автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Синтез адаптивных механических автовариаторов



На правах рукописи

БИЕНКО ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ

СИНТЕЗ АДАПТИВНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ АВТОВАРИАТОРОВ

Специальность 05.02.18 - Теория механизмов и машин

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск, 1998

Работа выполнена па кафедре «Теория механизмов и машин» Омского государственного техническог о университета

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Балакнн П.Д.

Официальные оппонент ы: доктор технических наук,

профессор Бородин A.B.; кандидат технических наук, доцент Соколовский З.Н.

Ведущее предприятие: АО «Снбкрнотехнпка», г. Омск

Защита диссертации состоится *<//» ÜfrSOvM 199S года на заседаний диссертационного совета Д063.23.02 Омского государственного технического

университета

С диссертацией можно ознакомиться я библиотеке технического университета.

Просим Вас и заинтересованных лиц Вашего учреждения принять участие в заседании совета, или прислать свои отзывы.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, пр Мира, 11, диссертационный совет Д.063.23.02. Ученому секретарю.

Автореферат разослан «. ^ »__ кЫОМ 199S года.

Ученый секретарь диссертационного совета, докт. техн. наук, профессор ....

<4

Е.А. Воронов

Редактор Г.М. Кляут

ЛР.N3 020321 от 28.11.96 Подписано в печагь 29.10.9S. Формат 60x84 1/16. Бу.мага офсетная. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,0. Уч.- изд. л. 1,0. Тираж 130 экз. Заказ 27.5 • Изд-во ОмГТУ, Омск, пр. Мира, 11. Типография ОмГТУ.

Общая характеристика работы

Актуальность нроолсмы. В праммшленно развитых странах машиностроение имеет тенденцию на создание машин автоматического действия, автоматических комплексов машин, эксплуатация которых требуя минимального участия человека. Как правило, это достигается путем использования систем автоматического регулирования и управления, насыщенных электроникой, сложными цепями гидравлических и пневматических звеньев в исполнительных органах, но при этом совместная работа комбинаций разнородных сред на одной машине порождает много проблем в ее эксплуатации.

По нашему мнению, гораздо более привлекательны механические системы, самоорганизация которых осуществляется исключительно па использовании законов механики. Такие системы удается создать реализацией прогрессивного принципа конструирования механических систем путем наделения их свойством адаптации к реальным условиям изготовления и эксплуатации.

Объектом исследования и синтеза выбраны: механический привод, механические передачи,его составляющие. Они образуют неотъемлемую часть большинства энергетических, технологических и транспортных машин. Как известно, назначение механических передач - регулировать компоненты передаваемой мощности, а механические передачи с адаптивными свойствами дополнительно способны на автоизменение внутренних характеристик, тем самым механический привод приобретает функцию автоматического регулятора движением.

Диссертация посвящена решению комплекса вопросов схемного синтеза механических передач с автоуправляемой передаточной функцией - автовариаторов, моделирования их статики, кинематики и динамики с целью получения технических решений таких передач, на базе которых оказалось бы возможным создание механических приводов, наделенных свойством адаптации.

Цель па боты. Развитие и реализация принципа конструирования механических передач наделением их свойством адаптации на стадии проектирования. Создание научной базы синтеза фрикционных передач с автоматическим изменением передаточной функции.

Основание для выполнения работы - план госбюджетных НИР ОмГТУ, выполняемых по ЕЗН по теме МФ 29/1-97 «Синтез механических передач, наде-

лечных свойством адаптации» (Головной совет по механике - СЛетербург, Гос-уннпсрситст). Научный руководитель темы и всего направления работ зав. кафедрой «Теория механизмов и машин» ОмГТУ, д.т.н., профессор Балакин П.Д. Прикладная часть работы выполнялась в сотрудничестве с АО «Сибкриотехника», Омск.

Научная новизна. Сформулированы общие условия, предъявляемые к схеме базовой конструкции автоиариатора, входящей в состав адаптивного механического прнлода:

— обязательное выполнение автовариатором целевой функции регулятора компонентов мощности передаваемого силового потока;

— обеспечение полного использования располагаемой мощности и стабильного, энерге тически совершенного режима работы двигателя;

— обеспечение пропорционального изменения передаточной функции ав-говариатора в условиях переменного внешнего нагружения.

Синтезирована оригинальная базовая конструкция автовариатора с обязательным исполнением сигнала на управление, разработана методика синтеза гео-мстро-кинсматпческой схемы автовариатора по заданному диапазону изменения передаточного отношения, установлена степень влияния отдельных параметров на целевую функцию. Методика пригодна для расчета всего семейства аптоварна-тороЕ, построенных на основе базового.

Создана упруго статическая модель автовариатора, установлены требования к характеристикам упругих звеньев для всего семейства разработанных схем азтоварнатороз.

Создана динамическая модель механического привода с автовариатором, которая учитывает наличие в приводе неголрномнЬй связи. Модель универсалы!?, а результаты ее машинного анализа получены впервые и составляют научную основу динамического сшпсза любого механического привода с автовариатором, имеющим силовую цепь управления передаточной функцией. Определены условия устойчивой работы механического привода с автовариатором

Практическая ценность работы. Научные положения позволили разработать инженерные методики расчета параметров геометро-кннематических схем механических автозариаторОв, разработать целое семейство технических решений гштоварнаторов на уровне изобретении. Получен патент РФ № 2101584 и но четырем заявкам приняты решения о выдаче патентов: решение от 01.04.98 с

выдаче патента на изобретение но заявке № 96124674/28. Балакин П.Д., Б.В. Автоматический фрикционный вярнаюр; решение от 22.04.98 о патент на изобретение но заявке № 96124725/28 Балакин П.Д., Биенко В.В. Автоматический клшюременный ¡вариатор; решение от 28.04.98 о выдаче патенм на шобретеннс по заявке № 96124798/28 Балакин П.Д., Биенко В.В. Намжное устройство для передач с гибкой связью; решение от 01.09.98 о выдаче патента на изобретение по заявке № 96124799/28 Балакин П.Д., Биенко В.В. Шкив.

Результаты исследования содержатся в открытых публикациях автора. В публикациях имеют место прикладные расчеты, рекомендации, рецептуры по ьы-бору конструктивных параметров, характеристик звеньев, свойств связей.

Реализация работы. Отдельные результаты диссертации реализованы при создании повой техники, что подтверждено соответствующими актами, а также в учебном процессе. При создании опытных машин, узлов машин и механических передач частично реализованы признаки изобретений: патента К» 2101584 и заявок Хч 96124674/28, № 96124725/28, № 96124798/28. Выполнено макетирование автовариатора базовой схемы. Разработаны программные средства, предназначенные для динамического исследования и синтеза механических приводов с автовариатором. В учебном курсе по выбору студентов есть блок, посвященный принципам конструирования передач с адаптивными свойствами, куда вошли некоторые результаты настоящего исследования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 1-й и 11-й международных научно-технических конференциях ОмГТУ "Динамика систем и механизмов и машин" в Омске в 1995 и 1997 годах: семинаре-выставке «Автоматизация и прогрессивные технологии», в Новоуральске МИФИ-2 в 1996 год}'.- .на I- й международной научно-технической конференции «Бесступенчатые передачи, приводы машин и промысловое оборудование» в Калининграде, КГТУ в 1997 год}': на международном симпозиуме «Теория реальных передач зацеплением» в Кургане, Кург.ГТУ в 1997 году, а также на ежегодных докладах-отчетах на кафедре «Теория механизмов и машин» в ОмГТУ.

Публикации. Основные результаты работы изложены в 10 публикациях.

Положения, выносимые на защиту. 1. Доказательство плодотворности принципа конструирования механических систем наделением их свойством адаптации. 2. Особенности геометро-кинематической, упруго-статической и динамической моделей механического привода с автовариатором. 3. Методика создания,

решения и исследования динамической модели с неголономной связью. 4. Технические решения механических передач с адаптивными свойствами.

Структура и оГп.см работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, пяти разделов основного текста, заключения, выводов, списка использованных источников, включающего 105 наименований, приложений, содержит 166 страниц основного текста. 48 рисунков, общий объем работы 179 страниц с приложениями. ' • .: . "

В нерпой глине проведен аналитический обзор конструкций современных автовариаторсв, показан мировой уровень развития данной области техники, дана систематика адаптивных механизмов, а также обозначены принципы конструирования механических систем, наделенных свойством адаптации,и перспективные направления исследований и области синтеза механических передач с такими свойствами.

Анализ схем конструкций вариаторов с элементами автоматического управления передаточной функцией показал, что в большинстве из них управляющее действие формируется и передается через трение, фрикционный контакт, что является недостатком, так как при этом неизбежны постоянные потери и, что особенно важно, нестабильность, неопределенность работы вариатора из-за искажении управляющего импульса.

Известны разнообразные схемы вариаторов, создатели которых стремились вложить а них принцип автомагического изменения передаточного отношения именно в зависимости от нагрузки или скорости на ведомом валу. Большинство схем, как показывает анализ, несомненно,работоспособны и перспективны, хотя и не лишены определенных недостатков.

Помимо формирования и передачи управляющего действия через фрикционный контакт,можно отметить сложность как конструкций в целом, так и самих внутренних систем регулирования. Как следствие - недостаточная надежность в работе, повышенные масса и габариты, ограничения по применению. Среди других недостатков наиболее часто отмечаются: малый диапазон регулирования передаточного отношения, большие нагрузки на определенные узлы передач, невозможность обеспечения бесступенчатого регулирования во всем диапазоне.

Б диссертации цитируются работы видных отечественных ученых в области теории механизмов и теории передач в машинах;Артоболевского И.И., Зиновьева В.А., Кожевникова С.Н., Умнова Н.В.,.Пронина БЛ., Ревкова Г.А., Благонра-

вова А.А., Заблонского К.И.. Дубровского А.Ф., Вмрабова Р.В.. Крагельско-го И.В.. Мальцева В.Ф., Леонова А.И. и др., а также привелеиы:анализ изобретений, патентов отечественных и зарубежных фирм и исследователей, заключения и опыт проектных организаций: ИМАШ РАН, ЦНИИТМ.АШ, ЭНИМС, НАМИ, ВНИИМЕТМАШ, ВНИИ «Редуктор». Рассмотрены конструкции париаторов отечественных комбайнов, вариаторов автомобилей, бумагоделательных машин, приводов станков, и также вариаторов зарубежных производителей: США — General motors, Reeves, RCM; Японии :— Mitsubishi, Simomoto, Honda; Германии — Wahvork, Webo, SEW и др.; Италии, Швейцарии, Франции.

В диссертации показано, что средствами адаптации для чисто механических систем являются правильное строение и дополнительное к основному движение звеньев, в частности, для авто вариации передаточной функции в строение механической передачи должна входить специальная цепь управления, надежно обеспечивающая целевое дополнительное движение звеньев, приводящее к изменению кинематической характеристики передачи.

На основании проведенного анализа и избранного принципа конструирования механических систем в. первой главе сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе диссертации выбран и обоснован вариант конструкции автовариатора, принятый за базовый, проведен геометро-кинематический анализ схемы и синтез активных поверхностей базового автовариатора из условия линейной связи между мерой силового возбуждения и кинематической реакцией автовариатора.

Базовый вариант конструкции автовариатора при сохранении общих признаков строения и удовлетворения в полном объеме сформулированных условий был выбран исходя из универсальности конструкции и ее технической реализации при минимальном количестве звеньев в цепи управления, а также малой инерционности самой цепи. Техническое решение автовариатора по патенту РФ № 2101584 на изобретение в полной мере удовлетворяет всем условиям, выдвинутым к базовой конструкции автовариатора. Решение глубоко проработано как на этапе схемного проектирования, так и. детальной реализации, по нему выполнено макетирование, разработаны опытные образцы, проектная документация, рабочие чертежи и технические условия. Схема автовариатора базовой схемы приведена на рис. 1,

Рисунок 1

Баюьая схема агпоьаряатора позиол.чет осуществлять управление компонентам]'! мощности исключительно механическими средствами, функционирующими исключительно на основе законов механики.

Модернизацией базовой схемы автовлриатора, а таклее применением принципов конструирования систем, наделенных свойством адаптации, полечено целое семе1"1ство технических решений, большинство из которых защищены патентами и находятся в разработке.

Разработана методика-определения форд; активных поверхностей автовариатора при условии сохранения постоянства мощности привода при переменном внешнем нагружении, установлены закономерности изменения передаточной функции от управляемого дополнительного движения зиеш-ев, приходящего к . изменению кинематических размеров. При этом была сохранена линейность цепи управления, поскольку использование в ней упругих элементов с постоянной жесткостью предпочтительно, так как цепь управления, вырабатывающая управляющее движение, параметры которого линейно связана: с внешним нагружени-ем, может быть реализована конструктивно проще. .

Установлено взаимное влияние различных геометрических параметров ап-товариатора ,ча его передаточную функцию.

Геометро-кнпемапщескую модель вариатора баювой схемы можно свести к простой зависимости

где (»1 и и,, - частоты входного и выходного вращения, К - расстояние центров тел качения от общей оси автовариатора, г - радиус тел качения, а - угол между образующей теровой активной поверхности и обпей оеыо пнтоиапнатора.

Уравнение образующей активной тропой поверхности автовариатора получено в виде

где К0 - начальное значение И.,

с - окружная жесжоеть упругого сепаратора М/Нм,

к - коэффициент связи. 1.'!,,,= кМ„: М., - момент нагрузки.

Пыяилены некоторые нежелательные частные случаи сочетания геометрии активных /ичк'рхчостен.

Мсю.пнга счпге .а геомегро-кинематической схемы аетоиариатора пригодна для расчета параметров геометрии звеньев всего семейства автоварнаторов, построечных на основе базового, реализована на ЭВМ, и программный продукт впоследствии был использован в качестве встроенного блока в динамическую модель аптовнриаторк.

I; третьей главе разработана упруго-статическая модель базового автовариатора, составлены схемы нагружения звеньев и подвижных соединений в статике, « итоге получены характеристики жесткости упругих вставок сепаратора и оценена устойчивость работы автовариатора, как сложного многомассового колебательного контура..

Конструкция сепаратора обеспечивает определенное расположение,промежуточных тел качения относительно оси автовариатора, зависимое от схемы сил, величины момента нагрузки и упругих характеристик элементов конструкции. Выведены математические зависимости, связывающие геометрические параметр ры звеньев автовариатора, систему действующих сил, деформации и жесткость упругих элементов с величиной внешнего нагрулсения. Результаты, полученные в

V»

I? + Г О.К(( Я-Г 105«

(1)

xoju; лсслсд-овагля упруго-статической модели, позволяют оценить предварительно выбранные параметры звеньев,их размеры, массу и провести их корректировку. Получена зависимость для определения потребной жесткости упругих вставок сепаратора с возможностью сохранения линейной характеристики жесткости. Полученные из количественных примеров значения показали, что параметры звеньев, величины жссткостей упругих вставок по схеме базовой модели вполне тсхкически реализуемы. Созданная упруго-статическая модель универсальна и пригодна для расчета всего семейства автовариаторов, построенных на основе базовой схемы. •

Из-за наличия упругих элементов автовариатор представляет • колебательный контур, получающий силовое возбуждение от переменной части внешнего момента нагрузки. При неблагоприятном сочетании параметров цепи и характера нагрузки возможно возникновение недопустимых колебаний.

Устойчивость привода определялась но известному критерию отношений частот. Разработана приближенная динамическая модель автовариатора,в основу которой положено допущение о постоянстве приведенного момента инерции автовариатора на участке интегрирования и его дискретном: изменении на границах интервалов. Такая модель разрешима в квадратурах и позволяет, в первом приближении оценить динамическое-поведешк машины с автовариатором, определить движение звена приведения на переходных режимах.

Динамическая модель оказалась достаточно простой, вытекающей из частных форм уравнения Лагранжа, при этом, естественно, результаты ее анализа будут тем достовернее, чем медленнее изменяется внешняя нагрузка. Кроме того, результаты вычисления по модели оказались Полезными для их сравнения с результатами исследования динамотеской модели высокой степени достоверности.

Отмечено, что приведение сил и масс через неголономную связь не является корректной процедурой и использовано только в приближенной динамической модели. 3 действительности J^ * const на интервалах и нелинейно зависит от величины внешнего силового нагружения.

Расчеты показали, что величина потенциальной энергии деформации сепаратора и других элементов сравнительно мала и о принципе ее влиянием на поведение системы можно будет пренебречь.

В четвертой главе изложены вопросы динамики механического привода с автовариатором, когда традиционные методы составления динамических моделей непригодны из-за наличия в системе неголономных связей.

При наличии в системе неголономной связи количество обобщенных координат оказывается больше числа уравнений сиячой, которые удаегея составить, поэтому задача становится неинтегрируемой. Вследствие этого операцию приведения сил и масс целесообразно производить к двум мшам иариатора раздельно, ведущему и ведомому, а не к одному, как это обычно имеет место в одноподвиж-иых системах без вариатора. После раздельного приведения составляются дифференциальные уравнения движения валов, при этом заданный закон изменения передаточного отношения и = 11(0 рассматривается уже как самостоятельное уравнение связи, накладываемое на движение валов. Из-за наличия неголономной связи нельзя в чистом виде воспользоваться г/горой фермой уравнения Лагранжа, а приходится применять другие более сложные математические формы аналитической механики.

Корректно учесть особенности неголономной связи и решить динамическую задачу можно на базе уравнений Лагранжа с неопределенными множителями, или иначе уравнений Рауса-Феррерса. Общий вид уравнения I

где X - неопределенные множители (коэффициенты - инерционные моменты), А - коэффициенты при скоростях из уравнений неголономных связей, по сути, передаточные функции.

Подставив в (3) дифференциальное уравнение связи между входным и выходным движением и записав уравнения Лагранж* для ведущего и ведомого вала вместе с уравнением неголономной связи, получим систему трех уравнений, решение которой будет таким:

для вала Ь (./, =»м;?+1/,,Л/,"( (4)

для вала2, (./, ^.П^г+^А^'М^Ч/^ + Л/;» (5)

В диссертации показано, что уравнения (4) и (3) можно получить и на базе уравнений Аппеля, в которых используется функция Гиббса - энергия ускорений, частная производная от которой по ускорению есть инерционная компонента уравнения.

Уравнение Аппеля:

функция Гиббеа, анергия ускорений системы.

Сосгавляя выражение энергии ускорения системы, имея й виду два звена

приведения 5 = —и решая уравнение Аппеля совместно с уравнением

неголономнои связи, получаем те же конечные уравнения (4) и (5).

Дополнительно показано, что уравнения (4) и (5) могут быть получены и при прямом использовании общего уравнения динамики и его модификаций, а также при использовании общего кинетестатического принципа составления уравнений движения. Применение тех или иных форм для составления динамической модели механической системы с неголоноыными связями обуславливается лишь вопросами вычислительных удобств для каждой конкретной задачи.

Созданная динамическая модель универсальна, и может применяться для различных схем вариаторов, она уточняется только ¿учетом конкретных структурных, геометро-кинематических особенностей схемы и выражения передаточной функции автовариатора, характера неголономнои связи.

В пятой главе представлены результаты исследования поведения электромеханического привода с автовариатором базовой схемы в основном и переходном режимах движения при различных вариантах внешнего нагружения.

Динамическая модель в диссертации составлена на базе уравнений Лагран-жа с неопределенными множителями. Для машинного разрешения уравнения (4) и (5) после замены переменной сведены к виду

мг + и,„мг-Цс/,А« + гЦ/н. + Уг

>'|=У2 Уг" ------------------ ----- " ...............

(7)

где у|=(р„,у2=фк.

Машинное уравнение (7) дополнено уравнениями геометро-кинемотнческой модели (1) и (2), упруго-статической модели сепаратора, а также аналитическими выражениями внешнего нафужения и характеристики двигателя. Решение было выполнено на ПЭВМ 1ВМ-486 с использованием адаптированной подпрограммы ЯКОБ методом Рунгс-Кутгас автоматическим выбором шага.

Результаты динамического исследования электромеханическог о привода с автовариатором при различном характере внешнего нагружепкт подтверждают способность автовариатора к устойчивой работе в широком диапазоне частот, причем в жесткой области изменение передаточного отношения близко к закономерности изменения момента нагрузки. Коэффициент неравномерности движения ведущего звена во всех испытаниях остался малым, его значение не превысило 8 = 0,02, что свидетельствует о стабильном режиме работы двигателя и условиях переменного внешнего нагружения, которое изменялось ступенчато, гармонически при различных частотах.

Установлены области устойчивой работы цепи управления при конкретном сочетании параметров масс, инерционных характеристик звеньев и упругостеп связей, а также в зависимости от характеристик внешнего силового возмущения, характеристики двигателя.

Модель позволяет решить динамическую задачу в полном объеме, помимо определения параметров движения входного и выходного звеньев автовариатора можно составить полную ,<артипу силового нагружения звеньев и подвижных соединений в основном и переходном режимах работы электромеханического привода. Вариацией внешнего нагружения, массовыми и упругими характеристиками звеньев автовариатора можно также оценить степень их влияния на динамическое поведение всей системы п ее элементов, определить границы устойчивости движения, качество управления передаточной функцией. Все это позволяет в сжатые сроки синтезировать работоспособную конструкцию автовариатора с минимальным объемом экспериментальных работ.

Основные результат ..1 работы

1. Сформулированы основные и дополнительные условия к геометро-кпнемати .еской схеме базовой конструкции автовариатора. Они сводятся к следующим:

— обязательное выполнение автовариатором целевой функции регулятора компонентов мощности передаваемого силового потока.

— схема автовариатора должна обеспечить полное использование располагаемой мощности и стабильный, энергетически совершенный режим работы двигателя.

— схема обеспечивает пропорциональное изменение передаточной функ-Ш I автоварнатора в условиях переменного внешнего нагружения. •

2. Синтезирована базовая конструкция автоварнатора с обязательным исполнением сигнала на управление. Предложена цепь управления прямого дейст-

вия, обладающая минимальной инерционностью. Конструкция запатентована, на се основе синтезировано семейство автоварнаторов, конструкции которых также признаны изобретениями.

3. Показано, что условие линейности автоварйатора удается выполнить только с использованием торовых активных поверхностен основных звеньев с криволинейной образующей, определяемой по уравнениям гсометро-кинемагнчсской модели.

4. Создана методика синтеза геометро-кинематической схемы автоварйатора ло заданному диапазону изменения передаточного отношения, установлена степень влияния отдельных параметров схемы на целевую функцию. Методика пригодна для расчета параметров геометрии основных звеньев всего семейства автоварнаторов, построенных на основе базовой схемы.

5. Создана упруго-статическая модель автоварйатора, установлена степень влияния отдельных параметров схемы на характеристики упругих звеньев. Упру-ro-статическая модель пригодна для расчета параметров всего семейства автовариаторов, построенных на основе базовой схемы.

6. Расчет собственных частот показал, что в широком диапазоне характеристик внешнего нагружения система будет устойчива, так как она является жесткой н возникновение в ней недопустимых колебаний маловероятно.

7. Создана обобщенная динамическая модель механического привода с автовариатором. Динамическая модель имеет особенности, определяемые наличием в приводе неголономной связи. Эти особенности учтены раздельным приведением сил и масс от ветвей кинематической цепи, расположенных по разные стороны от неголономной связи. Динамическая модель представляется универсальной и результаты ее машинного исследования составляют научную основу динамического синтеза любого механического привода с автовариатором. Особенность схемы автовариатора изменит лишь ata уравнения неголономной связи.

S. Для решения динамической задачи уравнение неголономной связи и ее производные являются составной частью системы дифференциальных уравнений и дополняют систему до ее разрешимости, причем задача имеет численное решение,если s уравнении связи аргументом является время.

9. Сравнение динамических моделей, учитывающих особенности неголономной связи и моделей, составленных без их учета, показало, что инерционный коэффициент, содержащий производную передаточной функции скорости, может в этих моделях раздуматься кратно, поэтому неучет неголономной связи можно

допускать только для предварительного анализа поведения механического привода.

10. Исследование динамической модели показало устойчивое выполнение автоварнатором целевой функци:., причем изменение передаточного отношения автоиариатора полностью определяется закономерностью изменения момента нагрузки. Динамическое поведение привода при относительно медленном изменении внешнего нагружения практически совпадает с его поведением в статике. Аналогичная тенденция имеет место при снижении инерционных, и массовых характеристик подвижных звеньев привода.

11. Исследование динамической модели показало наличие непредвиденного заброса скорости ведущего ззена автовариатора в начальный момент ступенчатого возрастания внешнего нагружения и начала срабатывания цепи управления передаточной функции скорости. Однако и целом коэффициент неравномерности движения ведущего звена при ступенчатом изменении внешнего нагружения во всех испытаниях остался малым, его значение не превысило значения §1= 0,02, что свидетельствует о стабильном режиме работы двигателя в условиях переменного внешнего нагружения.

12. Серии испытаний при циклически переменном внешнем нагружении позволили оценить высокую надежность модели. Достоинство таких испытаний состоит в том, что удается установить области устойчивой работы цепи управления при конкретном сочетании в конструкции параметров масс, инерционных характеристик подвижных звеньев, упругостей звеньев в колебательных контурах.

13. Результаты динамического исследования, полученные на уточненной динамической модели, позволили определить области частот внешнего циклического нагружения, при которых целевая функция механического привода на вв-тоизмененне передаточного отношения выполняется с любой наперед заданной точностью. В целом динамическая модель представляется универсальной и результаты ее машинного исследования составляют научную основу динамического синтеза любого механического привода с авговариатором. Особенность схемы автовариатора изменит лишь вид уравнения негслономной связи.

14. Числениэе интегрирование конечных уравнений было выполнено на ПЭВМ серии 1ВМ-486 с помощью стандартной подпрограммы ККвЗ методом Рунге-Кутшс автома. тческим выбором шага. Стандартная подпрограмма была адаптирована к целям исследования, дополнена к уточнена до вида,удо6ного для пользователя. Разработана система интерфейса: удобного ввода данных, текущего просмотра получаемых результатов при работе с программой н вывода результа-

и пиде таблиц или графиков. Сервисная часгь программы делает возможным лредставлепие нескольких зависимостей на одном графике, что облегчает сравнение к выбор нужных результатов.

15. Модель потенциально позволяет решить динамическую задачу в полном объеме. Эго особенно. важно при создаиии работоспособной конструкшш автов;'риатора в сжатыс сроки с минимальным объемом экспериментальных работ.

Основные научные результаты диссертации представлены в следующих работах.

1. Балакнн П.Д., Биенко В.В.. Технические решения адаптивных автовариаторов //Динамика систем, механизмов и машин: Тез. докл. Омск, 1995. Кн.2. С. 55-56.

, 2. Биенко В.В. Определение геометрии активных поверхностей автовариатора по передаточной функции/УАвтоматазация и прогрессивные технологии. Ноиоуралъск, 1996. С. 153-154.

3. Балакин П.Д., Биенко В.В.. Базовая схема и расчетные модели фрикционного автовариатора//Бесс^упенчатые передачи, приводы машин и промысловое оборудование: Тез. докл. Калининград, 1997. С. 11.

4. Биенко В.В. Спягез схемы автоматического фрикционного вариатора по заданной передаточной функцш [//Прикладные задачи механики. Омск, 1997. С. 78-81.

5. Балакин ПД., Биенко В.В. Модель механического привода с авто-вариатором/ЛГеория реальных передач зацеплением. Курган, 1997. С. 101-104.

6. Балакин П.Д., Биенко В.В. Новые конструкции фрикционных автовари-аторов//Динамика систем, механизмов и машин: Тез. докл. II междунар. конф. Омск, 1997. Кн. ¡.С.20.

7. Балакин ПД, Биенко В.В. Динамика механического привода с авго-вариатором//Динамика систем, механизмов и машин: Тез. докл. II междунар. конф. Омск, 1997. Кн. 1.С. 21.

8. Балакин ПД, Биенко В.В. Выбор геометрии активных поверхностей авго-вариатора//Динамика систем, механизмов и машин: Тез. докд. II междунар. конф. Омск, 1997. Кн. 2. С. 39-43.

9. Балакин ПД, Гололобов Г.И., Биенко В.В, Динамика и элементы синтеза электромеханического привода с аяговариаторомЮмск. науч. веста. 1998. Вып. 2, март. С. 59-63.

10. Патент РФ на изобретшие № 2101584. Автоматический фрикцион иый вариатор/Балакии ПД, Биенко В.В -// Бюл. изобр. 1998. № 1.



МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УДК 621.839-86

БИЕНКО ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ

СИНТЕЗ АДАПТИВНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ АВТОВАРИАТОРОВ

Специальность 05.02.18 - "Теория механизмов и машин"

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Теория механизмов и машин" ОмГТУ Балакин П.Д.

Омск, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. Конструкции современных вариаторов................................................6

1.1. Вариаторы с управлением передаточной

функцией от постороннего источника движения..................7

1.2. Вариаторы с элементами автоматического

управления передаточной функцией.....................................14

1.3. Принципы конструирования механических

систем.........................................................................................22

1.4. Адаптивные механические передачи. Базовая конструкция автовариатора.....................................................33

Цель работы..................................................................................................41

2. Базовая геометро-кинематическая модель и синтез активных поверхностей автовариатора...................................................................42

2.1. Принцип работы базовой конструкции

автовариатора...........................................................................48

2.2. Синтез геометро-кинематической модели

базового автовариатора...........................................................66

2.3. Об одном частном случае сочетания геометрии активных поверхностей автовариатора..................................................71

Выводы по главе 2........................................................................................74

3. Упруго-статическая и приближенная динамическая модели автовариатора............................................................................................76

3.1. Упруго-статическая модель сепаратора.................................78

3.2. Устойчивость работы механического привода с автовариатором.........................................................................80

3.3. Определение собственных частот упругого

сепаратора...................................................................................82

3.4. Приближенная динамическая модель

автовариатора.............................................................................84

3.5. Переходные процессы в механическом приводе с автовариатором при некоторых частных случаях внешнего нагружения...............................................................89

3.6. Учет энергии деформации упругого

сепаратора...................................................................................96

Выводы по главе 3........................................................................................98

4. Динамическая модель механического привода

с автовариатором......................................................................................99

4.1. Механический вариатор как модель системы с неголономными связями.................................................................102

4.2. Динамическая модель вариатора на базе уравнений Лагранжас неопределенными множителями......................107

4.3. Динамическая модель вариатора на базе

уравнения Аппеля....................................................................113

4.4. Динамическая модель вариатора на базе общего уравнения динамики и его модификаций...............................................115

4.5. Использование кинетостатического принципа составления уравнений движения.........................................117

Выводы по главе 4......................................................................................121

5. Исследование поведения электромеханического привода с

автовариатором базовой схемы..............................................................122

5.1. Математическая модель электромеханического привода с базовым автовариатором.......................................................123

5.2. Некоторые результаты динамического исследования электромеханического привода с

автовариатором.......................................................................130

5.2.1. Влияние инерционных характеристик звеньев автовариатора при ступенчатом законе

изменения момента нагрузки......................................131

5.2.2. Поведение механического привода при синусоидальном изменении момента

нагрузки.........................................................................136

5.2.3. Результаты динамического анализа модели

автовариатора уменьшенных габаритов при ступенчатом изменении момента

нагрузки..............................................................147

Выводы по главе 5.......................................................................................151

Заключение..................................................................................................153

Основные результаты работы....................................................................154

Литература...................................................................................................158

Приложения.................................................................................................167

ВВЕДЕНИЕ

Машиностроение в странах с развитой технологией имеет тенденцию исключительно на создание машин автоматического действия, автоматических комплексов машин, эксплуатация которых требует минимального участия человека.

Как правило, система автоматического управления (САУ) или регулирования (САР) является важнейшей составной частью современной машины. Для функционирования САУ и САР обычно используют электронные физические эффекты, электромагнитные поля, а в исполнительных органах САУ и САР часто используются гидравлические и пневматические звенья, что делает конструкцию современной машины насыщенной разнородными средами, совместная работа которых порождает много проблем при эксплуатации.

По нашему мнению резервы самоорганизации сложных технических систем далеко не исчерпаны, причем многие перспективные технические решения не обязательно должны создаваться с использованием электронных САУ и САР. Гораздо привлекательнее будут, например, механические системы самоорганизация которых осуществляется на использовании законов механики.

Объектом нашего исследования и проектирования является автоматизированный механический привод, в состав которого входят механические передачи, построенные в реализации новейшего принципа конструирования механических систем путем наделения последних свойством адаптации к реальным условиям их изготовления и эксплуатации.

Механические передачи с адаптивными свойствами способны на автоизменение внутренних характеристик, в частности на автоизменение передаточной функции скорости - основной целевой функции механической

передачи, тем самым механический привод приобретает роль автоматического регулятора движением.

Предлагаемые схемы таких передач - автовариаторов, имеют принципиальную техническую новизну, но с позиций аналитической механики получены путем придания новых свойств связям между звеньями передач. В автовариаторах помимо обычных геометрических голономных связей применимы дифференциальные неголономные связи, позволяющие звеньям иметь некоторое дополнительно к основному управляемое движение, которое и используется на полезную эволюцию механической передачи и привода в целом.

Такой ясный в физическом смысле подход к созданию автоматизированного механического привода порождает, тем не менее, целый комплекс нерешенных или не до конца решенных как научных так и прикладных задач, решению которых и посвящена настоящая диссертация.

ГЛАВА 1. КОНСТРУКЦИИ СОВРЕМЕННЫХ ВАРИАТОРОВ.

Механические передачи, являясь составной частью большинства машин, выполняют функцию регулятора компонентов мощности передаваемого ими от двигателя к исполнительному органу машины силового потока. Простые механические передачи (редукторы и мультипликаторы) характеризуются постоянным значением передаточной функции скорости и реализуют "золотое правило механики" для однорежимных машин, эксплуатация которых происходит при стабильных условиях нагружения или условиях близких к стабильным (стационарным).

Однако стационарная эксплуатация скорее исключение, чем правило для технологических, транспортных и энергетических машин, поэтому на механические передачи возлагается задача изменения передаточной функции скорости, что и осуществляется двумя способами: ступенчато (дискретно) и плавно (без разрыва силового потока). Механические передачи, в которых изменение передаточной функции происходит плавно называют вариаторами. Очевидно, что вариаторы предпочтительнее при создании автоматизированных приводов, поскольку на их базе можно построить энергетически совершенные механические приводы с хорошими динамическими характеристиками, увеличить производительность машин, повысить качество технологических процессов или параметров движения. Вариаторы позволяют упростить и сделать удобным управление машиной.. Наконец плавное регулирование компонентов мощности дает значительный экономический эффект. Итак, с целью повышения качества обрабатываемого машиной продукта, увеличения производительности и удобства управления, а также исходя из экономических соображений необходимо стремиться к плавному регулированию скорости исполнительного органа машины.

Зависимость, приведенная в [69], позволяет оценить годовые затраты на энергию в любом электромеханическом приводе:

3^.(7.(1-/7, ,

7а

где I — время работы привода в год;

С — стоимость одного кВт час электроэнергии:

Г| 1 — механический КПД привода:

N — мощность установленного на ведущем валу электродвигателя:

т}2 — КПД электродвигателя.

Большинство электромеханических приводов основную часть времени загружены на 20-25%. В связи с этим снизить общую установленную мощность, сократить текущее энергопотребление возможно с использованием регулируемых приводов и в частности, такие приводы удается синтезировать на базе бесступенчатых механических передач, что перспективно.

1.1. Вариаторы с управлением передаточной функцией от постороннего источника движения.

Бесступенчатые передачи могут регулировать передаточную функцию скорости механического привода либо по заданной оператором программе, либо автоматически на ходу в зависимости от нагрузки или скорости привода. Во втором случае сигнал на управление формируется непосредственно силовым или скоростным режимом эксплуатации машины и тогда можно утверждать, что механический привод выполняет роль автоматического регулятора движением.

Вариаторы позволяют выполнять технологические процессы на оптимальных скоростных и силовых режимах. Кроме того, с помощью такого автоматизированного механического привода можно обеспечить стабильный и экономичный режим работы двигателя, что особенно важно в условиях

дефицита располагаемой мощности, как это имеет место, например, для большинства бортовых систем.

В странах с развитой технологией использование вариаторов расширяется для различных отраслей машиностроения, приборостроения и производства бытовой техники. Вариаторы встраиваются в цепь главного движения некоторых типов металлорежущих станков, в частности станков для торцевого и конусного течения. Традиционно использование вариаторов в намоточных станках для металлических лент, бумаги, ткани, тросов; в приводах дозаторов сыпучих материалов, шнеков погрузочных машин, в приводах тестомесильных машин и машин для центробежного литья. Используются вариаторы и в приводах медицинской техники - искусственного сердца, регулятора производительности насоса для перекачки плазмы и др.

Широкое распространение вариаторы получили в транспортных и технологических машинах. Все чаще вариаторы устанавливают в трансмиссиях мотороллеров, мотосаней, автомобилей и даже велосипедов, в приводах генераторов и целой гаммы технологических машин. Зарубежные фирмы более 10% механических приводов оснащают вариаторами. Есть данные об использовании вариатора в серийных автомобилях "Сузуки-Альто" и "Хонда" [70], на которых установлен вариатор системы Антонова (Болг.). В этом вариаторе осевая сила, возникающая в зацеплении косозубой передачи, а также центробежная сила в системе особо расположенных подпружиненных центробежных грузов позволяют замыкать и размыкать сцепление. Конструкция перспективна, так как разрыва потока мощности в ней не происходит, однако наблюдается непрерывное технологическое буксование в парах трения, что смягчается работой в масляной ванне, но постоянных потерь избежать не удается.

Хорошо известен и опыт использования вариаторов в отечественных зерноуборочных комбайнах "Нива", "Колос", "Сибиряк", "Дон", в которых установлено по четыре вариатора: ходовой - для плавной регулировки

скорости основного движения, привода мотовила, привода молотильного барабана и привода вентилятора. В определенном диапазоне передаваемой мощности конструкции фрикционных вариаторов конкурентоспособны передачам зацеплением по КПД, габаритно-массовым характеристикам, ресурсу [94]. На больших мощностях вариаторы энергетически все же проигрывают регулируемым гидропередачам. Тем не менее в США достигнуты характеристики фрикционных передач и вариаторов по удельной мощности 7 кВт на один фунт веса конструкции (у зубчатых передач средний показатель 4 кВт на один фунт), механический КПД фрикционных передач достигает 95%, частота входного движения до 70.000 об/мин, а передаваемая мощность до 200 кВт.

Хорошо известны зарубежные фирмы, занимающиеся разработкой, исследованиями и производством вариаторов, выпускающие их серийно, нормализованными рядами для любых потребителей - в США — Ceneral motors, Reeves, RCM, Elektrical motors, в Японии — Mitsubishi, Simomoto, в Германии — Wallwork, Webo, SEW, Schaerer, Simplabelt, Blockung und Vanpel: в Италии — Motobekan; в Швейцарии — Indur Schackenmann; во Франции — Пежо, Триумф, DAF.

Производителями отмечается надежность вариаторов, малошумность, низкая виброактивность, высокий КПД, низкая стоимость, сравнимая с зубчатыми передачами материалоемкость.

Исследованиями отечественных ученых И.В. Крагельского, Б. А. Пронина, Г.А. Ревкова, A.A. Благонравова, К.И. Заблонского, В.Ф. Мальцева, Я.И. Есипенко, А.Е. Шустера, Р.В. Вирабова, А.И. Леонова, А.Ф. Дубровского и другими создана теория и инженерные методы расчета вариаторов [69,77,94]. Особенности динамики механического привода с вариатором проанализированы И.И. Артоболевским, В.А. Зиновьевым, Н.В. Умновым [5-

7,71,72,101] и развиты в дальнейшем другими исследователями [1, 8, 62, 63, 65,76, 78,81-83,85-87].

Основными техническими центрами по проектированию и испытанию отечественных вариаторов являются ИМАШ РАН РФ, ЦНИИТМАШ, ЭНИМС, НАМИ, ВНИИМЕТМАШ, ВНИИ "Редуктор", Главчаспром. Серийно вариаторы выпускаются на Ростсельмаше, Красноярском комбайновом заводе, Рыбинском заводе бумагоделательных машин, Егорьевском станкозаводе, на заводах и ПО в Меликасе, Тбилиси, Калинине, Ташкенте, Киеве. По техническим характеристикам лучшие отечественные образцы вариаторов не уступают образцам зарубежных фирм.

В [52] системно изложены особенности конструкций современных автовариаторов. Обозначим лишь основные из них.

Как и в большинстве схем механических передач, в вариаторах, в том числе фрикционных, обязательно предусматривается разгрузка подшипников от нормальных сил во взаимодействии активных поверхностей звеньев передачи, путем замыкания нормальных сил на корпус или некоторую деталь, не лимитирующую работоспособность передачи. В конструкциях современных вариаторов усилие нормального нагружения во фрикционном контакте бывает весьма значительно и обеспечивается различными техническими приемами, например, изначальным сборочным натягом, как в решении [10], пружинами, специальными упругими звеньями с высокой податливостью, функциональными компенсаторами [81] и [91], гидрораспором основных несущих элементов [79], принудительным сдвигом активных элементов, использованием температурных деформаций, эффектом самозатягивания контакта.

К общим признакам современных вариаторов следует отнести: многопоточность, регулирование и авторегулирование сил прижатия во фрикционных контактах, минимизация упругого скольжения, и полное

исключение геометрического скольжения, использование мгновенно отвердевающих под нагрузкой смазок, применение принудительного охлаждения и прочее.

Технически бесступенчатое регулирование скорости наиболее просто осуществить в передачах трением, поэтому они и получили преимущественное распространение в вариаторах.

Передачи, передающие силовой поток трением, можно условно разделить на два типа:

— с непосредственным контактом — фрикционные;

— с гибкой связью — ременные.

Ременные вариаторы достаточно просты в производстве и ремонте, более универсальны и надежны в эксплуатации, могут работать даже при ударной нагрузке. КПД ременных вариаторов достаточно высок. Ременные передачи используются более широко, чем фрикционные с непосредственным контактом звеньев, но по габаритам и жесткости характеристики эти вариаторы, в большинстве случаев, все же уступают фрикционным.

Известно множество разнообразных схем плоскоременных [9,21,28, 41] и клиноременных [16,20,23,25,27,30,37,39] вариаторов, создатели которых стремились вложить в них принцип автоматического изменения передаточного отношения в зависимости от нагрузки или скорости на ведомом валу, а так же автоматическое регулирование натяжения гибкой с�