Анализ динамики и совершенствование приемно-намоточного механизма машины НВ 1000-КЖ9 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Ашур Раед Салех

• Ашур Раед Салех
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ашур Раед Салех

Введение.

1 Обзор патентных и литературных источников. Постановка задачи исследования.

1.1 Обзор конструкций приемно-намоточных механизмов.

1.2 Обзор литературных источников по исследованию динамики быстровращающихся роторных узлов.

1.3 Постановка задачи исследования.

2 Динамические и математические модели приемно-намоточного механизма.

2.1 Конструктивная схема приемно-намоточного механизма.

2.2 Динамическая и математическая модели (первыйслучай).

2.3 Динамическая и математическая модели второй случай).

3 Исследование динамики приемно-намоточного механизма (первый случай).

3.1 Частотный и модальный анализ.

3.2 Анализ периодических колебательных режимов.

3.3 Моделирование динамики приемно-намоточного механизма на ЭВМ.

4 Исследование динамики приемно-намоточного механизма (второй случай).

4.1 Частотный, и модальный анализ. Самоцентрирование паковки.

4.2 Моделирование динамики приемно-намоточного механизма на ЭВМ'.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ динамики и совершенствование приемно-намоточного механизма машины НВ 1000-КЖ9»

Актуальность темы. Современные условия рынка предъявляют повышенные требования к качеству и себестоимости готовой продукции. Стоимость натурального сырья достаточно высока, а его потребительские свойства, такие как прочность, износостойкость и т. д. оставляют желать лучшего. Поэтому широко внедряются в ассортименты товаров изделия, состоящие из смеси натуральных и химических волокон. Все большее распространение получают текстурированные нити, свойства которых приближаются к свойствам натуральных волокон.

Высокая потребность в химических волокнах и экономическая эффективность их производства обеспечивает постоянное увеличение их сбыта. При этом остро ставится вопрос о повышении качества1 и потребительских свойств' химических волокон. Для этой цели разрабатываются новые технологии; совершенствуются существующие и создается новое технологическое оборудование - машины для производства и переработки химических нитей'. Одной из существенных составляющих этих машин, от работы которой?зави-сит качество готовой продукции (паковки) являются приемно-намоточные механизмы.

Исходя из сказанного, следует, что работы по разработке новых при-емно-намоточных механизмов, позволяющих наматывать более качественные с точки зрения дальнейших технологических переходов паковки, снизить обрывность наматываемых нитей являются весьма важными и актуальными.

Цели и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в аналитическом и численном моделировании> динамики, работы приемно-намоточного механизма, предназначенного для приемки на патрон'вытянутой, текстурированной полиамидной жгутовой нити коврового ассортимента, снижении их виброактивности, а следовательно, и повышении качества готового продукта - паковок и нити. Исходя из поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1) разработать динамические и соответствующие им математические модели приемно-намоточного механизма машины типа НВ-1000-КЖ9 (разработка СКТБ МХВ ОАО «Машиностроительное объединение им. К. Маркса», г. Санкт-Петербург), учитывающие податливость: элементов, соединяющих подвес с уравновешивающим грузом; опор бобинодержателя; поверхности паковки; неудерживающий характер связи фрикционного цилиндра с паковкой;

2) проанализировать систему уравновешивания подвеса и в случае необходимости выдать инженерные рекомендации по ее совершенствованию;

3) выполнить аналитическое исследование периодических колебаний фрикционного цилиндра на подвесе относительно паковки без учета податливости опор бобинодержателя; разработать алгоритмическое и программное обеспечение для построения на ЭВМ резонансных кривых исследуемой- системы;

4) выполнить частотный и модальный анализ приемно-намоточного механизма для двух случаев: а) опоры бобинодержателя'абсолютно жесткие, 6) опоры бобинодержателя податливы; для обоих случаев разработать математические модели, алгоритмическое и программное обеспечение проанализировать в случае б) эффект самоцентрирования патрона с паковкой;

5) разработать алгоритмическое и программное обеспечение для моделирования на ЭВМ динамики приемно-намоточного механизма (случаи а) и 6)); проанализировать результаты моделирования, выдать инженерные рекомендации по совершенствованию конструкции механизма.

Методы исследования. При выполнении работы применялись методы: математического анализа, теоретической механики, нелинейной механики, математического моделирования, вычислительной математики. При выполнении работы широко использовались возможности современных ЭВМ.

Научная новизна. В процессе выполнения работы получены следующие научные результаты.

1. Разработана методика исследования динамики и моделирования работы приемно-намоточного механизма намоточной машины типа НВ-1000, существенной частью которых является крепление на рычажном подвесе ни-тераскладчика и фрикционного цилиндра с их электроприводами; при этом бобинодержатель с патроном и паковкой крепится в корпусе машины и представляет собой две конические втулки, на которые одевается патрон.

2. Разработаны динамические и математические модели намоточного механизма, позволяющие учитывать податливость креплений подвеса с уравновешивающим грузом, податливость паковки, податливость опор бобино-держателя, неудерживающий характер связи между фрикционным цилиндром и паковкой.

3. Выполнен частотный и модельный анализ приемно-намоточного механизма для двух случаев: а) опоры бобинодержателя абсолютно жесткие, б) опоры бобинодержателя податливые, по разработанному алгоритмическому и программному обеспечению; выявлен при со —> оо эффект самоцентрирования патрона с паковкой, которым к сожалению по конструктивным особенностям механизма практически невозможно воспользоваться.

4. Выполнено аналитическое исследование (случай а) периодических колебаний фрикционного цилиндра с нитераскладчиком на подвесе с использованием метода гармонической линеаризации. Построены по разработанному алгоритмическому и программному обеспечению скелетные кривые, линия максимумов, резонансная кривая. Показано, что для получения больших амплитуд колебаний подвеса в резонансных режимах необходимы большие искажения геометрической формы паковки (биение, эллиптичность) и фрик-ционногощилиндра (биение), что практически мало реально, так как при этом резко возрастают силы контактного взаимодействия паковки с фрикционным цилиндром (геометрическая форма паковки при этом должна самокорректироваться из-за укатывания, либо паковка должна разрушаться).

5. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для численного моделирования динамики приемно-намоточного механизма (случаи а и б). Выполнен анализ колебаний подвеса с установленным на нем фрикционным цилиндром и нитераскладчиком в зависимости от биения, эллиптичности паковки, биения фрикционного цилиндра; в зависимости от дисбаланса и момента дисбаланса патрона с паковкой; в зависимости от жесткости опор бобинодержателя; в зависимости от жесткостных характеристик элементов, связывающих подвес с уравновешивающим грузом. Показано, что колебания подвеса малы. При этом биение и эллиптичность паковки расти по мере роста радиуса паковки не могут, так как это вызывает резкое увеличение силы контактного взаимодействия паковки с фрикционным цилиндром (поверхность паковки при этом прикатывается).

6. Показано, что необходимо изменение уравновешивания подвеса, так как сила контактного взаимодействия между паковкой и фрикционным цилиндром по мере роста радиуса паковки от 0,035 м до 0,135 м увеличивается< более чем в четыре*раза, что недопустимо из технологических соображений. Даны инженерные рекомендации по устранению данного дефекта как с помощью дополнительного уравновешивающего груза, жестко закрепленного на подвесе, так и с помощью пружины.

Практическая ценность. Разработанные динамические и математические модели, алгоритмическое и программное обеспечение могут быть использованы при проектировании новых и модернизации существующих при-емно-намоточных механизмов текстурирующе-вытяжных машин, войдут составной частью в САПР машин химических волокон СКТБ МХВ ОАО-«Машиностроительное объединение им. К. Маркса», позволят повысить качество паковок и самой текстурированной нити и стабилизации сил контактного взаимодействия между фрикционным цилиндром и паковкой на требуемом уровне, позволят значительно снизить виброактивность механизма.

Теоретические результаты работы, разработанное алгоритмическое и программное обеспечение внедрены в учебный процесс кафедры машиноведения Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна в виде разделов курса «Машины и аппараты производства химических волокон», «Динамика машин отрасли», в курсовое проектирование указанных курсов, в дипломное проектирование студентов специальности 150600 - «Машины и аппараты текстильной и легкой промышленности»

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивной технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности», на конференции «Дни науки - 2007» Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна (Санкт-Петербург, 2007), научных семинарах кафедры машиноведения, научном семинаре СКТБ МХВ ОАО «Машиностроительное объединение им. К. Маркса», г. Санкт-Петербург.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научных статьи, в том числе 1 статья в журнале, входящем в «Перечань .» ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из ведения, четырех глав и заключения. Общий объем работы составляет 142 страницы машинописного текста, 55 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает 40 источников.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Ашур Раед Салех

Заключение

На основании проведенных исследований, направленных на совершенствование приемно-намоточного механизма для приемки на патрон вытянутой, текстурированной, полиамидной жгутовой нити, у которого на рычажном подвесе закреплен фрикционный цилиндр и нитераскладчик с собственными электроприводами, а патрон с паковкой закреплен в корпусе машины, можно сделать следующие выводы.

1 Разработана методика исследования динамики приемно-намоточных механизмов, существенной частью которых является крепление на рычажном подвесе фрикционного цилиндра и нитераскладчика с их электроприводами, т.е. с существенной массой подвеса.

2 Разработаны динамическая и математическая модели исследуемого приемно-намоточного механизма для двух случаев:

1) все элементы конструкции за исключением пружин, соединительных тросов и поверхности паковки абсолютно твердые тела;

2) все элементы конструкции за исключением пружин, соединительных тросов, поверхности паковки и мест крепления патрона в конусном-бобино-держателе абсолютно твердые тела.

3 Выполнен частотный и модальный анализ математической модели (случай а) на ЭВМ с использованием пакета математического моделирования МАТ1АВ; показано, что частота колебаний подвеса (в сборе) относительно паковки лежит значительно ниже, а частоты колебаний уравновешивающего груза и промежуточного ротора значительно выше рабочих частот вращения паковки. Снижение жесткости тросов, соединяющих подвес с промежуточным ротором и последний с уравновешивающим грузом, в допустимых по конструктивным соображениям пределах, оставляет указанный выше результат без изменений. Этот результат оставляет без изменения и возможный, согласно технического задания, диапазон варьирования линейной скорости принимаемой на паковку нити V = (22 ч- 42) м/с

4 Выполнено с использованием метода гармонической линеаризации аналитическое исследование периодических колебаний исследуемой системы по математической модели (случай а)). С помощью разработанного алгоритмического и программного обеспечения в системе МАТЬАВ на основании полученных результатов построены: скелетная кривая, линия максимумов и резонансная кривая. Показано, что подвес по сути дела является фильтром высоких частот, поэтому резонансная кривая существенна лишь на низшей частоте, то есть частоте колебаний подвеса относительно паковки.

5 Выполнено аналитическое исследование периодических колебаний подвеса относительно паковки для случая, когда тросы, соединяющие подвес с промежуточным ротором и последний с уравновешивающим грузом, абсолютно твердые тела. По разработанному алгоритмическому и программному обеспечению в среде МАТЬАВ построены: скелетная кривая, линия максимумов и резонансная кривая. Показано, что при наличии отрывов подвеса от паковки, начиная с некоторой амплитуды колебаний подвеса, линия максимумов уходит вверх, то есть линеаризованное демпфирование в системе падает.

6 Разработано алгоритмическое и программное обеспечение в среде МАТЬАВ и выполнено численное моделирование динамики исследуемой системы по математической модели (случай а)). Показано, что амплитуды колебаний подвеса относительно паковки, вызванные биением паковки X, биением фрикционного цилиндра Хх, эллиптичностью (овальностью) паковки малы. Увеличение X, Ххи 5 в процессе наматывания паковки практически невозможно, т.к. это приводит к резкому увеличению силы контактного взаимодействия С?, которая снижает эти величины до малых значений (прикатывает паковку), иначе силы <2 разрушат паковку. Колебания уравновешивающего груза и промежуточного ротора значительно меньше колебаний подвеса. Этот результат позволил при дальнейших исследованиях считать подвес, промежуточный ротор и уравновешивающий груз единым абсолютно твердым телом - «подвесом» с приведенной массой и моментом инерции

134 приведен к оси качания подвеса), то есть скорректировать математическую модель (случай б)).

7 По разработанному алгоритмическому и программному обеспечению в среде МАТЬАВ выполнен частотный и модальный анализ колебаний «подвеса» и паковки по скорректированной математической модели (случай б)). Показано, что частоты колебаний паковки значительно выше частот колебаний «подвеса» и лежат значительно выше рабочих частот вращения паковки. Показано, что с увеличением частоты вращения паковки со —> со в рассматриваемой системе имеет место самоцентрирование, однако этим практически не возможно воспользоваться из конструктивных соображений.

8 Разработано алгоритмическое и программное обеспечение в среде МАТЬАВ и выполнено численное моделирование динамики исследуемого приемно-намоточного механизма по скорректированной математической модели (случай б). И в этом случае колебания подвеса малы. В процессе наматывания паковки, как и в предыдущем случае, величины А,, А,,и 5 вырасти не могут, из-за резкого увеличения сил контактного взаимодействия £ и 0,2. Кроме того, не может расти неуравновешенность (е) и момент неуравновешенности (угол 50) паковки, т.к. это опять таки приводит к резкому увеличению сил и 02, которые либо прикатают, либо разрушат паковку.

9 Система уравновешивания подвеса уравновешивающим грузом, подвешенным к подвесу системой тросов через промежуточный ротор недостаточна. При росте радиуса паковки от Лтт до Ятах суммарная сила контактного взаимодействия паковки с фрикционным цилиндром резко возрастает (при принятых размерах механизма в четыре раза), что недопустимо из технологических соображений. Для устранения этого дефекта, в работе предложено использовать либо дополнительный груз (противовес), жестко связанный с подвесом, либо дополнительную пружину, устанавливаемую между корпусом машины и подвесом. Даны рекомендации и предложено программное обеспечение для их подбора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ашур Раед Салех, 2008 год

1. Матюшев, И. И. Высокоскоростные приемно-намоточные механизмы для химических нитей / И. И. Матюшев, В. А. Климов, JI. С. Мазин и др. — М.: Легпромбытиздат, 1991. —256 с.

2. Прошков, А. Ф. Расчет и проектирование машин для производства химических волокон / А. Ф. Прошков — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982, —408 с.

3. Голубев, Г. А., Гузовский Б. А., Пономарев О. В. Машины для формирования и приемки капроновых нитей. Конструкция, монтаж, наладка и эксплуатация. / Г. А. Голубев, Б. А. Гузовский, О. В. Пономарев -М.: Химия, 1977. —264 с.

4. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Ред. В. Н. Челомей (пред.). М.: Машиностроение, 1980. - т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов. / Под ред. Ф. М. Диментберга и К. С. Колесникова. 1980. -544 с. '

5. Николай, Е. Л. Теория гироскопов / Е. Л. Николай М.: Гостехиздат, 1948, —288 с.

6. Loewy R. G., Pieralli V. J. Dynamics of rotating shaft SVM-4. US Department of Defangs. Washington. 1969.

7. Кельзон, А. С. Расчет и конструирования роторных машин. / А. С. Кельзон, Ю. Н. Журавлев, Н. В. Янтарев Л.: Машиностроение. 1977. -288 с.

8. Кельзон А. С., Циманский Ю. П., Яковлев В. И. Динамика роторов в упругих опорах. / А. С. Кельзон, Ю. П. Циманский, В. И. Яковлев. -М.: Наука. Главн. ред. физ.-мат. лит.-ры. 1982. 280 с.

9. Коритысский, Я. А. Исследование динамики и конструкции высокопроизводительных веретен текстильных машин. / Я. А. Коритысский. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1963. - 386 с.

10. Коритысский, Я. А. Динамика упругих систем текстильных машин. / Я. А. Коритысский. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1982. - 272 с.

11. Кушуль, М. Я. Автоколебания роторов. / М. Я. Кушуль. М.: АН СССР. 1963.- 168 с.

12. Попов, Э. А. Погрешность геометрии подшипников и динамика веретен. / Э. А. Попов // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 1978.-№4.-С. 124- 127.

13. Попов, Э. А. Аналитическое определение амплитуд колебаний веретен типа 7ВА-1 машин ацетатного шелка. / Попов, Э. А. Информ. ЦИНТИ-ЛЕГПРОМ. - сер. 5. "Шелковая промышленность". - 1965. - №9 (27). - С. 6 -12.

14. Коритысский, Я. А. Исследование динамики веретен прядильно-крутильных машин в нестационарном режиме. / Я. А. Коритысский, И. А. Фрад // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 1975. - №3. -С. 116-120;-№4.-С. 115-117.

15. Коритысский, Я. А. Исследование нестационарных колебаний электропривода ЭВН 4. / Я. А. Коритысский, А. И. Арбанин // Изв. вузов. Машиностроение. - 1978. -№11. - С. 19-24.

16. Жаров, Е. П. Вынужденные колебания центрифуг типа ЭВ-3 в резонансных зонах. / Е. П. Жаров // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 1971. - №1. - С. 123- 126.

17. Трощаповский, А. А. Максимальная скорость наматывания нитей на фрикционных механизмах оборудования для прядильного производства и производства химических волокон. / Трощаповский А. А. ЦНИИТЭИлег-пищемаш.- 1980. -Вып. 3.-С. 14- 17.

18. Коритысский, Я. А. Динамика наматывающего устройства маятникового типа с учетом упругости вала бобинодержателя. / Я. А. Коритысский, А. А. Акимов ; Московский текстильный институт. Москва. 1983. - 14 с. -Деп. в ЦНИИТЭИлегпищемаш 7.01.1983. №339 мл-Д83.

19. Регельман, Е. 3; Машины для. формования химических и минеральных волокон. / Е. 3. Регельман, Г. А. Голубев и др. Л;: Машиностроение. 1972.-318 с.

20. Козлов, В. Н. О динамике фрикционного г приемно-намоточного механизма с четырехзвенным подвесом:бобинодержателя. / В. Н. Козлов, Л. С. Мазин. // Изв. вузов. Технология текстильной; промышленности: — 1983. — №3. С. 98 - 104.

21. Регельман, Е. 3: Приемные механизмы машин;для производства химических волокон. / Е. 3. Регельман, Н. В: Рокотов ; иод ред. Регельмана Е. 3. Л.: Изд.-во Ленинградского университета. 1988. - 248 с.

22. Байкова, Е. Е. Синтез механизма прецизионного наматывания. / Е. Е. Байкова // Изв. вузов. Технология текстильной, промышленности. 1988. -№6.-С. 102- 106.

23. Мисенко, В. Ф. Математическая модель и частотный: анализ бобинодержателя с неподвижной гибкой осью; / В. Ф. Мисенко^ В. Н. Козлов, Л. С. Мазин-// Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 1983. — №4.-е. 89-93.

24. Климов, В. А. Техническая диагностика машин текстильной и легкой промышленности / Климов В. А>., Лавров К. А:, Мазин Л^ С. и др. М.: Легкая и пищевая промышленность. - 1982. - 248 с.

25. Мазин, Л. С., Луганцева Т. А. О динамике маятниковых устройств контактного наматывания нитей. / Л. С. Мазин, Т. А. Луганцева // Изв. вузов. Технология .текстильнойпромышленности; 1980. - №2. — С. 98 - 102.

26. Мазин, JI. С. Математическая модель приемно-намоточного механизма для некрученой вискозной нити. / Мазин Л. С., Матюшев И. И., Беспалова И. М. // Вестник СПГУТД. 2000. - № 4. - С. 144 - 149.

27. Мазин JI. С., Цифтес К. Динамические и математические модели приемно-намоточного механизма текстурирующих вытяжных машин типа ТВ (1 случай). Депонировано в ВИНИТИ. 31.05.2002. №996-В2002. 31 с.

28. Мазин JI. С., Цифтес К. Динамические и математические модели приемно-намоточного механизма текстурирующих вытяжных машин типа ТВ (2 случай). Депонировано в ВИНИТИ. 31.05.2002. №997-В2002. 25 с.

29. СПГУТД. СПб.: 1993. с. 84 - 88.

30. Поляков В. К., Гальчук Т. А. Анализ процесса взаимодействия конической паковки с фрикционным цилиндром. Вестник СПГУТД. 2000. №4. с. 150- 155.

31. Лойцянский Л. Г., Лурье А. И. Курс теоретической механики, т. 2. Динамика. Гос. изд.-во технико-теоретической литературы. М.: 1955. - 595 с.

32. Дёч, Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и Z-преобразования. Изд.-во Наука, Главная редакция физико-математической литературы. М.: 1971. - 288 с.

33. Лурье, А. И. Аналитическая механика. Гос. изд.-во физ.-мат. лит.-ры.-М.: 1961.-823 с.

34. Дьяконов В. MATLAB: учебный курс. СПб.: Питер. 2001 - 560 с.

35. Гонтмахер, Ф. Р. Теория матриц. Изд.-во Наука. Главная редакция физико-математической литературы. -М.: 1967. 575 с.

36. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). Наука. Главная редакция физико-математической литературы. -М.: 1977.-831 с.

37. Коловский, М. 3. Нелинейная теория виброзащитных систем. Изд.-во Наука. М.: 1966. - 327 с.

38. Вульфсон И. И., Коловский М. 3. Нелинейные задачи динамики машин. Изд.-во Машиностроение. Л.: 1968. - 282 с.