автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Ротационные установки для возбуждения асимметричных импульсных нагрузок

национальная академия наук кыргызской республики

ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи НИКИШИН АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

УДК 620.178,6:621.38

РОТАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ АСИММЕТРИЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ НАГРУЗОК

Специальность 05.02.18. Теория механизмов и машин

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек - 1993

Работа выполнена в Институте машиноведения Национальной академии наук Кыргызской Республики.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

В.К.Манжосов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Б.Б.Бексалов кандидат технических наук, доцент, Ж.У.Усубалиев

Ведущая организация - Кыргызский технический университет, г.Бишкек.

Защита состоится "" 1993 г. в часов,

на заседании специализированного совета Д.05.93.04. по присуждении ученых степеней по специальностям: "Горные машины", "Теория механизмов и машин", "Дшамика, прочность машин, приборов и аппаратуры" при Институте машиноведения Национальной академии наук и Инженерной академии Кыргызской Республики по адресу, 720055, Бишкек, ул.Скрябина, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в Институте машиноведения НАН.Кыргызской Республики.

■ Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес совета: .720055, Бишкек,-ул.-'Скрябина, 23, Институт машиноведения или по телефаксу 8-3312-4227885.

Автореферат разослан " /3 " О^С 1993 г.

Ученый секретарь специализированного

совета канд. техн. наук Т.Т.Каримбаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность -работы. Условия эксплуатации современных ыалшн и приборов выдвигал? 'вез новые требования к качеству их исполнения. Особенно актуально этот вопрос стоит в областях авиационной техники, средств автоматики, изделий электронной техники и т.д., где доминируют, всевозможные динамические нагрузки. Эти нагрузки всегда являются объектом особого внимания исследователей, т.к. имеют способность вызывать ряд непредсказуемых изменений в системе: резонансы, смещение элементов конструкции, внутренние напряжения, накопление статических зарядов, изменение емкости и индуктивности зарядов электротехнических изделий и т.д. Известно, что эти изменения способны не только вывести -систему из строя, но и разрушить ее.'

Одним из наиболее опасных динамических нагружениЯ являются импульсные, повышенной длительности, амплитуда которых достигает I,4*1,6*10 м/с^. Причем форма нагружений не всегда соответствует стандарту, а меняется в зависимости от условий эксплуатации. Поэтому разработка качественных систем и изделий без прогнозирования их поведения в реальных условиях, эксплуатации становится весьма проблематичной. Тем более, что прогнозирование без предварительных испытаний опытных образцов вообще теряет смысл. А испытания в реальных условиям зачастую оказываются не просто чрезвычайно дороги, но и

э

практически не целесообразны, т.к. информация о протекающих процессах оказывается искаженной или вообще недоступной. Для решения подобных проблем возникло техническое направление создания испытательных устройств.

Для формирования импульсных нагружений повыпенной длительности целесообразно использование механизмов переменной структуры, выполненных на бг.зе центрифуг и получивсих название "ротационные стенды". Их дву/маятниковые разновидности из-за своей эффективности к простота получили широкое распространение не только как формирователи им-

пульсных нагружений, но и как центробежше ударные механизмы. Наиболее значимыми работами, посвященными их исследованию, являются докторские диссертации В.Н.Стахановского, В.Ф.Хона, а также кандидатские диссертации В.Н.Евграфова, О.Ю.Кузьменко, В.В.Ворон-кина. Т.е., из-за своей практической значимости в испытательной технике сложилась совершенно определенная область "ротационные маятниковые системы", в которой пока превалируют двухмаятниковые структуры. Их преимущества перед центрифугами очевидны, однако отсутствие-четкой (математической) формулировки зависимо ст.; выходных параметров от источника эффективности маятниковых систем затрудняет процесс совершенствования последних. Ибо остаются вопросы повышения эффективности испытаний при тех же стендовых габаритах и подводимых мощностях, а также проблемы управления параметраля, в том числе формой импульсного нагруасения. В этой связи, исследование возможностей ротационных маятниковых систем степень подвижности которых превышает 2» применяемых в качестве формирователей ' импульсных нагружений представляется своевременным и актуальным.

Цель работы состоит в обосновании методологии расчета и проектирования ротационных многомаятниковых систем.

Методы исследования. Теоретические исследования динамики и синтез ротационной маятниковой.системы выполнены на основе классических положений механики с применением аналитических и численных методов математического анализа, моделирования на ЭШ, а также теорий планирования экспериментов и равномерно распределенных последовательностей.

Автор защищает:

- математическую модель ротационного маятникового механизма;

- результаты компьютерного моделирования и исследования ротационной маятниковой системы;

- процедуру и средство поиска параметров маятниковой системы

по необходимому импульсу нагружения;

- схему и конструкцию испытательного стенда.

Научная новизна работы. Найдена непосредственная связь между выходными параметрами и степенью подеикности ротационных маятниковых систем. Разработана схема и математическая модель ротационной трехмаятниковой системы, методика поиска ее параметров по импульсу нагружения, а тайке конструкции стендов, новизна которых зан^ищена авторским! свидетельствами.

Практическая ценность работы. Разработаны программа динамики и синтеза ротационной трехмаятниковой системы, рабочий -проект и эксплуатационная документация стенда формирущего асимметричную импульсную нагрузку.

Основные положения диссертации доложены на Всесоюзных научно-технических семинарах "Динамические испытания" (Москва 1987 г.), "Динамика механизмов для возбуждения виброударных, нагрузок" (Москва 19£8 г.), "Новые методы и средства динамических испытаний" (Москва 1988 г.), "Повышение эффективности испытаний приборных устройств" (Москва 1989 г.), "Повышение эффективности испытаний приборных устройств на виброударные нагрузки" (Москва 1989 г.), "Повышение эффективности механических испытаний" (Москва 1990 г.), "Механизмы переменной структуры в технике" (Бишкек 1991 г.), Республиканском научно-техническом семинаре "Ударные 1Троцессы в технике" (Фрунзе 1988 г.), Всесоюзном научно-практическом совещании "Теоретические и технологические аспекты создания и применения силовых импульсных систем" (Караганда-1990 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовало 17 работ, из них 5 авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников (85

- б -

наименований), 2-х приложений и содержит 207 страниц текста, включая 48 гтостраций на 41 странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ способа нагружения, конструкций^ средств их реализации, а также исследований ротационных маятниковых систем. Выяснено, что для получения полусинусоидального

«з

импульсного нагружения длительностью до 40'10 с. при пиковом

к о

значении ускорения 1,5*10 м/с целесообразно использовать двойной физический маятник, когда,он в сложенном положении накапливает кинетическую энергию с последующей ее передачей второму маятнику в процессе выполнения им двойного вращательного движения. Для получения асимметрии нагружения был использован дополнительный маятник, расположенный на оси рабочего с целью передачи ему энергии через механизм свободного хода (МСХ1), который вместе с МСХ2 обеспечивал бы фиксацию исполнительных маятников в конце полупериода их движения (рис. 1.8). Анализ исследований показал, что до недавнего времени вопроса управления формой нагружения не ставилось, так же как и.не исследовались трехмаятниковые системы с временной кинематической связью звеньев. Авторы исследований при некоторых допущениях получили аналитическое описание только для двухмаятни-коеой системы. Кроме того, удалось установить, что при разработке и моделировании маятниковых установок нельзя пренебрегать силами сопротивления в маятниковых шарнирах. Установлена зависимость между степенью подвижности W и выходными параметрами > Ууу • Суу » которые имеют вид:

при ^(г-г%Г -

9/2= ёсгО]

%-оуГ % аи = а0 V/.

Рис. 1.8. Ротационная трёхмаятниковая система с неуцерживаго'дей кинематической связью звеньев.

- в -

%' Уо ' & о ~ Узловая, линейная скорости и ускорение на периферии сложенного маятникового механизма в период разгона. Полученные выражения позволяют сформулировать следующее правило. При оптимальном режиме работы VV - маятниковых систем, когда начальные положения маятников бесконечно малы, их моменты инерции равны, а центры масс маятников находятся на половине их длины, кроме первого, центр масс которого совпадает с точкой его подвески, максимальные угловая и линейная скорости уу -го маятника превышают соответствующие скорости разгона системы в \Ду ' раз, а абсолютное максимальное ускорение выходного звена в УУ раз превышает ускорение на периферии механизма в период его разгона.

Во второй главе осуществлено построение математической модели ротационной трехмаятниковой системы, ее реализация на ЭШ, построение полиномиальной модели формирования импульса нагружения и исследование влияния на него.параметров предполагаемого механизма. При построении математической модели была принята расчетная схема с тремя степенями свобода (рис. 2.1), положение которой определялось углами поворота маятников:

первого - $ , второго - Щг » третьего - Щз . Системы подобного вида описываются уравнениями Лагранжа 2-го рода,

где ;

Т - кинетическая энергия системы;

- обобщенные силы сопротивления в шарнирах маятников;

Мс - моменты сил сопротивления в шарнирах маятников; ^ - вариации обобщенных.координат.

Выражение кинетических энергий каждого из трех маятников имели вид:

Рлс. 2.1. Расчетная схема рабочего" механизма.

т_й<<?} . 1 ~ 2 '

После выполнешя преобразований была получена система дифференциальных уравнений, описывающая движение маятников. В общем виде она имела вид:

¿/з^МЪз, 4 и,, ¿сз, т3>М;) >

ам=а«(е,ч>„ & ^¿¡Ъз^Ъга+о->

где 3/(2,з) ~ моменты инерцйи маятников; тг(з)~ массы 2-го и 3-го маятников; (¡2 - длина второго маятника;

Ужовые скорости 2-го и 3-го маятников до замыкания; ^(¿+0, ^¡2(1+1)) 13(1+0 ~ утл02116 скорости маятников после замыкания. Система уравнений получена в виде, удобном для решения ее численным методом (Рунге-Кутта-Мерсона) при помощи ЭВМ. Программная

реализация математической модели позволила выполнить численные эксперименты и получить результаты в виде графиков %,i2,n(t) » , a(t) (рис.2.2.-2.6) с выводом экстре-

мальных значений выходных параметров. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными других авторов показало адекватность математической модели с природой исследуемого процесса. Кроме того, возможность проведения численных экспериментов на ЭВМ позволила использовать'идеи и методы теории планирования экспериментов. Для этого были выбраны параметры, характеризующее нагрузку и ротационный трехмаятниковый механизм вместе с интервалами их. приемлемых значений:

О - пиковое значение амплитуда; ' ti - передний фронт длительности; V^^zjZf -'отношение, характеризующее задний фронт нагружения.

Л о, os+0,07) ; , (ot38--- о.м) ;

(1,8+2.2) ; 4>,20J (0,5-1-0,7) I

%о(0,06+ о./й) ■> О)0, (270+3/0):

После зыполнения комплекса численных экспериментов по ортогональному плану второго порядка были получены данные параметров нагружения, которые после соответствующей обработки, позволили . составить три многочлена, осуществляющих непосредственную функциональную связь между параметрами нагрузки и факторами механизма.

a=-J?/03J28-ï8233S,22-%f+13Ш,32-в+И6В?,3-%з ~ -2038,07/-?,20 ~5255Б• ¥/Зо 227,5 CxJq — 3gSO£,25-7zi-6► *290562, S- %f -%z+ПЧ i 75- • f/го-W96S62 -Zf^o '>

?=>55,62+562,75--M,-€-/6, 37-Jzs +3f.Ь9<?,г0 ~ - i3j 75' V/Sq - 4182 OJ0-266,25-%, -в-4-Z, 5-JZf ~

; ' 3 HC: 4.173E-03J

p.c. 2.2.

• í ! * » í s : î 3 a *«z 4.173E-Ü3 •

">«• 2.3

4.173E-Í3J

; fte 1.«Ш«Е-М~ M* s.saeas-aH :.eeesE-»i!

У

I.5Î73E-«-'

• «Г. У ...............-.....................................-■-

; i S S ' î s Ht= ifflNÎ '

'«е. 2.5

íf»rí?5.7t8S • i.eeS6E+«5-'

■ ^^ / y

ЯШ 3.328îï»841 -

о ! : s 5' ; ■ г й 4i ; 4.173ÏT03J

P«. 2.6

-т'Зг,#по-ЮЗ?,6-%гЪз0 - 0//8£-%гЬ)о * 256-6-%з *

*0.03#ОЬ - Угз' Ъг0 + +5,94 +2/,^ • ^ о>0 \

672В-2,355Хз У/го -

-В.28- Ъзо+Ц 0282 ■ а)о - НЯ75- %г БЗа +Ь0-%г'<Р/2о-■<Р/з0-а,0?75-7г, * {^в-в-З^ *03&Уго*

^ л* ^ ^

^¿З-б-Упо ' 0,0034 • С-с^о+Ш5- Эя' %го 687-7г2 • ^о >'

Наличие полиномиальных зависимостей позволило графически изобразить влияние факторов на выходные параметры системы.-Это выполнялось путем изменения значения исследуемого фактора, в то время как другие факторы оставались на одном уровне. Коэффициенты и графическое изображение полиномов позволили качественно и количественно оценить влияние факторов системы на формируемую импульсную нагрузку. Удалось установить, что в исследуемом процессе большую роль играют-парные взаимодействия факторов. Анализ их воздействия показал, возможность эффективного уравнения процессом даже при небольших изменениях составляющих пар.

В третьей главе приведены методика, обобщенный алгоритм к результаты программной реализавди синтеза ротационной трехмаятни-ковой системы. Анализ математической модели показал, что синтез выполненный на основе замкнутых аналитических выражений невозможен. Поэтому, основываясь на анализе различных методов оптимизации, наиболее приемлемым оказался его комбинированный вариант. В основе синтеза лежит выполнение численных экспериментов, исходные параметры которых соответствуют равномерно распределенным последовательностям, а выходная функция подвергается контролю на -соответствие функциональным ограничениям. Комбинации исходных параметров расчитывались по арифметическое алгоритм последоьательноста,

обладающей наилучшими характ§ристикаш равномерности и реализуемой следующим выражением:

/

где ^¿у - безразмерная координата j -го варьируемого параметра I -л пробной точки последовательности;

/у - значение числителей направляющих чисел - последовательности ;

/¿I] - целая, <7{2} - дробная части числа И .

Значение ^ -го. варьируемого параметра, входящего I - ю комбинацию параметров определялось по следующей формуле:

* **г

где ., с^у -параметрические ограничения.

В качестве функциональных ограничений были приняты искусственно формируемые зависимости Отах,ти7

ограничивающие на плоскости о(Ь) область, попадание в которую расчетной функции

являлось бы решение задачи синтеза. В общем виде условия задачи синтеза имели вид:

сгтш атах (

Формирование функциональных ограничений осуществлялось с помощью сплайн-функций, принимающей в узлах значения У(х)=^~у(Хс) и обеспечивающей непрерывность первой и второй производных

> £ (х)- у(х), -ть ^"(и)

где 1, 2,..., Л (л— число узлов)

На основе математической модели,ЛЛ^ - поиска и аппроксима-циэнных полиномов функциональных ограничений была составлена программа синтеза ротационной трехмаятниковой системы. Реализация программы на ЭВМ обеспечивает двадцатикратное выполнение численных экспериментов, исходные параметры которых соответствуют равномерно распределенным последовательностям, с последующей оценкой импульсной нагрузки на предмет соответствие ее функциональным ограничениям (рис.3.4-3.6).

"Б четвертой главе рассмотрены конструктивные особенности ротационного трехмаятникового механизма, устройство и работа установки "Импульс-Д", а также порядок ее расчета и проектирование. Особенности установки вытекают из ее принципа действия и функциональных возможностей обуславливающих некоторую специфику ее проектирования. Расчет элементов маятниковой системы выполняется в соответствии с обобщенной методикой конструирования деталей машин, когда необходимо подобрать материал и конфигурацию деталей, а также стандартные изделия, обеспечивающие работоспособность установки. 'Все приведенные рекомендации были реализованы при проектировании установки "Импульс-

-Д" способной испытывать изделия массой до 3 кг. импульсной нагрузке

_ял

асимметричной полусинусоидальной формы, длительностью 25440*10 с.

к о

при пиковом значении ускорения до 1,5*1,7*10 м/с .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I. Проведен анализ способов формирования импульсных нагрузок. Доказано, что наиболее приемлемым является использование ускорения двойного вращательного движения, которое формируется двойным физа-

!Я

»«с IU5-22S

(MX

i.«33E»as¡ 1.5453М5 ! Э.!?1№М i

WH

j я. ггмглм •

- I

• i

Jtt: 2.Î32S-42.;

.Jl-42 JÎU.eta J23=t.8

»«с. 3.4

0 ! ; 3 к « 5 .* ! 1 Ht: 3.387E-83 !

;jl=42 J21=.M5.J23zl.« V2ífc.75a ¥30г.в3а-Flfc3î7.5 iCrS.64 -Ктрг.за й«я:2.09!

Pue. 3.5 I

>b 5 MET .

Ac 1625.239-

Î!s45a£+es ;

в.взвяовв • 1.2525е№4 ! -8.958в£»0э :

'■■j Ht: 3.95SÎ-23J

JU42 зги.шлылг У2а=.зз5 нэ^аа rights.a Lfca.62 Хтгг.гя ъ*^з.ея! !>«■ 3.6

ческиы маятником.

2. Анализ исследований ротационных маятниковых систем показал, что до недавнего времени вопроса управления формой нагружения не стнеклось, также как и не исследовался источник эффективности ротационных маятниковых механизмов. С некоторыми допущениями удалось установить однозначную зависимость между степенью подвижности и выходными параметрами ротационных цепных маятниковых систем.

3. Разработана новая схема ротационной установки, предназначенной для воспроизведения асимметричной импульсной нагрузки. Эффект достигается за счет передачи энергии от дополнительного маятника рабочему через механизм свободного хода. Кроме того, за счет механизма свободного хода решен вопрос фиксации исполнительных маятников в конце полупериода их относительного движения.

4. Процесс формирования импульсной нагрузки достаточно полно описывается математической моделью движения трех'и-ктникозой системы с неудерживающей связью составляющих звеньев. Для реализации модели создана компьютерная программа, работающая в диалоговом режиме и способная выдавать результат в виде графиков с выводом значений экстремальных; точек. Сравнение результатов физических экспериментов и экспериментов выполненных на ЭБМ подтвердило адекватность математической модели природе исследуемого процесса.

5. Результаты и возможности компьютерного моделирования позволили использовать идеи и методы теории планирования экспериментов, на ее основе получены полиномы, позволяющие исследовать влияния параметров трехмаятнкковой системы на формируемую импульсную нагрузку .

6. Разработана методика и компьютерная программа синтеза реляционной трехмаятниковсй системы. В его основе ле:-:;ит выполнение численных экспериментов, исходные параметры которых соотвзтствуот разномерно распределенным ¡.оследователышстя;.;, а в::ходкзд функция, г> вице графического изображения импульсного нагружзник, пэдвсргастл«:

контролю на соответствие функциональным ограничениям.

7. Е&полнен комплекс проектно-конструкторских работ по создании ротационной установки для испытания изделий массой до 3 кг асимметричной полусинусоидальной нагрузкой длительностью до 4"10 с. с амплитудой ускорения 1,5"10 м/с . Результаты работы могут быть использованы для создания испытательных установок имеющих возможность управления формой импульсного кагружения.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННО."! РАБОТЕ

1. Ротационный механизм для воспроизведения асимметричных импульсов ускорения.- В кн.:Динашческие испытания.: Материалы семинара.- М.: ЦНИИИТЭИ. 1967.-с.75+77. Соавтор С.И.Калашников.

2. Стенд для испытания изделий на воздействие импульса ускорения.- В кн.: Динамика механизмов для возбуждения виброударных нагрузок.- Фрунзе: ПИ, 1968.- с.69*75.

3-. .Стенд для испытания изделий 'на воздействие импульса ускорения.- В кн.: Новые методы и. средства динамических испытаний,: Материалы семинара.- М.: ЦНИИИТЭИ, 1988. - с.38*39. Соавторы В.К.Манясосов, С.И.Калашников.

•. 4. Синтез траектории движения материальной точки, воспроизводящей импульсную нагрузку сложной формы,- В кн.: Повышение эффективности испытаний приборных устройств.: Материалы семинара.- М.: ЦНИИИТЭИ, 1989.- с.47*49.

5. Динамика ротационной инерционно-импульсной системы. - В кн.: Повышение■эффективности испытаний приборных устройств на виброударные нагрузки: Материалы семинара.- М.: ЦНИИИТЭИ, 1989.- с.26*28.

6. Ротационный возбудитель импульсной нагрузки асимметричной формы.- В кн.: Тезисы научно-практического совещания "Теоретические и технологические аспекты создания и применения силовых импульсных систем".- г.Караганда, 1990.- с.148.

7. Ротационный стенд для испытания изделий асимметричной импульсной нагрузки.- В кн.: Материалы Всесоюзного научно-технического семинара "Повышение эффективности механических испытаний". -¡А.: Информтехника, 1990.- с.57*56.

Ь. Динамика движения инерционно-импульсного механизма ротационного типа.- В кн.: Дшамика механических систем переменной структуры.- Зрунзе: ФЕИ, 1990.- с.62*70.

9. Ротационные маятниковые системы переменной структуры для возбуждения динамических нагрузок.- В кн.: Материалы Всесоюзной конференции "Механизмы переменной структуры в технике.- Бишкек, 1991.— с.181*163.

10. Открытой публикации не подлежит. A.c. 286606. Соавторы В.К.Манжосов, С.И.Калалииков, А.М.Ймщиков.

11. Открытой публикации не подлежит. A.c. 262401. Соавторы В.К.Манжосов, С.И.Калашников.

12. Открытой публикации не подлежит. A.c. 310505. Соавторы

В.К.Манжосов, чС.И.Калашников.

- \

13. Стенд для испытания изделий на воздействие импульса ускорения. A.c. 1673992. Опубл. в Б.И., 1991, X 32, Соавторы В.К.Манжо сов, С.И.Калашников, Э.К.Осмонов.

14. Открытой публикации не подлежит. A.c. 296999. Соавторы В.К.Манжосов, Г.Г.Мирошниченко.

15. Стенд для испытаний изделий на воздействие импульса ускорения с наложенными колебаниями. A.c. 1599690. Опубл. в Б.И., 1990 № 38. Соавторы В.К.Манжосов, С.И.Калашников, А.Б.Денисов.

Подписано в печать_? 93 Формат ¿'С" Печать офсетная. Обьем_^£_п. л. Зак—ЛЛ—. г. Бишкек, уп. Коммунистическая, 68. Типография КСХИ