З). С нарастанием крутящего момента в приводе происходит снижение частоты вращения двигателя и ножевого вала.

Перерезание сучков сопровождается дополнительным увеличением сопротивления резанию и момента в приводе. Причем,наблюдается некоторое запаздывание возрастания момента в приводе по отношению к моменту сопротивления.

Экспериментальные исследования проводились с целью получения реальных динамических нагрузок в привода механизма резания в установившихся и пуско-тормозных режимах.Для эксперимента использовался натурный рейсмусовый станок СР6-9. Результаты экспериментальных исследований подтвердили корректность принятых допущений при разработке расчетных схем и математического описания моделей.Расхождения расчетных динамических характеристик с экспериментальными не превышает 4...5 процентов.

В разделе также осуществлена оптимизация параметров привода механизма резания.Для этого использован хорошо известный метод скользящего допуска.В качестве критериальной функции цели принят - минимум динамической нагрузки в привода.В качестве варьируемых параметров приняты - момент инерции ножевого вала и крутильная жесткость привода.В результате исследований устансв-

лено,что механическая система механизма резания рейсмусового станка наиболее чувствительна к изменению момента инерции ножевого вала и менее чувствительна к крутильной жесткости привода.

Б. Исследование динамики вальцовой подачи в рейсмусовом станке

Вопросы динамики переходных процессов вальцовой подачи в деревообрабатывающих станках продольно-фрезерной группы подробно изучены в диссертации к.т.н. Ширяевой Т.П. Исследование переходных режимов проведано на двухмассовых расчетных схемах, в то время как реальная система состоит из пятнадцати дискретных масс.Автором неоправданно не выделена в отдельную массу масса вариатора.которая соизмерима с массой вальцов,что приводит к занижению расчетных нагрузок.Кроме того,в математическую модель системы вводится изменение динамического момента в упрощенном приближенном виде,а также не рассматривается динамика в стационарном периодическом режиме.На рис.4, приведена трехмаесовэя расчетная схема дм исследования динамики вальцовой подачи а стационарном периодическом и пуско-тормозных режимах.

02

1_1 ч- си Сгз -к 1_1

--- — --- -7Г —-- •

м* 1 ^ 1-г

Мг

Рис.А.Расчетная схема.

Обозначено,х2 гиз - соответственно моменты инерции ротора и ведущей части муфты, вариатора и ведомой части муфты .промежуточных масс и подающих вальцов,приведенные к гладкому подающему вальцу ~ соответственно приведенные крутильные жесткости элементов привода; и - обобщенные координаты соответствующих, масс.

Система уравнений имеет вид :

I +С С л -р Э=М . 1*1 12 у 1 г2 А

I *р +С С<р -ю ") -С С» -50 Э .

2 2 23 * 2 'З 12 '1*2 '

i ¿'+м СО=с ср-р) .

9 3 С 23 2 *э

(Щ

Преобразуя систему (11) относительно деформации ^), подучим

(1 Ср -ос 5 1 2

СИ.

С1 +1 5С СХ 4-Х ЗС

1 г 12 2 3 23

I I 1 и

1 ^"Г^3

: С1 +1 +1 5С 1?. 1 2 а аз

III

12 3

I I

2 3

С I +1 5 О

,, _ 2 3 23..

Ср -<р - м

1 * III

12 3

М СО(

(12)

Общее решение уравнения (12) запишется в виде

Р =А 5т.1п р Ъ+В сое р ъ+С я1п Р -Ю соя р 1 1 2 2

д-М 51П );!. с

(13)

Постоянные интегрирования найдутся при нулевых начальных

условиях <р - р ='*> = о.

Окончательно в стационарном периодическом режиме будет

Д"М к £

[ к1* ~ак2 +Ь] р

> 2 2

к -р

1 +

Ч)

21П Р 1

Д-м к СУ.^-рЪ _с___

[кЧ-акг+Ь] 5| Ср*-р*Э

я- м

зДп р 1 1-

Ь; -як +Ь

1-1 п

(14)

В выражениях (13) и (14) : *> = р,г - обозначения

соответствующих коэффициентов дафферевшального уравнения (12); Мс - ачшигуда гармонического воздействия.

Добавочная динамическая нагрузка в упругой связи с^ определится как М е = .

Подобным образом установлены аналитические зависимости для определения нагрузок в упругих связях в пуско-тормсзяых режимах и режиме етопорения.

А

По результатам исследований рейсмусового станка СРЗ-6 на рис.5, приведен график изменения динамического момента на валу электродвигателя механизма вальцовой подачи,вызванного периодическим воздействием от резцов ножевого вала.Максимальные значения момента достигает 0.114 н•м.Б случае жрере-\ Д зания сучков в зависимости

\ / от их диаметра и частоты

\ / \ воздействия значения дша-

д I ' \ I мичеекого момента возраст ¿¡'о! ом eoj qms ¡¡os\ oßs M ¿c тают Л ак, например, для суч-\ / \ / ка диаметром 23 мм и час-

\ I \ А / тоте воздействия 54.12 с"1

\J . ^ динамический момент соста-

вляет 0.16 Н-М. В режиме разгона под яа-Рис.5.График изменения динамичес- гоузкоа максимальное зна-

кего момента на валу электродшига- ' момента на вя.™ теля от периодических воздействий чение момента на вад*

резцов. " электродвигателя составля-

ет 25.15 н-м. Коэффициент динамичности при этом равен 3.13.При тех же условиях динамическая деформация упругой связи сгз значительно больше,однако величина динамического момента меньше вследствие более низкой приведенной крутильной жесткости с2з< Коэффициент динамичности в этом случае также ниже и составляет - 2.2.

Режим торможения вальцовой подачи при снятой нагрузке и выключенном электродвигателе сопровождается незначительной динамической нагрузкой в приводе.Б то время как в режиме стопсрз-ния (масса ia застопорена) наблюдается обратное - динамический момент в упругой связи сгэ превышает номинальный в 8,4 раза,

а в упругой связи са - в 6.8 раза. Причем максимальное значение момента в упругой связи сга происходит тогда,когда в про-дессе стопорения момент на валу электродвигателя возрастает мгновенно и действует как М„ = const.

д max

Сопоставление значения динамического момента в стационар-

ном периодическом режиме от воздействия резцов,полученного по двухмассовой расчетной схеме к.т.н. Ширяевой Т.П. с нашими расчетами по трехмэссовои схеме показывает,что величина динамического момента,полученного по трехмассовой схеме превышает момент, подученный по двухмассовой расчетной схеме на 0.044 Н-м (соответственно 0.114 Н-м и 0.07 Н-м).Экспериментальное значение динамического момента по данным Ширяевой Т.П. в этсм случае составляет 0,.10 Н-м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанные в диссертации теоретические основы динамики рейсмусовых станков,построенные на использовании математического моделирования,статистических методов и аналоговой техники, позволяют создавать станки с требуемым динамическим качеством при значительном сокращении сроков проектирования и постановки на серийное производство.

В процессе исследований подучены следующие основные результаты :

1.Основным источником возмущения,вызывающим крутильные колебания,в приводе ножевого вала рейсмусового станка является переменный момент сил резания от биения вала,чередования резцов (ножей),так называемая "зубшвая" составляющая,и перерезания сучков.Кроме этих переменных.имеется и постоянная составляющая момента.

2.В сбшем случае расчетная схема привода механизма резания рейсмусового станка может быть представлена в виде четырехкас-соесй.В то а» время в ряде случаев вследствие того,что высокие частоты рассматриваемой системы значительно превышают рабочие диапазоны частот,а моменты инерции шкивов обладают весьма малой инертностью,расчетная схема может быть упрощена до даухмассо-

ЙОЙ,

3.Динамическая нагруженность привода механизма реззния рейсмусового станка в стационарном периодическом режиме определяется в основном дополнительными динамическими моментами,вызываемыми сопротивлением перерезаемых сучков.Переменные дополнительные моменты от биения ножевого вала и "зубцовоа" составляю-

щей несущественны.

4.Исследованиями установлено,что при динамических расчетах привода механизма резания деревообрабатывающих рейсмусовых станков необходимо уделять внимание не только крутильным колебаниям в стационарных периодических режимах,но и в пуско-тор-мозных.Причем,наиболее неблагоприятными в данамическом отношении являются режимы стопорения и разгона,когда пиковые нагрузки могут достигать - емд и более.

5.Получены аналитические зависимости, позволяющие уточнить ранее опубликованные формулы для расчета максимальных динамических нагрузок в приводе в режиме разгона.При этом доказано, что при определенных соотношениях переменных величин возможны нагрузки в привода механизма резания,значительно превышающие расчитанные гю опубликованным формулам.

6.Теоретическими исследованиями и исследованиями на АБМ доказано,что уровень данамических нагрузок в упругих связях привода механизма резания рейсмусового станка зависит от величины вращающихся масс и жесткостея упругих связей. Снижение динамических нагрузок может быть дссгагнуто как одасирэшвны» варьированием ряда параметров,так и в отдельных случаях одао-го-двух.Причем,механическая система привода механизма резания наиболее чувствительна к изменению момента инерции ножевого вала и менее чувствительна к крутильной жесткости привода.

?.Установлено,что исследование динамики вальцовой подачи в стационарном периодическом режиме необходимо проводить используя трехмассовую расчетную схему,так как даухмассоЕая дает значительную погрешность (в сторону занижения) б определении расчетных данамических нагрузок.

8.Максимальные значения динамического момента в приводе вальцовой подачи имеют место в режимах разгона и стопорения под нагрузкой.В стационарном периодическом режиме величина динамического момента -от воздействия резцов ножевого вала и от перерезания сучков несущественна.В то же время при обработке древесины с сучками возможны резонансные процессы в приводе, приводящие к значительному возрастанию динамического момента и

в этом рэжше работы рейсмусового станка.

9.Внедрение рекомендаций и разработанных методов расчета основных параметров рейсмусовых станков позволит улучшить динамическое качество станков,повысить их долговечность,производительность и качество обработки деталей,а также сократить вынужденные простои оборудования.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.Санев В.И..Александров A.B. Моделирование привода механизма резания деревообрабатывающего рейсмусового станка 'V Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии N 5. сб.научных трудов.С-Ш:ЛХА,1997.с.116-124.

2.Александров А.Б. К вопросу выбора параметров механизма резания рейсмусового станка Повышение эффективности подготовки биомассы дерева к переработке на щепу : сб.ыаучн.тр. Петрозаводск: КарНИШП, 1997. с. 21 -23.

3.Александров A.B. Исследование пуско-тормознкх режимов механизма резания рейсмусового станка // Технология и оборудование деревообрабатывающих производств:Межвуз.сб.научн.тр.С-Пб: ЛТА,1997.с.15-21.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу : 194018,Санкт-Петербург, Институтский дар.5,Лесотехническая академия.Ученый Совет.

Лицензия ЛР № 020578 от 04.07.97.

Подписано в печать с оригинал-макета 05.10.98. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 225. С 22а.

Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия Издательско-полиграфический отдел СПбЛТА 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 3

' / з У г

/

п а шг т _ттрт тгрглгр-грх? л я эттгр.п'ттгушштгптг л а аул ттешля

wx-u.ix.ux ХХХ-5ХХ-1Х хл/ х х '»а^шх хх_*хы.хух хх_и_>хьлигх х-Ц.X

На правах рукописи Александров Алексей Валентинович

УДК 821,912.023

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕЙСМУСОВЫХ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ УЛУЧШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА

05.21.05. - Технология и оборудование деревообрабатывающих производств;древесиноведение

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Санев В.И.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ............ . 8

1.1. Классификация рейсмусовых станков..............................8

1.2.Краткий обзор исследований динамики металлорежущих станков...............................................8

5 —

1.3.Обзор исследований динамики деревообрабатывающих станков и оборудования...................... 14

1.4.Вывода и задачи исследования.................... 20

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОС-ТИ ПРИВОДА РЕЙСМУСОВОГО СТАНКА....................... 22

о

о

,1.Моделирование привода механизма резания ........ 22

,2.Определение собственных частот колебаний двух-

массовой расчетной схемы........................ 32

2.3.Анализ нагруженности механизма резания рейсмусового станка по двухмассовой расчетной схеме... 35

2.4.Определение составляющих моментов внешнего

воздействия..................................... 41

2.5.Оценка динамического качества привода механизма резания...................................... 83

2.6.В ы в о д ы .................................... 67

. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПУСКО-ТОРМОЗНЫХ РЕЖИМОВ МЕХАНИЗМА РЕЗАНИЯ РЕЙСМУСОВОГО СТАНКА................ 70

3.1.Динамика привода механизма резания в режиме стопорения .................................................70

3.2. Динамика привода механизма резания в режиме разгона......................................... 75

3.3.Учет динамической характеристики асинхронного

двигателя....................................... 80

.4.Моделирование привода механизма резания рейсму-

сового станка с тормозом........................ 82

3.5.В ы в о д ы ...............................

в в *U£-J

4.МАШИННЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ПРИВОДА МЕХАНИЗМА РЕЗАНИЯ РЕЙСМУСОВОГО СТАНКА........ 94

4.1.Моделирование динамики привода механизма резания рейсмусового станка на АВМ.................. 94

4.2. Экспериментальные исследования динамики привода механизма резания рейсмусового станка........ 110

л-

4.3.Оптимизация параметров привода механизма резания............................................. 124

4.4.В Ы в о д ы

129

5, ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВАЛЬЦОВОЙ ПОДАЧИ В РЕЙСМУСОВОМ СТАНКЕ........................................... 131

5.1.Динамика привода вальцовой подачи в стационарном режиме...................................... 132

5.2.Динамика привода вальцовой подачи в пуско-тормозном режиме................................... 144

5.3.Динамика привода вальцовой подачи в режиме сто-порения......................................... 152

5.4.В ы в о д ы .................................... ^д

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...>«1..<..> * >■>■■*.*.> * *■•*...<«*».«> * *■>«■ 181

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одним из важнейших направлений в развитии конструкций деревообрабатывающих станков является повышение производительности.Повышение производительности достигается в основном совершенствованием режущего инструмента. При этом увеличивается объем снимаемой с обрабатываемой древесины стружки за единицу времени при увеличении быстроходности систем станков и форсировании пуско-тормозных режимов.

Одновременно,при проектировании новых станков повышаются требования к точности размеров и формы деталей,то есть необходимо обеспечение отсутствия отклонений от заданных устойчивых положений инструмента и заготовки.Такие отклонения или колебания возникают как результат внешних воздействий на деформируемые элементы систем станка.

Проблема повышения точности и производительности станков всегда была основной для конструкторов и исследователей.Постоянный рост требований,предъявляемых промышленностью к этим показателям, приводит к тому,что современные деревообрабатывающие станки становятся все более с ложными,насыщенными различными вспомогательными устройствами и системами автоматизации.

Производительность станка во многом также определяется надежностью .Одним из наиболее нагруженных узлов деревообрабатывающего станка является его привод;поломки деталей привода,вызванные во многих случаях динамическими перегрузками при резании и переходных процессах,приводят к значительным простоям станков в эксплуатации,Повысить надежность станка можно обеспечением

рациональных динамических характеристик,что достижимо обычными конструктивными средствами.

Таким образом»создание деревообрабатывающих станков,удовлетворяющих современным требованиям промышленности к их точности.производительности и надежности при минимальной массе и затратах энергии является актуальной задачей.

Для удовлетворения зтих противоречивых требований необходим тщательный анализ движений в станках с учетом всех основных силовых факторов»то есть исследовать все,что входит в задачу динамики машин.Конечной целью решения такой задачи является разработка и внедрение научных методов расчета и выбора параметров систем станков,позволяющих еще на стадии проектирования в сжатые сроки определить совокупности параметров,обеспечивающие минимум силовых нагрузок,динамических ошибок и металлоемкости.

Цель работы. -Улучшение динамического качества рейсмусовых станков на основе математического и аналогового моделирования режимов их работы.

Для достижения поставленной цели в процессе исследований разработаны и предложены следующие научные положения,которые выносятся на защиту:

1.Совокупность математических моделей основных систем рейсмусового станка и структурные блок-схемы машинных исследований их на АВМ.

2.Выявленные источники возмущений крутильных колебаний в приводах механизма резания и вальцовой подачи и рациональные способы их аппроксимащш.

3.Законы распределения сучков в обрабатываемой древесине и их связь с динамикой резания.

4.Закономерности и уровни динамических нагрузок и ошибок в приводах механизмов резания и подачи рейсмусового станка.

Ъ.Оптимизация параметров привода механизма резания рейсмусового станка.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1, Классификация рейсмусовых станков

Рейсмусовые станки предназначены для плоскостного фрезерования одной или двух противоположных сторон заготовки с целью обработки ее в размер.В зависимости от числа одновременно обрабатываемых сторон заготовки различают одно или двусторонние рейсмусовые станки (см.рис.1.1).

На односторонних рейсмусовых станках обрабатывают заготовки в размер по толщине путем снятия слоя древесины с одной,противоположной базовой,стороны детали.На двусторонних рейсмусовых станках деталь обрабатывается в размер по толщине путем снятия слоя древесины последовательно с обеих сторон.В зависимости от расположения ножевых валов и способа базирования различают три основных схемы станков: ф.уговально-рейсмусовую,рейсмусово-фуго-вальную и двухрейсмусовую.

1.2.Краткий обзор исследований динамики металлорежущих станков

К основополагающим исследованиям в области динамики металлорежущих станков относятся работы : Кудинова В.А. ci з, Андрейчикова Б.И. г2 з , Вейца В.Л. [3,4,5 з, Кочуры А.Е. с5 з, Царева Г.В. е5 з, Орликовз М.Л. [8 з, Кедрова С.С. с 7 з, Мураш-кина Л.С. и Мурашкина С.Л. с8 з,Ривина Е.И. 12 з.Михайлова О.П. сю,11 з и других.

Рейсмусовый станок

односторонний

фуговально

рейсмусовый

двусторонний

рейсмусово

фуговальный

двухрейсмусовый

Рис,1=1.Классификация рейсмусовых станков

В работе Кудинова В.А.П з предложено использовать аналогии между рабочими процессами в станках и в системах автоматического регулирования, то есть упругая система, процесс резания и процесс трения рассматриваются как элементы замкнутой системы автоматического регулирования. Регулируемым параметром является,например,сила резания,а управляющим воздействием - изменение толщины срезаемого слоя металла.Такая аналогия позволяет развить дальнейшие исследования и динамические расчеты станков,так как в этом случае стало возможным использовать математический аппарат теории регулирования, ее терминологию и методику экспериментальных исследований.

Колебаниям металлорежущих станков посвящена книга Кедрова С.С. £7 з ,в которой исследованы причины возникновения колебаний в отдельных узлах металлорежущих станковрассмотрено влияние упругой системы станка на устойчивость и колебания при резании.

В работе г 9 з рассмотрены метода упрощения сложных многомассовых систем путем расчленения на парциальные системы (двух-массовые с одной упругой связью и одщомассовые с двумя упругими связями) и заменой парциальных систем одного вида на парциальные системы другого вида;приведены способы приближенного определения низших частот.

При исследовании привода фрезерных станков автором выделены три основных вида нежелательных динамических явлении:

- переходные процессы при врезании фрезы,приводящие к перегрузкам из-за импульсного приложения нагрузки;

- переходные процессы при снятии нагрузки,то есть при выходе

зуба фрезы из заготовки»которые могут приводить к раскрытию зазоров,повышенному шуму,нелинейным колебаниям шпинделя; - резонансные процессы в приводе из-за воздействия периодической нагрузки Meto.

Михайловым О,П. исследована динамика электромеханического привода и автоматизированный электропривод станков с 10,11 з. Описаны наиболее распространенные электромеханические приводы станков и роботов.Особое внимание уделено следящим аналоговым и цифровым приводам.

Колебаниям валов посвящены справочные пособия Маслова Г. С. с 12,13 з.в книгах изложены методы расчетов крутильных и изгиб-ных колебаний валов,рассмотрены методы определения собственных частот,приведены зависимости для определения частот,амплитуд и динамических сил, а также метода предотвращения изгибных колебаний и критических оборотов валов.

Основы динамики машин изложены в справочнике с 14 з.Авторами сделан главный акцент на изложении общих принципиальных вопросов, имеющих место при создании машин;определение силовых нагрузок и динамических ошибок с использованием расчетных моделей различной сложности.

В работе [4 з рассмотрены метода составления динамических схем приводов с зубчатыми механизмами различных типов,метода расчетов свободных и вынужденных колебаний в линейных и нелинейных системах.

Расчету механических систем приводов с зазорами посвящена работа с 5 з. В книге дана оценка влияния зазоров в кинематических парах на функциональные и динамические характеристики

механизмов и силовых приводов ; приведены метода динамической схематизации зубчатых механизмов,а также рассмотрена устойчивость регулируемых приводов с зазорами.

В работе с 8 з изложены вопросы динамики металлорежущих станков в рабочих режимах резания и в переходных процессах в приводе:рассмотрены законы движений звеньев механизмов станков, способы улучшения характеристик упругих систем и динамика механизмов вспомогательных движений.

Математическому моделированию на аналоговых машинах динамики металлорежущих станков посвящена работа А.И.Левина с 15 з. В работе рассмотрены метода построения исследовательских моделей ¡метода статистического исследования и оптимизации динамических систем при математическом моделировании;разработаны математические модели асинхронного электродвигателя с коротко-замкнутым ротором двигателя постоянного тока,а также гидродвигателя вращательного движения.При расчете систем главного привода основное внимание уделено крутильным колебаниям в стационарных периодических режимах.Автором отмечено,что в системе главного привода фрезерного станка основным источником возмущения, вызывающим крутильные колебания,является переменный момент сил резания.Переменность момента обусловлена радиальным биением фрезы и изменением суммарного сечения срезаемого слоя как вследствие кинематических особенностей процесса формирования стружки,так и вследствие входа и выхода зубьев фрезы.Переменная составляющая момента обусловленная биением фрезы,имеет характер, близкий к моногармоническому,а "зубцовая" составляющая имеет сложную периодическую форму и может быть аппроксимирована

отрезком ряда Фурье,

Динамике и моделированию гидроприводов станков посвящена работа А.Х.Хандроса и Е.Г.Молчановского [16 з.в книге рассмотрены вопросы анализа динамики гидропривода станков на аналоговых вычислительных машинах;изложен метод составления дифференциальных уравнений с помощью гидромеханических цепей,

Таким образом,анализ работ,посвященных исследованию динамики металлорежущих станков,позволяет сделать следующие выводы:

1.Исследования динамики систем металлорежущих станков в большинстве случаев проводят на многомассовых моделях,у которых массы или моменты инерции элементов системы условно считаются сосредоточенными (дискретными) и соединены между собой безынерционными упругими и диссипативными связми,и к которым приложены приведенные силы или моменты сил,Причем требованиям точности инженерного расчета удовлетворяют двух- или трехмассовые расчетные схемы.Более сложные динамические модели с распределенными параметрами применяются редею.

2.Исследование переходных процессов в многомассовых нелинейных системах аналитическими методами в общем виде,как правило,невозможно.Для решения подобных задач эффективно применять методы математического моделирования на АВМ.

3.При расчетах систем главного привода металлорежущих станков основное внимание уделяется крутильным колебаниям в стационарных периодических режимах,обусловленных периодическим характером изменения момента силы резания.

1.3.Обзор исследований динамики деревообрабатывающих станков и оборудования

Исследованию вопросов динамики деревообрабатывающих станков посвящены работы : Мовнина М.С. с 17 з, Ботвина М.М. с 18 з . Грубе А.Э. t19,20,21,22 з,Санева Б.И. £19,20,21,22,23,24 з, Маковского Н.ВД25 з ,Амалицкого В.В.[23,25 з,Комарова Г.А. [25 з, Кузнецова В.М. с25 з, Ширяевой Т.П. [26 з, Малышева Ю.В. [27 з, Ефимова Ю.П. [28 з , Межова В.Г. с 29 з , Тракало Ю.И. [30 з, и других.

Динамика деревообрабатывающего оборудования изучена в трудах IФилькевича В.Я. с31,32 з,Санникова A.A. [33 з,Дерягина Р.В. [34 з,Гафановича B.C. [35 з, Якунина Н.К. с35 з, Солоповой К.Е. [38,37 з и других.

Работа М.С.Мовнина [17 з посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям подачи в деревообрабатывающих станках. В результате исследований было установлено,что основными параметрами »определяющими тип и конструкцию вальцов подающих механизмов , являются величина коэффициента сцепления вальца с древесиной и деформация после дней. Причем коэффициент сцепления вальца с древесиной зависит от диаметра вальца. Автором выявлены зоны оптимальных диаметров вальцов при которых коэффициент сцепления имеет максимальное значение.

Усилие подачи при экспериментах в пределах одной серии опытов оставалось постоянным,в то время как в реальных случаях имеет место изменение усилий на валец с 35 з.

Вопросы сцепления рабочих органов»снабженных шипами,были изучены в работе М.М.Ботвинз £ 18 з.

В статье с 24 з исследовано скольжение заготовок в вальцовых органах подачи деревообрабатывающих станков.Установлено,что скольжение в условиях подачи не стабильно и зависит от режима подачи,геометрии подающих органов и свойств подаваемой древесины. Вследствие переменной величины скольжения движение заготовок в строгальных станках является неустановившимся.Движение заготовок в рейсмусовом станке рассмотрено в работе Грубе А.Э. и Санева В.И. £21 з.Выявлено,что основной силой,создающей условия неравномерности перемещения древесины, является сила действия резца на заготовку.Эта сила является периодической,возбуждающей продольные и поперечные колебания заготовки в момент обработки. Динамическое исследование поступательного движения заготовки проведено на двухмассовой расчетной схеме»в которой одной массой является масса элементов механизма подачи,приведенная к наружной поверхности вальца,а другой масса заготовки.

Экспериментальное исследование величины скольжения заготовок в вальцовых органах подачи станка СР6-5Г выполнено в работе £22 з„Результаты экспериментов подтвердили теоретические выводы, приведенные в статье £21 з.

В книге £19 з рассмотрены вопросы расчета и проектирования привода деревообрабатывющих станков;приведены математические модели для исследования динамики привода станков.Расчетные схемы моделей приняты двухмассовыми.

Работа £20 з посвящена изложению теоретических основ расчета и проектирования станков,автоматов и автоматических линий

с .учетом условий деревообрабатывающей промышленности.

В книгах с23,2