автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка метода анализа и совершенствование шпиндельных узлов с гидростатическими опорами как динамических систем

РГ8 Oil

/ 3 МАЙ tm,

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ Р® ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ

МОСКОВСКИ]] ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

На правах рукописи УДК 621.9.06.-233.1:621.822.672 (043.3) Молодцов Владимир Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА АНАЛИЗА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ КАК ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

Специальность 05.03.01. - Процеооы механической к физико-химической обработки, оталки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ

диооертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена в Госкопскаи Ордена Трудового Красного Знамени Государственном Технологическом Университете.

Научный руководители " - доктор технических наук

профессор Хомяков Е С.

.Официальные оппоненты: - доктор технических наук

профессор Пуш А, Б, - кандидат технических наук Кудряшв Л. Б.

Ведуне предприятие: ГО "Коломенский ЭТС".

Защита состоится ^т 1993 г> и ^ часов

на заседании специализированного совета К' 053.42.05 в Московском Ордена Трудового Красного Знамени. Государственном Технологическом Университете по адресу. 101472, ГСП. Москва , Вад-ковский -переулок,- д. 3-а, телефон: 973-31-43, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного Технологического Университета.

А£т0ре($ерат разослан 1993 г;

Ученый секретарь специализированюго совета' к. т. к., доцент

Поляков ¡0. Е

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛБОТ11.

Акту9дькость геш. Дпв вшолязния своего служебного наз-качегаш - обеспечивать обработку детэлэй о "заданной точностью п качеством поверхности, при выоошйвроизводитвльвосхи и о. достаточной кздеяностьр, осрремелкие станки , должны обладать заданными показателям качества, среди которих аэжауо роль играют показатели динамического качества,

На гтапе проектирования стгякя, в целях улучшения его ди-яамдезсюго качестве, необходимо кметь Ерсгкозаыэ сцэгка уровня отиоситгльныя .скещряий' инструмента к 'вагокззки, а также информацию сб ■ уотрйчквости динамические оитема- (ДО) при различных реяяиах гшшуатаря. Получить такого рода ив$ор«зцда кья-ко только с помос?«» к.штацианшго исделирсзгяия, которое' предусматривает яаягае катематиче,скэй модели ДС станка и арозе-декке вычислительного эноперимэнта на Э8М. Имитационное моделирование позеоля&т -гайке осуществить выбор опгкм&чьвогс .варианта конструкции стаж.

Развита» сгаяксятроэкия в гозледяне деоятгистня привело к появлению в яокотрукшн станков яоакк узлов к материалов. Ш-ведвнио ДС таких, огзжсов ииеь? в*с*мз .елоатыа характер, обуслзвлкваэщхй влдаяком' процеосоз е приводах гидростатических н аэроотзкявокич опорас и направйяюцкх к процесса резэния. В литературе они тшгувтсз рабочими процессами.

Разработка имитационных юдолей ДС стакков включавших в зтк узлц и материалы является важной задачей, поэтому тема днооертациониой работы гсредотазляэтта актуальной,

Целью диссертационной работы является освервенстЕонзшю конструкций плиядельнкх углов о гадроотатичаалими олорани (ГО) как динамических объектов,

В работе решена язучиаэ задаче разработки с-бцаго подхода к формирована математической аодгли ДС стажа к роалиоации его применительно к кпгагдедьныы узлам о ГО.

Реализация работы. Результаты работы использовались при разработке рекомендаций по улучшению динамического качества горизонталь но-расточного станка ыодели ¡?Л637©4 и одностоечного токаряо-карусельного стажа 185401454. Результаты работы 'пере-

дану Коломенскому станкостроительному производственному объединению (КОТО) и используются в МРТУ Станкин в ' учебном процессе при подготовке' инженеров по специальностям 1202 и 2103,

• Апробация работы. .Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканской научно-технической конференции "Пути повышения технического уровня и качества мдлогабарстных мегаллорежудда станков и снижение металлоемкости . в станкостроении" (Вильнюс, . 1986г.), научно-технической конференции "Теория и .практика разработки и внедрения':средств автоматизации и роботизации технологических и п'рокводствейных процессов" (Уфа, 1989г.), .. Российской научно-практической конференции "Проблемы создания и эксплуатации технологического' оборудования; и. гибких поизводственых систем" (Хабаровск, 1922г.). IV научно-технической конференции "Динамика станочных систем гибких., автоматизированных производств" (Нижний,Новгород, 1992г.). •. , .

. .Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ. •; 1 " '

•. Структура и: объем.,. Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного, текста с рисунками и таблицами на 40 страницах и состоит и"оглавления 4 глав и списка литературы из 83 наименований. В конце работы даны, приложения..,

Методы исследования.' Результаты работы получены при проведении теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические результаты базируются'на использовании теории колебаний, теории автоматического управления, линейной алгебры, механики, жидкости и газа.'. Из специальных дисциплин привлечена динамика станков, ,; ',■ ,.- ■' •

В работе широко использовался вычислительный эксперимент. , При проведении натурны>: экспериментов испольвовалаоь современная виброиамерйтельная ачпаратура. ,.

Научная новизна работы заключатся в разработке: .-■метода построения и анализа обобщенной'"модели замкнутой динамической системы станка, учитывавшей взаимодействие упругой системы.станка п ,рзбоч;с< процессов; ". ..

-разработке мат^атичвокой модели' шпиндельного :узла с опорами различных. ияк® (ГО к споры качения), позволявшей проводить подробней анализ влияния -тоязтруктивяых параметров на егэ гина'сгчгско? качество,"-'-. .'•', ; , ''....

Практическая ценность работы заключается в разработке методик имитационного моделирования и идентификации динамических объектов, имеющих не только,механические, элементы, разработке .соответствующего программного обеспечения и использования' их, для: . .'' ■' 1

• - совершенствования шпиндельных увлсв с ГО на этзпе проектирования; , '•'■■'."'■

параметрической идентификации ДС станков в частотной области; • ■ - I - ,. .

- исследования характеристик демпфирования металлсраку-станков. - -

В первой главе проведен анализ состояния вопроса и сформулированы задачи исследования. ,

В настоящее время улучшение показателей дяихмичесмзго качества металлореадвдг . станков прозодитои на основе анализа1 результатов экспериментальных исследований станка-прототипа или опытного образца и расчетов по ссотвегстЕуанда методюам.г • Исследования динамических процессов в стгигаах я улучшению их динамического'качества посвящено иного • работ советских и зарубежных исследователей н.С'Амосова, В.Л. Вейца, И.Г. Жаркова, А.К. Кааирина, В.В. Каминской, В.А. Кудикова, М.К. Клебанова, В. Л. Кучма,- А. й. Левина, S.M. Левгазй, В.Н. Подуразьа, A.B. Пуша, Ж.С. Рзваы,- Д.И Решетова/ В. С Хомякова, М.Е, Эль-яобвргз,М. Векз, Г. Опктца, И. Тлустого и др. Это обшзияе-гся тем, что динамические процессы в станке существенно влияв? на качество изготавливаемой детали. ' -

Изготовление опытных ' экземпляров станков и доработка конструкции по результатам эксплуатации яе является шгоднш решением, С другой стороны исследование прототипа являемся не всегда возможным из за отсутохь г: такого стайка в наличии. Встает таксе вояроо об адекзахиоосги прототипа проектируемой конструкции.

Теоретические исследования на этапе конструйрозаиия часто носят качественный харктер. Анализ различных теоретических методик динамического расчета, разработанных в настоящее время, показал, что вое они рассматривает поведение упругой системы станка, игнорируя ее взаимодействие с рабочими процессами в рамках ДС. Специальные работы, посвященные исследованию динамики рабочих процессов (рзсчеты регулируемых приводов Сесксн-

тактных опор) сводят'всю механическую часть к системе о одной, максимум двумя степенями свободы. .

. Внедрение в практику конструирования станков динамических расчетов тормозятся, в частности, из-за трудностей построения динамических медалей упругих систем. Эти трудности обусловлены неизбежным упрощением расчетных схем и неопределенностью параметров , пренде всего•демпфирования. и жесткости соединений, что ведет к .необходимости корректировать параметры по результатам экспершелтов. , V ; :

• Современные методы параметрической идентификации ДС станков (действительный .модальный аназиг), как правило, тоже не учитывает влияния рабочих процессов'е,ДС.

Ъ.Оовршекшле првт^'авжтт о динамическом поведении узлов о гвдростагячесгаши шорами не дают четкой картины происходящих .в них процессов, ,а иногда носят противоречивый характер. Наиболее подробными и достоверншв! кажутся исследования немецки исследователей под руководством профессора Опитца и исследования щоведёвЫе. в < Цнгертш Г. _ X. и Лурье Б. Г. Од. лаио получение ими -ямитацгюнвыа : математические. модели . ЛС исследуемых объектов мало эффективны при использовании на этапе конструирования, как являются очень упрощенными.

. На. основании проведенного.обзора и анализа информации, излаженной ,в первой главе, основные задачи работы могут быть сформулированы в следующем виде:

1. Разработать методику построения математической модели ДС станков в пространстве состояний и реализовать ее на примере ДС шпиндельного узла с ГО. '!'• ;" 2. Разработать методику параметрической идентификации ДС станка на основе комплексного модального анализа. - • .

3. Поскольку в качестве объекта для практической реализации перечислешшх .выше ■ разработок . выбран шпиндельный узел с ГО, построить;нелинейную математическую модель' шпиндельного узла: о Г0,ч;;учитывающую деформаций конструкции и поведение ГО при статическом нагружении и влиянии "насосного эффекта".

'4. Построить- :линеаризованную объединенную математическую модель шпиндельного узла с ГО, учитывавдую деформации конструкции, и поведение ГО при динамических нагрузках. '.

. 5. Разработать соответствующее программное обеспечение и проверить работоспособность методик и моделей в вычислительном

и натурном эксперименте. • ..:■-,.

Во второй гдаре представлена методика формирования имитационных математических, моделей динамических процессов.' в ГО. Эти модели должны учитывать конструктивное, разнообразие ГО. и процессы в масляном мое, протекащше прк вращении шпинделя, а также сжимаемость масла в-;:зрмзнах. и трубопроводах. Пршша-емые в процессе разработки моделей-допущения не ,доданы .оказывать . существенного влияния на ж точность! ' '

При анализе характеристик опар■предполагается, что:- радиальная гидростатическая опора является ашкнутой" и имеет четкое число карманов прямоугольной формы," выполненных в отверстии невращащейся втулки; ■

- упорнач' гидростатическая опора (в дальнейшем подпятник) является вамкнутой. и икеет одну» три, четыре или весть,; пар карманов, выполненных'в форме •■ кольцезшс, секторов на торцзх невращаящихся детален опоры;

- на входе в ¿гесухцт карманы установлены дроссели трения с постоянными гесмгтриче.окши параде грачи;

- подшипник питается' ст источника постоянного давленая:

- - режим потока сиаэки в кавзляк. дросселя. и' щелях нокду валом и перемычками итулки лачикарн&й;

- падение деления з щелях происходит ш линейноцу. аиоау и эффективная лло^чда. кармана равна плоадди прямоугольника для, радиальной ГО и .шаьцевого,Сектора для подпятника, 'ограниченных средними линиям!! перемычек;

- искажение зпюры давлений яа угловых ' участках во - виима-ние не 'пршшмззгся;

истечение через переучли радкичлной опоры яродколага-ется одномерным;

- истечение через перошад-.. годпаткика предполагается одномерны» в ¡саидсм поперечно» сечении;

- изменение. температуры ¡¿асла при лрохаздешда его через опору не учитывается;

- силы инерцяи масла малы по сравнении с сйдаш: 'вязкого трения;

- масляный слой в рабочем зазоре подшипника несждазэм, а масла в карманах и по^водяндох трубопроводах стиаеио;

-не учитываются деформации всех конструктивных элементов подшипника, кроме шпинделя;

-в связи с тем, что длина шпинделя зка'шгэльш превышает соевые размеры втулки его изгибншй деформациям«. в пределах опоры можно пренебречь (рассматривается только перекос шпинделе в опоре);

- поверхности зззла и втулки, . образующие рабочий зазор имеют .идеальную геометрическую форму.

-Гидростатическая опора расматривается как гидравлическая цепь',- состоящая: из - -отдельных; гидравлических элементов, ' харак-тердаующхся перепадем давления и расходом. Осуществляя названное,. йше; ооотавтс1вие> / ззпжёи уравнение- неразрывности по-, ' то^'жфюота 'дм гармава при колебаниях в опор* .

.'Г4;:.? ^ №

где .Опер - расход йасда через перемычки, обусловленный перепа-".'/",' . , лом давления между карманом к дренажной полостью} ;0»д .■ -г. расход .{''обусловленной выдавливаний« (засасыванием) . наслав кзршя? : '. ■■ '-'.. .'■.'•-- '. ,-'■',.' Осж - расход, обусловленный сжимаемостью масла в кармане

'. и соедивйтельак ?рубовровода?4 Одр . - расход )^сиа,-"водаодишго в карман через дроссель, обусловленный переиздай давления между магистраль» ,- нагне'гакйя и:кадовом; \ % :<.. .'■•*.■'■--; • - расход масла, .обусловяеяшй .иасошш эффектом/ , " Длл случая ГО с дршаяшыми канавками шжш ; рассматривать зто уравнение .' для каждого- кармана кедзвшиш от остальных, а " для'ГО'бее дренажа иужво расашртвзъ систем/ т ■. уравнений

В г^^ультаге щалта членов ■ уравнения ■ (1) ., установлено, что это яеликейное дй^реящалькое упаешяие первого порядка. • Для' даяьяекгдаго;ксшжьэт£юш;. оно-боло,;линеаризовано путем рзздахеякя его -. кеяшейййх'. .членов в; ряд Тейлора '.с • удержанием ' членов не выгё>яер»зга,порядка а разложено на .статическую * и -динамическую' оостааютяие,-■'>;'. '•„■ *'"-. ;.

Е главе также отражена методика, построети ММ, адекватно описывающих процессы ,рассеивания. энергия на перемычках ГО. Важно достаточно, точна определить величину реакции масляной пленки:в зазоре,, образуемом рабочими поверхностями ГО.. Специ- -'-. фдаеской ■ особенность^ '-этих.: поверхностей является -наличие на них. канавок и карманов; • вследствие'- чего 'эпюра давления описывается -разрывной фунвзви.• В связи, с этим,при .определении'пос-

толнньк интегрирования необходимо задавать граничные условия, строго учитывач фйвтеакяй сшсл задачи.

. В результате получены е-яогемы выражений, оциеывавдие силы я моменты сопротивления, гезизващне при выдавливают масла ив зазора и засасывании масла, в .него. . -. ' .•'• •

В третьей' главе представлен метод формирования и; глализа имитациоиых математически моделей ДС станка, вкаш^аодюс упру- ■ гую систему и рабочие процессы в псдмсйшх соединениях и приводах, Эта модели дают возможность решать дев типа задач: , ■

1) проводить - параметрическую ойтшцзацшз дингвшеейах характеристик станка,; -, . ''.'-.•-••''■■

2) синтезировать систему управления станка <5 .у^ема его- . .. динамического качества. . "'""/У"',; •'. ""'

Разработка моделей подобного рода в данной ряфггз '.вроде- , монстрирована на примера да шпиндельного' узла о ГО, '.-•'

Учитывая ограниченность спектра возбуждения реальйой упругой окотеиы оганкз;' .'предогавш ее в виде системы' о эдпезвйи числом степеней свободы - п. Ураояедою. ДЙ станка .имеет; вт\

гдг ШЗ, СОД г [КЗ - наснммет» ичнне' 8 общем. олучаэ, матрицы инерции, деыпфкровакш к жесткости, упругой системы ставка раз-мериооти п х п с г-'Осгшкяымк 'шэффицввигаш;

[3] - матрица размерности п х р с поотоявмькн коэффициентами, ошюыеявдэя -опоеэй приложения 'йнеашк воздействий к уп-> ругой системы/станка;- '-•'".'■

[63 - матрица размерности п х т о посгоятми коаффицкеч-тзми, описываяяря взаимодействие станка с рабочими йро-цесс&ми з ДС станка; -

<х> - п-мерный вектор обобдвикшс, координат -упругой системы отанка; .

Ш - р-мерный вектор вчеяких воздействий на упругув систему отанка; -

<и}"<и(Ь,{х},-{х})}\ - т-мэряый .вектор Перемешав состояния рабочих процессов в ДС отанка, взаимодействую^ о -упругой системой отанка (вектор управления).

Рабочие процессы в ДС отанка можно описать системой из га дифреринциамных уравнений первого порядка:

[онижгаш+сшижцпхэ-шш, (З)

где {Ь> - к-мерный вектор внешних воздействий на рабочие про-

теса} ■,

. CU- матрица размерности к x к с постоянными коэффициентами, описывающая. способ приложения внешних воздействий к рабочим процессам; ;

1Ш, [ЬП - нвсимметричныэ в общем случае матрицы размерности in jk гп с постоянными коэффициентами;

• W1,-. Сф - . 'матрицы размерности m х п с постоянными коэффициентами, /отгсшдадаге взаимодействие рабочих процессов с упругой системой станка,, , • . Шь'еденив (2),<3) и вспомогательное тождество ШКх>-- tM] Ш-0, получим уравнение ДС станка в пространстве состояний:' .' ' ' ''''' : ■'.'■"•-" '.- '■"' "■ 1 \

[A?{y}+CB]-(y>-lF3if>, '- (4)

где Ш, ГВЗ -несимметричные, вещественные N х N матрицы, iWSn+m;. ' .'.' • /'; ■ ' ; : '?' .• V

IF3 вещественная матрица размерности К к (р+к) ; Чу> > ^-мерный вектор: обобщенных координат. ДС станка;. • , , '5Е?> -{р+к)-мерный вйстор.'

Вследствие несишетричности матриц уравнения (3.4),. они., преобразуются к диагональному веду с пошцыо. выражений: ' :

' .№Ti:A3W-diagtar,- ' .. (5а)

, Шг1БЗС?]-тае№), / (55)-

'где и. С!*] квадратные матрицы .соответственно правых и ле-ви-: ■ собственных! векторов (модальные матрицы) порядка N. . • ,; ': Матрица t?>3 - может быть найдена: из. ревения задачи о собственных значениях для основной системы уравнений. (4) с нулевой правой частью, матрица - из решения задачи о . собственных йначениях для сопряженной системы уравнений. -

■ . После - преобразований было' получено ,. выражение, являющееся моделью для ' аппроксимации . частотных1 характеристик-станка в случае.'"комллексйого' ьгодаип.юго анализа " '

Vi'lrч'- яч(■ «lis +-.J.»»l8".«ilk'- З'вцаЧ •• ■

Vji(«)-

• s"( «iiS ■ -

(6)

^"ife-'Or. а|'(«т«в) 5s.- J (liH-i^s)

.где «as и-в-iis ~ ,дей<яайт«льмя к мнима« часть^з-го шмпл?кс-ного. мщального napatiSTpa;',;;'....,; - .

■■ Tjir - г-ый дейстЕите.ташй исдалъшп параметр;' '.',- (ttg-s-aa 'собственкая-частота-:к:екрчсерват»-1Е-ной системы

6з - коэффициент модального демпфирования для этой частоты;

ог - аппернодический модальный коэффициент.

Оно пригодно для идентификации ДС стайка в частотной области в наиболее общем случае, т.е. при отсутствии ограничений по\ демпфированию, возможной несимметричности матриц системы, учете взаимодействия упругой системы станка о рабочими процессами. В частном случае его можно использовать для идентификации отдельных элементов ДС станка.

В ДС ипинделвногст" узла с ГО упругая система взаимодействует со.смазкой в карманах и на перемычках ГО., В этом-случае з каждом кармане имеют место колебаний, которые раассматрива-лисъ как рабочие процессы. Все остальные процессы, которые могут протекать в ДС станка,. рассматривались как внешние воздействия по отношению к ДС шпиндельного узла о ГО.

Матрицы ШЭДСЗ и СЮ описывают инерционные, , дисоияатив-ные и упругие свойства шпиндельного узла (то-есть свойства самой конструкции узла) и являются симметричными !! положительно определенными, С помощью матрицы СС] учитывается также рассеивание энергии на перемычках ГО. Матрица 153 и ¡вектора Ш и Ш гадают физический смысл, аналогичный описанному выше. Переменные . вектора управления {и)' имеют физический смысл динамических составлявших давления. Матрица [0] описывает .способ приложения силовых воздействий со стороны ГО.

Анализ дифференциальных уравнений, полученных в результате преобразования уравнения (1), раскрывает физический смысл уравнения (3) для случая шпиндельного узла с ГО. В этом уравнении СШ - диагональная матрица коэффициентов сжимаемости; ГШ - симметричная матрица'проводимости. ГО. Размер этих матриц ранен количеству карманов во всех ГО шпиндельного узла. .[И -матрица, описывающая зависимость расходов в ГО .обусловленных выдавливанием Сзасасыванием) масла, от скорости линейных и угловых перемещений в опоре при колебаниях шпинделя. .ГЦ] - матрица, описывающая зависимость расхода через перемычки опор, и расхода, обусловленного насосным зфЬектом от положения шпинделя в опорах при колебаниях. ИЗ и -СЬ> - нулевые матрица и век- . тор, так как внешние воздействия на процессы в ГО/.{например,' пульсация расхода насоса) не учитывались.

Далее в главе 3 подробна рэсгыатрпзатся структура назван-

ных вше матриц и исзшм&оьтт шигумрясто раэлсшшка для идентификации вамкнутьк щиятввкт сютии сшж>£.

Четвертая глат' воет щит оптант кдаядексое ярог рт/м для математического жщ^лщювтт штщеяыш узлов о ГО, па-раметрич'эткой овтомюздш ДО отшшз, 'результатов шчшшюаль-них и натурных экспериментов.

Комплексы реааддов&цы на Пазм* класса ШМ РС АТ в программной среде явыка 0, ООдая структура программного обеспечения ' и взаимодействие ооневиых его кшяоиеитов представлены на рио, 1 и 2.

С .'целью проверки тсор<шшоках результатов, подученных во 2-ой и 3-ей главах, тестирования программного оОеолеч'ззшя, реалнзукщэго имитационную математическую модель для статического расчета шпиндельного узла с ГО, и расчетов потерь моикос-тй проведены оптимизация конструкции шпиндельного у<*ла стянка модели 2П537Ф4 и сравнение результатов расчета этого узла с експэриыентвльныш данными.

В качестве критерия оптимизации была выбрана несупря способность шпиндельного уела, а в качестве граничных уоловт некоторые предельные екачешш расходных характеристик и потерь мощности ГО. Проанализировав данный, полученные ври оптимизации мсино сделать аледузсщке шыгощ-,

- чем больяо длина ковоояьной части Епшд№шш уеяй, теа меньше предельшв, несущая способность;

- вавиоимооть предельной кесусой способности от длины передней опоры имеет максимум при некотором апачеыш этой длины;

- зависимость предельной несущей способности от длины вадией опоры имеет не столь ярко выраженный характер, экстремум находится вне исследуемого диапазона; У

- изменение давления в магистрали нагнетания оказывает на несущую способность гораздо более существенное влияние чек изменение длин передней и задней опор;

- еффект рт повышения давления а магистрали нагкетзшн снижается из-за наличия упругих деформаций в элементах конструкции впинделького уела;

- чем вьше жэоткость опор, тем меньшая вел;«ика межопорного расстояния обеепдчкаает максимальное рначенио предельной несущей способности.

Установлено, что максимальное расхождение мгвду расчетными н экспериментальными данныкн ке превыкает 81.

- и

СТРУКТУРА ПРОГРАММОЮ КОМПЛЕКСА ДЛЯ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ ИШЦДЕЛЪШХ. УЗЛОВ С ГО

МОНИТОР УПРАВЛЕНИЯ ЗАДАНИЯМИ

Чтение, вались и редактирование денных

Запуск гаданий

Сдаод я сшрги»яда репульгвтоз

ПОДГОТОВКА ДАННЫХ

Общие ¿ведения Координаты Точек модели Ийерционные характеристики абсолютна кесткпх Параметры стержней Характеристики материала Параметры ГО

Характеристики Явгругиения

«ОРШРОВАШ® Ш И РАСЧЕТ

Статический расчет Раечек яот^р© мощности в ГО Ояекграюкая еедача НвбтрЬшм Форм колебаний Расчет АИХ

ОТОВРАКЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Рмгудататы статических расчетов . График потерь мощности Спектр ДС ШУ с ГО Форш колебании шпинделя График АФЧХ для любой.ука-ванной точки системы

Рис. 1

СТРУКТУРА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДС СТАНКОВ

МОНИТОР УПРАВЛЕНИЯ ЗАДАНИЯМИ

Чтение запись и редактирование данных.

Запуск заданий.

Вывод и сохранение результатов

ПОДГОТОВКА ДАННЫХ

Общие сведения Параметры модели Экспериментах» ные данные

КЭШИРОВАНИЕ ММ И РАСЧЕТ

Предварительная обработка данных .

Определение собственных частот Идентификация параметров передаточной функции

ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ ММ

1—(Экспериментальные, АФЧХ. ДС I станка '

¡Усредненная и алпроксиммирую-|езл АФЧХ ДС станка

рг.о. г

Для проБбгки/ адекватности модели, учитывающей процессы в опорах, возникавшие при вращении шпинделя, было - проЕедено сравнение результатов расчетов шпиндельного узла станка модели 3475ТЕ? с результата.® экспериментов.

В ррэультзге проведения этих исследований было установлено;

- направление смещения оси шпинделя прл его вращении но совпадает с направлением нагрузки,'

- несущая способность радиальных ГО о увеличением скорости вращения шпинделя растет. Этот рост обуславливается влиянием увлекаемых потоков жидкости;

- сравнение результатов вычислительного и натурного экспериментов показало удовлетворительную степень адекватности имитационной Ш реальной конструкции.

Для идентификации' ДО были проведены экспериментальные исследования поведения одностоечного карусельного станка модели ' 1В64СШ4 при кагружекии гармоническим усилием в зоне резания . Для определения оценок модальны/, параметров- выражения (5) использовалась процедура "ШОАК". - За двадцать итераций (около 4 ,мин).были достигнуты удовлетворительные результаты аппрск-симмацик, определены оойсгзснные частоты и параметры передаточной функции.¡50. .

Для проверки адекватности имитационной модели ДС шпиндельного узла о ГО были проведены эксперименты по ояределениа частотных характеристик шпиндельного угла горизонтально-расточного отанка модели 21Ю37Ф4 при иагружзнии его гартыыь-окли усилием в зоне реванш при вылетах инструмента 60 м 600 ш.

Сравнение результатов вычислительного и натурного зкспо-риыэнтов для вылета инструмента 600 мм показало высокую степень адекватности имитационной ММ реальной конструкции.

■ При анализе экспериментальных данных для вылета инструмента 50 мм било установлено, что на малых Еылетах нельзя кэ учитывать влияния других узлов несущей системы на динамические характеристики станка.

В качестве примера использования программного комплекса "ОБР'1 пров&ден сравнительный анализ нескольких вариантов конструктивного гслолнения шпиндельного' узла горизонтально-расточного ста;;ка станка модели 2П637Ф4 с различными типами опор. Результаты эхцх исследований подробно рассмотрены в основных выводах по .работе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Для описания взаимодействия упругой системы о рабочими процессами в рамках динамической системы станка удобен подход позволяющий, используя метод пространства состояний и при- 4 ведение системы'к ортогональному виду, получить аналитическую математическую модель динамической системы станка в виде комплексного модального ряда (омотри выражение (в)).

2. Однако использовать это выражение непосредственно при решении прямой задачи" нецелесообразно, так как сопряжено о определенными трудностями в практической реализации, Гораздо удобнее, решив спектральную задачу, использовать полученную информацию пр:1 построении фзрм колебаний числэвяым методом на интересующих ксследозатэля частотах, • „

3. Разработанная ка основе предложенного в глааэ 3 метода моделирования ДС металлорежущих станков математическая модель динамической системы заиндельного узла с гидростатическими оперши (ГО) обвепечиявег удовлетворительную степень адекватности результатов расчетов зкеперимэнташшм данным. Допущения, использованные при.разработке математической модели ГО, не оказывает существенного влияния на ее адекватность.

Используя эту Ш мг.тао подробно , исследовать■ стати-, ческие и динамические свойства шпиндельных узлов о ГО, анализировать влияние отдельных конструктивных параметров на их статические и динамические характеристики. Ш позволяет:

- моделировать шпиндельные узлы с несколькими опорами одного или различных типов (опоры качения и ГО);'

- учитывать упругие свойства шпинделя и перекос шпинделя в опорах;

■ - учитывать влияние насосного эффекта на статические, и динамические характеристики шпиндельного узла.

4. Разработанная методика параметрической идентификации динамических систем станков в частотной области позволяет автоматизирование получать математические модели, адекватные зкеперементатаным данным. В основе методики лежит выражение передаточной функции динамической системы,; полученное в 3-ей '.,

главе,

5. Проведенные вычислительные и натурные эксперименты показали, что на динамические характеристики станков с ГО значительное влияние оказывает жесткость базовых,деталей; чем онз ниже, тем слабее проявляется диссилативные характеристики ГО.

6. Установлено, что при динамических нагрузках, начиная о некоторой критической частоты возбуждения (примерно 25 Гц), несущая способность ТО определяется не обеспечиваемым насосом давлением в магистрали нагнетания, а в основном геометрическими характеристиками самой опоры и свойствами масляного слоя. Как известно несущая способность ГО при статическом нагружеини пропорциональна давлению в магистрали нагнетания. В, диапазоне чаотот возбуждения от 1 нулевой (соответствующей статическому нагрулении) до критической существует переходная зона, в которой влияние источника питания на несущую способность опоры ослабевает о ростом частоты.

7. Рассеивание энергии в ГО происходит не только ва счет тренда в тонком несдимзешм масляном слое на. перемычках, но и во всем остальном объеме сжимаемого в карманах и соединительных' трубопроводах масла. При зазорах до 40 мкм для шпиндельная углов станка модели 2П337Ф-А потери энергии на перемычках значительно превышает потери г снимаемом объеме. При увеличении величины оааора выда некоторого критического значения (около БО мкм для шпиндельных умов станка модели 2П637Ф4) потери анергии на перемычках становятся иеньаэ чем потери в сжимаемом объеме.

8. Сравнительный аналиэ нескольких вариантов конструктивного исполнения шпиндельного узла горизонталь но-расточного отанка 2П637ЬЙ4 с различными типами опор (опоры качения, ГО, комбинированные опоры) позволил установить следующее!

8.1. Шпиндельные уэлы с ГО имеют лучике динамические характеристики по сравнению о впиндельшш углами на опорах качения б^годаря высокому демпфирования в опорах, несмотря кз то, что го обладают мзиькей статической жесткостью. Достоинства ГО проявляются, в основной, при черновых режимах обработки и больших вылетах (более 500 км) выдвижного шпинделя, так как при малых вылетах запас виброуотойчивоотн у всех конструкций достаточно высок, а при «истовых релшзх проявляется стык "полый шпиндель - ьыдв!Ш-;ой шпиндель". Однако шпиндельные угля с

ГО имеют более сложную конструкция и требуют высокой культуры эксплуатации для поддержания заданных при разработке характеристик. Особенно неудачной в атом отношении» является осевая опора - подпятник.

8-2. Шпиндельный увел о кшбйвярованными опорами удачно сочетают достоинства обеих конструкций без существенных потерь з эксплуатационных характеристиках. Установка на месте передней ГО с одним рядом карманов гидростатического дуплекса улучшает динамическое качество конструкций примерно на ■ 30% при увеличении расхода "смазки на 407., . Установка дополнительной опоры в месте, где амплитуда колебаний имеет значительную величину, может улучпить динамическое качество конструкции на 1007. и более, но и сумммарный расход смазки возрастет существенно. ■ . ■ ■

8.3. Проведенные в работе исследования подтверждают предположение, что для совершенствования конструкции шпиндельного узла.расточных станков с ГО нужно стремиться улучшать динамические характеристики, так как при больших вылетах инструмента динамические свойства шпиндельного угла ограничивают производительность станка и определяют качестве обработки. При малых вылетах шпиндельного увла с ГО обладает значительным га-пасом как статического так и динамического качества.

9. Полученные результаты могут быть учтены и при конструировании ползунов карусельных станков.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах! -

1. Параметрическа идентификация упругих систем ставков во.временной области. - Материалы республиканской научно-технической конференции; Пути повышений технического уровня и качества малогабаритных металлорежущих станков и снижение металлоемкости в станкостроении, - Вильнюс, 1936 - с 1б. (соавтора Фролов Е, В,, Хомяков В, С.)

2. Применение модальястэ ските?© яри определении параметров динамической системы гпм, - Тезисы докладов научно-ттМ'

. ческой конференции: Теория играются разработки и внедрения средств . автоматизации и роботизации технологических и . проиводственных процессов. - Уфа, 1359 - с, 37,

3. Параметрическая . идентификация дингм;я*еювс систем стзкков в частотной области. - Тегигы■ докладе» Российской яауч-'

ио-пракгкчеокой конференции* Проблемы создания и зксплуага-цин технологического оборудования к гибких производственных систем. - Хабаровск. 1992 - с. ?3. (соавторы Досько С, И.,' Крашенинников К. А.) 4.' Методика анализа к совершенствования шпиндельных узлов о • гидростатическими опорами. Тезисы докладов Российской ньуч-ш-практической конференции: Проблемы создали;; и эксплуатации технологического оборудования и гибких ггаиэводотвеных систем. - Хабаровок, 1992 - с. 72. 6. Программный комплекс для статического и динамического расчета шпиндельных узлов с гидростатическими оиорами. -■ Тезисы докладов IV научно-технической конференции: Дииамжй станочных систем гибких.авгоштивиросанных производств. -Нижний Новгород, 1992 - с. 64. б, Расчет и оптимизация шпиндельных узлов о гидростатическими опора1,®. Тезисы докладов конференции: Типовые механизма и оснастка отанков-автоматов, станков о ЧПУ, и ГПС (СТАК-КИ-91). - Чернигов, 1081 - о. 38-37. (соавтор Бушуеь В. Б,) ?. Идентификация Динамических систем стакьхт. - Тезисы докладов IV научно-технической г-енфереицки: Динамика станочных систем гибких - автоматизированных производств. - .Кикний Новгород, 1992 - с. 86 (соавторы.Хсмявов В, С., Дссъко С. К.). В. Разработка алпрокекмациошюй иоделк ддш идентификации динамических систем атаккое в частотной области, - Известия вузов, 1693, N2. (соавторы Хомяков В. С., Досько С. И.).