автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и исследование приводов возвратно-вращательного движения для оборудования отделочных производств

На правах рукописи

Караваев Василий Иванович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИВОДОВ ВОЗВРАТНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ ОТДЕЛОЧНЫХ ПРОИЗВОДСТВ НА ПРИМЕРЕ ЖИДКОСТНОГО ЭКОНОМАЙЗЕРА

Специальность 05.02.13 Машины и агрегаты (легкая промышленность)

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н. Талепоровский Ю.Л.

Иваново - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ............................................°

1 п

Условные обозначения................................

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

1.1. Предпосылки к созданию жидкостных экономайзеров для промывных линий отделочного производства.....................12

1.2. Анализ конструкций жидкостных экономайзеров..16

1.3. Обзор существующих механизмов возвратно-вращательного движения.......................25

1.4. Обзор теоретических и экспериментальных исследований.................................33

1.4.1. Теплообмен...................................°°

V ОО

1.4.2. Предотвращение отложения загрязнении...........

1.4.3. Кинематическое и динамическое исследование

.. 34

механизмов...................................°

Глава 2.ВОПРОСЫ ТЕОРИИ СОЗДАНИЯ МЕХАНИЗМА ВОЗВРАТНО-ВРАЩАТЕЛЬОГО ДВИЖЕНИЯ

2.1. Выбор расчетной схемы........................42

2.2. Методика сравнения механизмов................45

2.3. Кинематический анализ механизмов привода

...........46

экономайзера

<¿.¿5.1

о о -1 Шарнирный четырехзвенный механизм

2.3.2.

привода экономайзера.......................46

Механизм привода "качающаяся шайба"........47

о Я.З. Механизм привода ишарнирныи

,. о.

антипараллелограмм" экономайзера ЭЖД-5.......49

2.3.3.1.Определение положений звеньев механизма......51

2.3.3.2. Определение скоростей........................52

2.3.3.3. Определение ускорений........................55

2.3.4. Импульсный привод ротора.....................59

2.3.4.1.Описание работы привода......................59

2.3.4.2.Определение частоты и периода собственных

колебаний ротора.............................65

2.3.4.3.Возмущающая сила при вынужденных

колебаниях ротора............................68

2.3.4.4.Уравнение движения ротора....................71

2.3.4.5.Определение частоты крутильных

колебаний ротора.............................76

2.3.4.6.Теоретическое исследование работы

механизма....................................81

2.4. Спектральный анализ механизмов...............86

2.5. Силовой анализ механизмов....................91

2.6. Уменьшение инерционных нагрузок на привод путем изменения схемы уравновешивания........94

2.7. Выводы по второй главе......................102

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ, ПРОИСХОДЯЩИХ В ЭКОНОМАЙЗЕРЕ

3.1. Описание экспериментальной установки........ 104

3.2. Исследование и анализ результатов эксперимента................................108

3.3. Исследования работы экономайзера с импульсным приводом ротора..................117

3.4

Выводы по третьей главе.

120

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУПЕРАЦИИ

ТЕПЛА

4.1 Описание экспериментального стенда..........122

4.2. Построение и анализ математической модели процесса теплообмена.......................124

4.3. Статистический анализ эксперимента..........135

4.4. Оптимизация параметров аппарата.............136

4.5. Выводы по четвертой главе...................138

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ..........................139

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................154

- 5 -ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В некоторых видах оборудования для отделки тканей используется возвратно- вращательное движение рабочих органов. В деталях механизмов привода при этом могут возникать значительные нагрузки, обусловленные силами инерции, которые в свою очередь зависят от закона движения выходного звена. Эти нагрузки способствуют снижению ресурса машины, а также увеличению затрат энергии. Установка маховиков в таких механизмах решает задачу частично, поскольку при этом уменьшается влияние инерционных нагрузок на двигатель. Нагрузки же на звенья и подшипниковые узлы механизма остаются, поэтому их изготавливают массивными, что приводит к увеличению инерционных сил. Для сглаживания их влияния на двигатель требуется большой момент инерции масс маховика. В связи с этим возникает необходимость уравновешивания колебаний другими методами, например, при помощи пружин или маятника, подобно часовым механизмам, что позволяет снизить затраты энергии на работу механизма. Используя этот принцип можно создавать самые разнообразные приводы возвратно- вращательного движения.

При создании оборудования для утилизации тепла сточных вод промывных линий возникла проблема очистки теплообменной поверхности аппарата от загрязнений. Установлено, что применение возвратно- вращательного движения теплообменника с определенной частотой и амплитудой предотвращает их отложение. Этот эффект используется в экономайзерах жидкостных динамических ( ЭЖД ), разработанных для комплектования линий, в составе которых имеются промывные ванны башенного

- б -

типа. Эффективность и надежность работы этих аппаратов определяется выбранной схемой привода возвратно- вращательного движения.

Цель и задачи работы

Цель настоящей работы - разработка приводоввозвратно-вращательного движения для жидкостных динамических экономайзеров.

В процессе работы необходимо решить следующие задачи:

- разработать конструкцию жидкостного экономайзера с приводом, обеспечивающим длительный режим работы;

- разработать ряд механизмов привода возвратно- вращательного движения ротора экономайзера;

- разработать методику расчета этих механизмов;

- определить технические характеристики механизмов привода;

- провести сравнительный анализ механизмов привода ротора экономайзера;

- экспериментально исследовать механические явления, происходящие в экономайзере при работе приводов, рекомендованных к применению;

- экспериментально определить технологические параметры экономайзера с приводом возвратно-вращательного движения;

- построить математическую модель процесса теплообмена для экономайзера с предлагаемым приводом.

Методика исследования

Диссертационная работа содержит теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования проводились методом математического моделирования с приме-

нением средств вычислительной техники. Экспериментальные исследования проводились на специально спроектированном стенде СРТ-1. Некоторые характеристики получены при исследовании работы экономайзера в производственных условиях. Математическая обработка результатов производилась с использованием пакета прикладных программ STATGRAFICS. Проверка значений скоростей и ускорений звеньев, полученных аналитически, производилась методом планов в графическом редакторе AUTOCAD.

Научная новизна

В диссертационной работе впервые:

- получены математические модели механизмов приводов возвратно-вращательного движения роторов экономайзера 31Д-5 и импульсного привода ротора экономайзера ЭЛИ-140, проведен их динамический и силовой анализ.

- получены законы движения ротора для экономайзеров: ЭЖДГ-5/60, ЭЖД-1, ЭЖД-140, СРТ-1 в виде разложения в ряд Фурье;

- исследовано влияние различных факторов на амплитуду качания ротора и на устойчивость работы импульсного привода ротора экономайзера;

- исследовано динамическое действие воды на движущийся ротор;

- исследована работа приводов в случае, когда частота вынуждающей силы совпадает с частотой собственных колебаний ротора;

- получена зависимость теплового КПД и коэффициента теплопередачи от частоты качания ротора, амплитуды и расхо-

да воды;

- теоретически исследована зависимость момента сил инерции на валу привода от вида гравитационного маятника;

- определена частота крутильных колебаний ротора.

Практическая ценность

Полученные в работе уравнения и методики расчета позволяют определить работоспособность конструкций на стадии проектирования, решать задачи оптимизации работы как привода, так и аппарата в целом. Результаты исследования, алгоритмы расчета и конструктивные решения рассмотренных механизмов можно применять в других областях техники. Изложенные в работе рекомендации позволяют сократить время на разработку аппарата.

Реализация результатов работы

Результаты работы использованы при создании опытных образцов экономайзеров ЭЗНД-10 (с импульсным приводом) и ЭВДГ-5/60 (с приводом "качающаяся шайба"), предназначенных для комплектования промывных линий типа ЛПС-140-11. Применение экономайзера такого типа на одной промывной линии при трехсменном режиме работы позволяет сэкономить 183 т условного топлива в год.

Менее эффективный образец экономайзера ЭЖД-140 с импульсным приводом, работающем в режиме, далеком от резонанса с пониженной частотой был установлен на хлопчатобумажном комбинате в г. Кохма и показал удовлетворительные результаты.

Апробация работ и публикации

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- всесоюзной конференции "Научные основы создания энергосберегающей техники и технологий" МЭИ, Москва, 1990 г.;

- заседании секции научно-технического совета Ивановского НИЭКМИ 21 сентября 1990 г.

- заседаниях кафедры механики Ивановской государственной инженерно-строительной академии , кафедры теплотехники и теории механизмов и машин Ивановской государственной текстильной академии в 1996-1998 г.

- научно-технической конференции " Актуальные проблемы отделочного производства. Прогресс-97 ". ИГТА, Иваново, 1997 г.;,

- научно-технической конференции " Научные школы и направления в ИГАСА ". ИГАСА, Иваново, 1998 г.

- научно-технической конференции " Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы в текстильной и легкой промышленности. Прогресс-98 м. ИГТА, Иваново, 1998 г.

По теме диссертации получено семь авторских свидетельств и патентов Р.Ф. и опубликован один отчет.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 160 страниц машинописного текста, 61 рисунок, 6 таблиц. Список литературы включает 52 наименования.

- 10 -УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а! ,Ь-гкоэффициенты ряда Фурье; О -диаметр тарелки ротора (м); е -эксцентриситет ротора (маховика) (м); Е -модуль упругости 1 рода для материала ротора (МПа); 6 -модуль упругости 2 рода для материала ротора (МПа); 1ГР -момент инерции масс груза (кг-м2); 1рот -момент инерции масс ротора (кг-м2); 1прив~приведенный момент инерции массы ротора (кг-м2); 1сеч- момент инерции сечения тарелки (м4); 1ГР -длина маятника (м); 1приб_приведенная длина (м); гпприв-приведенная масса (кг); шгр -масса груза (кг); Шрот -масса ротора (кг); Ми - -момент сил инерции ротора (Н-м); Ме -компенсирующий момент, обусловленный эксцентриситетом ротора (Н-м); М -момент на валу привода (Н-м); п -параметр демпфирования (с-1); р -круговая частота колебаний ротора (рад/с); Рс1 -частота демпфированных колебаний ротора (рад/с); Р1 -частота крутильных колебаний ротора (рад/с); г -длина кривошипа (м); 400 -функция возмущающей силы; Ь -время (с);

Т -период колебания ротора (с); Х,У - координаты оси вращения кривошипа относительно оси ротора (м);

Худ- -угол поворота ротора при ударе (рад);

ое -угол поворота кривошипа (рад);

5 -угол поворота ведомого звена (рад);

Л -тепловой КПД (%);

Д -логарифмический декремент затухания;

-вспомогательные углы при анализе механизмов (рад);

8 -угловое ускорение ротора (рад/с2);

v л -частота качаний ротора (с );

-функция крутильных колебаний ротора;

x' -время, отсчитываемое с момента удара (с);

б -нормальные напряжения (МПа);

td -период демпфированного колебания (с);

ф -деформация кручения ротора (рад);

ф -угол наклона шайбы (рад);

(л) -угловая скорость кривошипа (рад/с);

«0 -угловая скорость сближения ролика и кулисы (рад/с);

<*>св -угловая скорость свободного движения кулисы (рад/с);

<д)з - угловая скорость движения кулисы (рад/с).

1. Литературный обзор и постановка проблемы

1.1.Предпосылки к созданию жидкостных экономайзеров для промывных линий отделочного производства

Проблема экономии тепловой энергии в настоящее время становится все более актуальной. С одной стороны, из-за трудности получения новых источников энергии растет ее себестоимость, с другой, тепловые выбросы отделочных фабрик ухудшают экологическую обстановку.

Доля затрат на тепловую энергию в общей стоимости обработки ткани достигает 30% [1.1]. При этом в процессах мокрой отделки расход тепловой энергии вдвое больше, чем во всех остальных процессах вместе взятых. Например, по данным исследований, проведенных в А О. " Шуйские ситцы " [1.2], красильно-сушильная линия ЛКС-140 потребляет 35,4 м3/ч горячей воды, нагретой до 50° С на тепловом пункте.

Известно,что технологическая последовательность "промывка (особенно включая горячую промывку)-сушка" энергетически нерациональна. Ткань сначала замачивают, затрачивая энергию на диффузию жидкости в волокно, затем сушат, затрачивая еще большую энергию на парообразование технологических растворов. В то же время, если рассмотреть потенциальную энергию обрабатываемого продукта до и после обработки, то она практически не меняется. Таким образом, технологическая потребность в энергии близка к нулю. Вся затраченная в процессе работы энергия идет в выбросы линии: с горячей паровоздушной смесью, с излучением и конвекцией от горячих поверхностей и со сточными водами. Учитывая, что плотность энергии в жидком теплоносителе выше, чем, например, в воз-

духе, можно ожидать, что мероприятия по экономии и рекуперации тепла в процессах мокрой отделки будут высокоэффективны Е1.3]. По всей видимости отечественной текстильной промышленности в ближайшее время потребуются надежные и достаточно эффективные устройства и системы для рекуперации тепла как в новых, так и в имеющихся технологических линиях. Большинство фирм, выпускающих текстильное отдёлочное оборудование, оснащают его экономайзерами, т.е. теплообмен-ными аппаратами, возвращающими в процесс значительную (40...75%) часть тепла горячих стоков. Это требует определенных затрат и дополнительной плошади, но экономия, достигаемая при применении этих устройств быстро покрывает все расходы. Например, экономайзер фирмы "Menzel" (Мендель, ФРГ) [1.41 дает доход в 100 тыс. западногерманских марок в год. По сведениям фирмы "Brugman" (Бругман,Голландия) некоторое удорожание промывной линии, вызванное установкой экономайзера (рис.1.1), окупается всего за 410 рабочих часов [1.5]. Существуют три класса аппаратов, при помощи которых можно рекуперировать тепловую энергию из жидкости:

-тепловые насосы;

-вакуумные холодильники;

-теплообменные аппараты типа " жидкость-жидкость".

Подробный анализ работы каждого из этих аппаратов на сточных водах промывных ванн показывает наибольшую перспективность теплообменных аппаратов. Тепловые насосы, несмотря на способность передавать тепло от менее нагретого тела более нагретому, потребляют много электрической энергии и, несмотря в целом на положительный баланс по энергии, невыгодны при нынешних их КПД из-за большей стоимости электрической энергии в сравнении с тепловой. Тепловые насосы, од-

Теплообменник " Therma screw "

нако по мере роста их КПД, в дальнейшем могут оказаться конкурентноспособными. Вакуумные холодильники, которые превращают тепло жидкости в тепло пара с давлением ниже атмосферного, удобны тем, что этот пар легко и в больших количествах может отдать свое тепло свежей воде промывной ванны, но сложность представляет эвакуация грязной отработанной воды из вакуумного объема.

Теплообменные аппараты, хотя и уступают описанным выше аппаратам по тепловому КПД, но проще, надежнее и дешевле их. Поэтому в мировой практике применяется этот тип аппаратов. Для повышения интенсификации процесса теплообмена применяется ряд методов, достаточно полно описанных в [1.6]. В ряде случаев применяется вращение С1.7...1.15], перемещение элементов теплообменника под действием потока [1.16, 1.173, изменение конфигурации стенок под действием электрического тока [1.18], либо непосредственное воздействие тока на процесс теплообмена [1.19]. Повышению коэффициента теплопередачи может способствовать турбулизация потока жидкости в пограничном слое [1.20], а также колебания теплообменника [1.21].

В сточных водах технологических линий отделочного производства содержится большое количество загрязнений, которые можно подразделить на 4 вида [1.22, 1.23]: химические (красители, кислоты, вспомогательные вещества), осадки (карбонаты и др.), эмульсии (воска, олигомеры и др.), механические (волокна, пряжа, фрагменты ткани, прищепки и др.). Наличие химических примесей в сточных водах не влияет на выбор конструкции аппарата и предъявляет требования лишь к материалу его деталей. Наибольшие трудности создают механические загрязнения и экстрагируемые из ткани нерастворимые

в воде воска и т.п., находящиеся в сточных водах в состоянии легко распадающихся взвесей. Только пуха и волокон в процессе обработки выделяется 1... 1,5% от веса суровой ткани С1.6].

Наличие специфических загрязнений не позволяет использовать для рекуперации тепла стоков промывных ванн