Исследование динамики конструкций дробеметных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.18, кандидат технических наук Лукьянов, Владимир Игнатьевич

• Лукьянов, Владимир Игнатьевич
• кандидат технических наук
• 1983

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лукьянов, Владимир Игнатьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ВЫБОР ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ.

I.I. Построение динамических моделей дробеметных аппаратов.

1.2. Постановка задачи по определению оптимальных параметров динамической модели.

1.3. Определение коэффициентов жесткости.

1.4. Определение реакций опор.

1.5. Пределы варьирования параметров.

1.6. Определение оптимальных параметров.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ КОНСТРУКЦИЙ КОНСОЛЬНОГО РОТОРА И

ПОИСК ОПТИМАЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ МОДЕЛИ.

2.1. Описание модели и составление системы уравнений.

2.2. Выбор варьируемых параметров и пределов варьирования.

2.3. Алгоритм поиска оптимальных параметров и анализ результатов вычислений.

2.4. Аналитические соотношения между оптимальными параметрами одномассовой модели с шарнирным закреплением.

2.5. Выбор оптимального варианта.

ГЛАВА 3. НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ИЗНОСА ЛОПАТОК ДРОБЕМЕТНОГО АППАРАТА.

3.1. Причины неравномерного износа лопаток.

3.2. Движение дроби в импеллере.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование динамики конструкций дробеметных аппаратов»

В литейном производстве широкое применение находят очистные машины с дробеметными аппаратами механического действия, что объясняется сравнительно большой их производительностью, высоким качеством очистки и возможностью включения их в поточные и автоматические линии. Например, на Камском автомобильном заводе внедрено около 50 очистных установок с дробеметными аппаратами, причем, все они предназначены работать в автоматических и поточных линиях.

Дробеметный аппарат является основным узлом очистной установки. Практика показала, что в результате воздействия вибрации, возникающей вследствие разбалансировки ротора, происходят преждевременные усталостные разрушения частей дробеметного аппарата, что затрудняет применение их в поточных и автоматических линиях [43,65] .

В работе исследуются причины возникновения вредной вибрации и на основе анализа динамических свойств конструкции и режимов работы дробеметных аппаратов находятся критерии оптимизации, которые необходимы при проектировании новых, более производительных дробеметных аппаратов.

Динамика машин изучает силы, действующие на детали машин и движение их частей под действием этих сил. Силы инерции оказывают добавочное влияние на деформацию звеньев машин, являются главными источниками вибрации.

Важность изучения прикладных вопросов динамики указывается в работах [34, 6, 63].

Рассматривая механические системы, необходимо знать, как изменяется частота и амплитуда колебаний при наложении новых связей или изменении массы и упругости в каком-либо месте машины. Такой анализ важен при конструировании новых машин. Машину можно представить как систему материальных точек, соединенных друг с другом связями, не зависящими от времени [бЗ, 63]. Современное развитие вычислительной техники позволяет успешно провести анализ и быстрее найти оптимальные варианты конструкции [62].

В работе рассмотрены два важных вопроса динамики конструкций дробеметных аппаратов, связанных друг с другом. Первое - вопрос вибропрочности конструкции и второе - причины неравномерного износа лопаток. Указанные вопросы являются актуальными при конструировании более производительных дробеметных аппаратов, необходимых в связи с развитием очистного оборудования.

Дробеструйная и особенно пневматическая очистка литья в современных литейных цехах заменены дробеметной очисткой потоком дроби, выбрасываемой на отливки быстровращающимся лопаточным колесом [2] . О преимуществе дробеметных установок указывалось еще в 1934 г. П.Н.Аксеновым [i]. Практика показала эффективность дробеметных установок при использовании дроби любого диаметра [3,4], что невозможно получить в пневматических дробеструйных установках. Конструкция дробеметной установки, как уже отмечалось, проще по сравнению с очистными установками, действующими по другому принципу, встраивается в поточные и автоматические линии, где они проявляют наибольший эффект ^65].

При создании новых конструкций дробеметных установок перед конструкторами стоит задача выбора размеров элементов конструкции, выбора режимов работы машины. В начале 60-х годов исследователями и конструкторами решались следующие три вопроса.

I. Теория рабочего процесса дробеметного колеса.

Изучением теории занимались П.Н.Аксенов [2,3,4], ВЛ1.Гребенник [24] , Г.М.Орлов [53,54,55] , М.М.Саверин [59,60] , Н.Н.Шашин [66]. Основные вопросы, которые были решены в указанных работах, касались скорости и разброса потока дроби при сходе с рабочего колеса.

Теоретические предпосылки исходили из теории движения твердой частицы по лопатке вращающегося колеса, которая изложена в описании работы пескометов, например, П.Н.Аксеновым [4] и Р.П. Геллером [23,25]. Теория с достаточной точностью позволила определить скорость и направление вылета дроби, а также получить траекторию движения дроби в роторе. Установлены условия, при которых происходит движение дроби скачком, с проскальзыванием и при качении, которые зависят в основном от угла расположения лопатки, коэффициента трения материалов лопатки и дроби, скорости выхода дроби из нагнетателя (импеллера), а также определены влияния всех перечисленных факторов на вектор скорости вылета дроби.

Г.И.Орлов в своих работах указывает, что абсолютная скорость схода дроби пропорциональна числу оборотов ротора, а положение точки схода дроби с лопатки остается постоянным. Им установлено, что с увеличением оборотов ширина факела дроби уменьшается и что дробь при выходе из окна импеллера разделяется на два потока, один из которых попадает на лопатку, расположенную на том же радиусе, на котором расположена стенка импеллера, другой поток дроби попадает на отстающую лопатку, что влияет на разброс дроби. Это же отмечено в упомянутых работах [59,60] , где для получения более скученного потока дроби предлагается повернуть лопатки по отношению к импеллеру на 15° против вращения.

Г.М.Орловым и В.П.Гребенниковым определены траектории движения дроби в импеллере до встречи ее с лопаткой и влияния размеров импеллера на разброс факела дроби. Определены оптимальные значения утла наклона лопатки, а также ее длина. Установлено, что вес дроби мало влияет на скорость вылета.

Исследования указанных авторов позволили произвести выбор диаметра рабочего колеса, рабочих оборотов, диаметра дроби и дать рекомендации по конструкции импеллера и формы лопаток.

2. Конструкция дробеметного аппарата.

К анализу отечественных и зарубежных установок, описанию вариантов конструкции, кроме перечисленных авторов, относятся работы А.М.Ветвицкого, М.В.Холмогорова [17], В.Д.Богашева и А.И. Волосатова [8] и др. В работе fl7] авторами описана конструкция дробеметной головки, ее режимы работы, обобщается опыт по конструированию установок.

В работе [бб] приводятся конструкции отечественных дробе-метных установок ДУ-I; ДУ-2; установок по наклепу дробью УШ1-1; ДУПТ.

В работе [7] описываются конструкции дробеметных установок, выпускаемых за рубежом, отмечаются тенденции к увеличению производительной мощности дробеметных установок.

В шестидесятых годах конструкторы приложили немало усилий по совершенствованию конструкции дробеметных аппаратов. Появились авторские свидетельства, в которых усовершенствуется конструкция рабочего колеса [62] , профиль и конструкция лопатки [15,51] , конструкция импеллера [67] . Применяются магниты [33] для удержания защитного слоя дроби, который уменьшает износ защитных экранов (облицовка в виде магнитного экрана).

Дяя конструкции лопаток предлагается делать поперечные выступы из легирующих сплавов, которые,удерживая защитный слой дроби на лопатке [62], уменьшают их износ.

Указанные усовершенствования проводились в основном с целью увеличения срока службы деталей дробеметного аппарата.

3. Вопросы эффективности дробеметных установок

Анализу эффективности дробеметных установок посвящены работы М.В.Чунаева [бб]. Им произведены расчеты мощности, затрачиваемой при работе дробемета. Каж и в работе по теории пескометов [4], затрачиваемая мощность разделяется на мощность, идущую на преодоление сопротивления воздуха в зависимости от оборотов ротора, размеров и конструктивных особенностей рабочего колеса, мощность, затрачиваемую для сообщения живой силы при вылете дроби из дробемета (полезная мощность), а также мощность, затрачиваемую на трение дроби о лопатки и на трение в импеллере.

Полученные зависимости мощности от оборотов рабочего колеса позволили М.В.Чунаеву сделать вывод о том, что при увеличении оборотов, а следовательно, и скорости вылета дроби выше 70-5-80 м/с, расход энергии на сопротивление воздуха повышается значительно сильнее, чем полезная мощность и мощность, затрачиваемая на преодоление трения. М.В.Чунаев заключает, что увеличения производительности установок можно добиться только за счет увеличения пропускной способности дробемета (количества дроби, прошедшего через дробемет за одну минуту). Кроме того, сказываются факторы быстрого разрушения дроби и износа лопаток при высокой скорости вылета дроби.

М.В.Чунаев также отмечает недостаточную производительную мощность существующих установок, что затрудняет применение их в автоматических линиях.

Вопрос эффективности дробеметных установок связан с износостойкостью лопаток. К наиболее глубоким исследованиям в этом направлении следует отнести работы Р.С.Калинина [32].

Интенсивный износ лопаток является основным недостатком дробеметных аппаратов, осложняющих и удорожающих эксплуатацию очистных установок. Попытки увеличить эксплуатационную стойкость лопаток многими исследователями сводились к подбору наиболее износостойких сплавов, однако при этом не учитывались условия эксплуатации лопаток: число лопаток, их наклон к радиусу ротора, опережение импеллера, число оборотов ротора.

Р.С.Калининым для выявления сравнительной эксплуатационной стойкости были проведены испытания лопаток из различных сплавов. Сравнительная износостойкость оценивалась по потерям веса лопаток после их эксплуатации в течение 6 часов.

Потеря в весе лопаток, в зависимости от применяемого сплава, принимала значения в пределах от 2 до 80 г/час.

Приводятся данные по износостойкости для материалов лопаток из порядка 60 сплавов с различными режимами термообработки.

Изучение поверхности изношенной лопатки подтверждало теоретические расчеты о скачкообразном движении дроби по лопатке. Кинетическая энергия и сила ударов увеличивается при приближении к периферии лопаток. Р.С.Калининым проведены исследования влияния диаметра и твердости дроби, степени ее раздробленности и угла наклона лопаток на потерю веса лопаток и время очистки отливки.

Результаты исследования представлены в виде диаграмм, позволяющих выбрать оптимальные значения диаметра и твердости дроби и подобрать углы наклона лопаток при минимальной потере в весе лопаток, и оценить влияние засоренности дроби на производительность очистки.

Результаты проведенных исследований и изучение особенностей микроструктур сплавов позволили сформулировать требования к эксплуатации и изготовлению дробеметных лопаток с целью повышения их долговечности.

Для обеспечения оптимальной стойкости лопаток и эффективности очистки пригара при дробеметашш должна применяться дробь № 2 с твердостью HRC45, содержащая не более 60% битых частиц фракции 0,6 - 1,5 мм. Наклон лопаток от радиуса ротора против его вращения должен быть 20°. Сплавы для лопаток должны тлеть р твердость ИВ 600 и предел текучести - 20 кг/мм , модуль упрур гости 9000 кгс/мм , коэффициент восстановления при ударе 0,78, коэффициент трения скольжения около 0,2.

Таким образом, к середине шестидесятых годов практически все вопросы по теории дробеметного колеса, оптимизации конструкции и режимов работы, стоявшие в начале пятидесятых годов, были решены.

Однако, как уже отмечалось, сравнительно невысокая производительность очистки существующих установок не позволяла использовать их в автоматических линиях.

С 1969 года конструкторское бюро завода "Амурлитмаш" начало работы по созданию дробеметных аппаратов с пропускной способностью около 1000 кг/глин, что примерно на порядок превышало пропускную способность дробеметных аппаратов, применяемых ранее. Перед конструкторами в связи с этим встали новые проблемы, не встречавшиеся предце.

Первая - чрезмерное увеличение вибрации, создаваемой дро-беметным аппаратом. Как следствие увеличения вибрации - возникновение больших динамических нагрузок на детали дробеметного алпарата, приводящих к усталостным разрушениям лопаток, подшипников и болтовых креплений. Вибрация передавалась на корпус установки, что приводило к дополнительным трудностям при проектировании частей установки и значительно повышало шумность машины [39] . О возможности больших вибраций и шума дробеметных аппаратов указывалось ранее М.ВЛунаевым.

Вибрация возникает в результате небаланса ротора (рабочего колеса), происходящего при замене лопаток, а также в процессе эксплуатации в результате неодинакового (неоднородного) износа лопаток. Согласно техническим требованиям при замене лопаток противоположные лопатки подбираются по весу с точностью до 4-х граммов. Однако, в случае геометрической асимметрии посадочных мест в роторе и самих лопаток балансировка во многих случаях не обеспечивалась.

Для обеспечения балансировки ротора в процессе работы в дробеметном аппарате, предлагаемом авторским свидетельством JS II9099 [4б], применено балансировочное устройство по типу балансирующих устройств шлифовальных станков. Несмотря на то, что ч балансировочное устройство значительно усложняет конструкцию, применение его считается все-таки целесообразных.'! в связи с повышением срока службы подшипников, болтовых креплений и лопаток. В связи с этим возникает вопрос, можно ли соответствующим подбором конструкции ротора и жесткости упругих элементов опор в достаточной мере уменьшить влияние дисбаланса ротора на срок службы деталей дробеметного аппарата и этим исключить применение специального балансировочного устройства.

Вторая проблема связана с увеличением неравномерности износа лопаток, приводящей к сокращению срока службы всей установки до первого отказа (замена лопаток), что особенно нежелательно в автоматических и поточных линиях.

Ранее на дробеметных установках с пропускной способностью до 80 кг/мин. эффект неравномерности износа был менее заметен в связи с малым применением установок в автоматических линиях, и им обычно пренебрегали.

Как показали исследования [43] , обе проблемы являются связанными, и неравномерность износа лопаток также зависит от динамических свойств конструкции дробеметного аппарата.

Таким образом, одним из главных вопросов исследования на данном этапе развития очистных дробеметных установок является вопрос динамики конструкции дробеметных аппаратов. Необходимо отметить, что по отношению к дробеметным аппаратам теоретическими вопросами динамики исследователи не занимались, что приводило к необоснованно большим затратам времени на создание новых конструкций и дорогостоящим экспериментам с вариантами конструкций. К тому же экспериментальные исследования не всегда могут дать ответа на вопрос, является ли полученная конструкция оптимальной с точки зрения динамики.

Что же касается динар,шки конструкций вообще, этому вопросу посвящено практически необозримое количество работ.

В связи с развитием авиационного машиностроения получили развитие методы оптимального проектирования механических систем.

Общая теория оптимального синтеза механических систем была разработана сравнительно недавно, в 60-х годах [21,22,69].

Осуществление оптимального синтеза стало возможно благодаря применению для этих целей вычислительных машин [36,58] .

Процесс оптимального проектирования заключает в себе следующие 5 этапов.

1. Выбор динамической модели.

2. Математическое описание модели.

3. Учет ограничений на варьируемые параметры.

4. Выбор целевых функций (критериев качества).

5. Выбор методики (алгоритма) поиска оптимальных вариантов.

Первый и второй этапы оптимального проектирования решаются совместно. Составляется исходная динамическая модель, максимально приближенная к реальной конструкции, и ее математическое описание. Затем задаются параметры, соответствующие полученной на практике конструкции прототипа, проверяется правильность модели, затем модель упрощается и снова составляется математическое описание модели и ее проверка.

При учете ограничений на варьируемые параметры, не только находятся верхняя и нижняя границы варьирования. Ограничения могут выражаться в виде аналитических зависимостей, связывающих варьируемые параметры. Эти зависимости могут включать в себя одно или несколько условий существования экстремума целевых функций.

Целевыми функциями могут быть амплитуды колебаний масс исследуемой динамической модели, усилия,действующие в звеньях машин и механизмов, напряжения в элементах конструкцщ, вес и габаритные размеры и др. [31,64].

В общем виде задача заключается в поиске глобального экстремума целевого функционала, аргументами которого является множество одновременно варьируемых параметров [27]. Если доказана выпуклость исследуемого функционала в пространстве параметров, то используются регулируемые методы (градиентный, наискорейшего спуска и т.д.) [58].

Применение регулярных методов при многоэкстремальных нелинейных функционалах можно привести к отысканию локального экстремума. В работе [5] описан метод использования многомерных таблиц испытаний, где вместо случайных точек используются точки ЛП последовательности. Это облегчает программирование на ЭЦВМ и выявляет все локальные экстремумы.

Целью диссертации является исследование динамики конструкции дробеметного аппарата, нахождение оптимальной модели конструкции и разработка методики расчета параметров конструкций дробеметных аппаратов, удовлетворяющих оптимальному варианту модели. Одновременно с этим исследуются причины неравномерного износа лопаток и находятся пути, исключающие неравномерный износ.

Новизна работы заключается в том, что впервые получены зависимости, которые выполняются только для оптимальных параметров найденной модели конструкции дробеметного аппарата, причем критерием оптимальности является условие минимума передачи динамических нагрузок на основание. Доказывается, что фаза колебаний рабочего колеса влияет на неравномерность износа лопаток дробеметного аппарата и найдены пути устранения неодинакового износа лопаток.

Диссертация содержит пять глав.

В первой главе производится выбор динамических моделей,определяются виды колебаний возможные на них, а также анализируются причины возникновения колебаний. Опыт измерений параметров вибрации различных конструкций дробеметных аппаратов [39, 41, 42] показал, что основными колебаниями являются радиальные колебания прямой синхронной прецессии, возникающие в результате дисбаланса ротора дробеметного аппарата в месте расположения лопаток.

Было также установлено, что силы трения и движения дроби не влияют существенно на колебания прямой синхронной прецессии. Это упростило задачу исследований и позволило представить динамические модели в виде линейных дискретных систем, без учета сил трения. Существенными для конструкции дробеметного аппарата являются статические прогибы, возникающие при использовании упругих опор. Ограничения на статические прогибы являются определяющими при выборе динамической модели конструкции дробеметного аппарата.

Динамические модели условно были разделены на две группы -- первая группа содержит конструкции роторов дробеметных аппаратов с гибким валом и корпусом подшипников на двух упругих опорах, вторая группа содержит конструкции роторов с жестким валом, закрепленным шарнирно в точке на корпусе подшипников, который также шарнирно закреплен в точке на основании.

Первая группа исследуется в первой главе на динамической модели, содержащей консольный диск с гибким валом, установленным в корпусе подшипников, который в свою очередь, на упругих опорах крепится к основанию.

Находятся амплитуды колебаний центра масс ротора и реакции опор корпуса подшипников. Варьируемыми параметрами являются геометрические размеры - расстояние между центром масс ротора и подшипника, а также расстояние между упругими опорами.

В процессе расчета на ЦЗВМ жесткость вала и опор изменялась таким образом, что суммарный статический прогиб оставался постоянным (2 мм) и в таких пределах, когда просчитываются варианты: от варианта с гибким валом на практически абсолютно жестких опорах, до варианта с практически абсолютно жестким валом и гибкими опорами.

По результатам вычислений построены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) зависимостей реакций опор в виде диаграмм. Анализ диаграмм позволил установить, что наиболее приемлемой из первой группы динамических моделей для конструкции дробеметного аппарата является конструкция с жестким валом и корпусом подшипников, установленном на двух упругих опорах.

Вторая группа возможных динамических моделей рассматривается во второй главе на модели, содержащей консольный диск, закрепленный шарнирно на корпусе подшипников и с помощью упругих опор. Корпус подшипников также закрепляется в точке на основании. Движение модели описывается системой из двух дифференциальных уравнений для комплексных переменных, с учетом гироскопических членов и при воздействии силы неуравновешенности.

Получено решение для углов колебаний тел в установившемся режиме. Производится выбор варьируемых параметров и пределов их варьирования. Вычисляются относительные значения потенциальной энергии деформированного основания (функции передачи). Построен логический аппарат поиска оптимальных параметров системы, позволяющий результаты расчета представить в ввде диаграмм, на которых изображены уровни равных значений (изолинии) функции передачи в зависимости от параметров системы. Программа расчета была построена таким образом, что машина строила диаграммы, и это позволило менять направление поиска и сократило машинное время на вычисление и вывод результатов.

Анализ диаграмм позволил установить области параметров динамических моделей, при которых возможен режим, напоминающий режим динамического гасителя для двухмассовой системы, а также режим механического фильтра низких частот, имеющих минимум передачи в зарезонансной зоне [57] . Установлены значения соотношений между инерционными коэффициентами, при которых возможен режим близкий к неустойчивому, а также режим работы в зарезонансной зоне. Показано, что при одинаковых статических прогибах и суммарной массе конструкции наиболее приемлемой для конструкции дробеметного аппарата является модель с жестким валом и корпусом подшипников, шарнирно закрепленном на основании и удерживаемом в положении устойчивого равновесия с помощью упругих опор. Доказано, что минимум функции передачи для принятой модели конструкции существует при соблюдении условия равенства нулю суммарной реакции опоры.

Производится сравнение приемлемого варианта жесткой конструкции на двух упругих опорах, полученной в первом разделе, с вариантом конструкции при закреплении в точке, полученном во втором разделе. Для чего находятся условия существования минимума функции передачи для конструкции на двух упругих опорах. Получены соотношения, при которых одновременно выполняются условия минимума сил и моментов сил, действующих на основание. Эти соотношения позволили при одинаковых значениях основных параметров выбрать оптимальный вариант конструкции с жестким валом и корпусом подшипников, закрепленном на основании с помощью упругой и шарнирной опор, причем шарнирная опора должна допускать по сравнению с упругой опорой незначительные, но строго определенные смещения в радиальном направлении.

Полученные соотношения являются общими и позволяют оценить качество конструкторской разработки других аналогичных роторов в смысле воздействия их на основание.

В третьей главе исследуются причины неравномерного износа лопаток дробеметного аппарата, которые приводят к сокращению срока службы до первого отказа. Исследуется случай, когда отказ может наступить как в результате износа одной из лопаток части ее массы, приводящего к ее поломке, так и при неполном ее износе, в результате возникновения суммарного критического дисбаланса ротора, вследствие неодинакового износа лопаток.

Доказано, что установочный эксцентриситет импеллера, а также динамическая амплитуда колебаний, возникающих в результате прецессии оси ротора, являются главными причинами неравномерного износа лопаток. Для конструкции ротора дробеметного аппарата, работающего на частоте, расположенной в дорезонансной зоне, неравномерность износа лопаток значительно выше, чем для конструкции ротора,работающего в зарезонансной зоне, что приводит к сокращению срока службы до первого отказа и наоборот, работа в зарезонансной зоне сокращает неравномерность износа, увеличивая тем самым срок службы до первого отказа.

Показано, что при определенных соотношениях радиальной скорости дроби в момент захвата ее импеллером и скорости паза импеллера, эффекты, связанные с неравномерностью износа лопаток, значительно увеличиваются. На основании этого делается вывод о выборе высоты питающего патрубка и определяется оптимальная область рабочей частоты дробеметного аппарата.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований вибраций, создаваемых различными типами дробеметных аппаратов.

Исследуется влияние конструкции очистной машины на уровень вибрации, создаваемой дробеметным аппаратом. Определены зависимости уровней вибрации от значений дисбаланса ротора и критические значения дисбаланса для различных конструкций очистных машин.

Проводился экспериментальный выбор оптимальной конструкции упругих опор, при которых вибрации, создаваемые дробеметным ал

•j паратом, минимальны. Проводится испытание опытной конструкции с уцругими опорами и сравнение ее характеристик с прототипом. Соотношения параметров, полученные для опытной конструкции при экспериментальных исследованиях,соответствовали полученным во второй главе критериям оптимальности параметров модели.

В пятой главе приводится метод расчета конструкционных параметров дробеметного аппарата, соответствующего критерию оптимальности. Соотношения между параметрами, удовлетворяющие оптимальному варианту, представлены в виде системы из пяти алгебраических уравнений.

Даются рекомендации по конструкции дробеметного аппарата на уцругих опорах. Определены требования к конструкции ограничителя, служащего для гашения резонансных колебаний во время разгона и выбега.

В заключении работы дана оценка результатов исследований.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Методика оптимального поиска параметров динамических моделей роторов из условия минимума передачи вибрационных нагрузок на основание.

2. Критерии оптимальности для параметров конструкции ротора с шарнирным 1феплением и конструкции ротора при креплении его на двух уцругих опорах.

3. Количественные и качественные оценки влияния эксцентриситета оси ротора, амплитуды и фазы колебаний ротора на неравномерность износа лопастей дробеметного аппарата.

4. Методика расчета конструкции дробеметного аппарата по полученным критериям оптимальности параметров.

Заключение диссертации по теме «Теория механизмов и машин», Лукьянов, Владимир Игнатьевич

ВЫВОДЫ

Исходя из условий получения минимальных динамических нагрузок и оптимальных режимов работы дробеметного аппарата с учетом действующих статических сил, определены соотношения между конструкционными параметрами, оптимальной варианта конструкции дробеметного аппарата на упругой опоре.

1. Ротор дробеметного аппарата должен устанавливаться на упругой опоре, обеспечивающей узел колебаний, расстояние которого до центра масс ротора должно определяться по формуле

J/MJS^ .

2. Жесткость заделки ротора в опоре определяется из условия, что резонансная частота системы ротор - опора равна половине значения рабочей частоты.

3. Дробеметный аппарат должен содержать ограничитель, величина зазора между ротором и ограничителями выбирается из конструктивных соображений.

4. Момент инерции ротора относительно точки закрепления должен быть не менее величины, определенной по формуле (5.20).

5. Для обеспечения оптимального режима работы, обеспечивающего максимальный срок службы до первого отказа дробеметного аппарата высота;питающего патрубка выбирается из соотношения, определяемого отношением радиуса дробинки к ширине паза импеллера и скоростью движения паза.

3 А К I 10 Ч Е Н И Е

1. Впервые предложена оригинальная методика поиска оптимального варианта конструкции дробеметного аппарата, в результате которого получена динамическая модель, установленная на одной упругой и другой шарнирной опорах, причем шарнирная опора допускает сравнительно незначительные, но строго определенные прогибы в радиальном направлении. Разработана методика расчета параметров конструкции дробеметного аппарата, удовлетворяющего критерию оптимальности.

2. Критерии оптимальности,полученные для конструкций кест-ких роторов, установленных на шарнирную и упругую опори, а также на дге упругие опоры, позволяют оценить при заданной плоскости приложения силы неуравновешенности динамическое воздействие аналогичных роторных конструкций на основание.

3. Установлено, что варианты конструкций с гибким валом и двухкаскадной системы виброизоляции для дробеметных аппаратов являются неоптимальными.

4. Впервые установлено, что эксцентриситет импеллера и амплитуда колебаний, возникающих в результате прецессионного движения ротора,являются главными причинами неоднородного износа лопастей ротора. Режим работы в зарезонансной зоне приводит к уменьшению неоднородности износа лопастей и, наоборот, к увеличению его при работе в дорезонансной зоне. Получена количественная оценка влияния эксцентриситета ротора на срок службы лопастей ротора.

5. Проведены экспериментальные исследования вибрации ротора дробеметного аппарата 2М393 при различных условиях заделки с целью определения оптимальной жесткости заделки. Оптимальный вариант заделки ротора, полученный при экспериментах, соответствовал критерию оптимальности, полученного теоретически.

6. Проведены измерения и сравнения уровней вибрации на различных конструкциях дробеметных аппаратов, в результате которых определены значения критических дисбалансов для. различных конструкций. 7. На базе конструкции модели 2М393 спроектирована и изготовлена опытная конструкция дробеметного аппарата с упругой опорой. Испытания опытной конструкции показали, что уровень шума и вибрации понизился по сравнению с прототипом не менее, чем на 15 дБ. Это позволило увеличить срок службы деталей дробеметного аппарата. Экономия лопаток в результате увеличения их срока службы составляет 12,8 %,

8. Подсчет экономической эффективности показал, что годовая экономия по заводу "Амурлитмаш" в результате увеличения срока службы шпинделя составляет около 140 тысяч рублей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лукьянов, Владимир Игнатьевич, 1983 год

1. Аксенов Н.П. Оборудование литейных цехов. - М.: Машгиз, т.2, 1939 г., с. 175-198.

2. Аксенов Н.П. Расчет основных видов литейного оборудования. -М.: Машгиз, 1947 г., с. 81-84.

3. Аксенов Н.Н. Некоторые вопросы теории машин литейного производства. М.: Машгиз, 1962 г., с. 192-208.

4. Аксенов Н.Н. Оборудование литейных цехов. М.: изд-во Машиностроение, 1968 г., с. 140-163.

5. Артоболевский И.И., Крейнин Г.В. и др. Выбор оптимальных параметров машин с помощью многомерных таблиц испытаний. М.: "Машиноведение", № 4, 1973 г., с.3-14.

6. Артоболевский И.И. Некоторые общие проблемы современной теории машин и механизмов. М.: "Известия ВУЗ", изд-во Машиностроение, 1972 г., с. 5-15.

7. Блехман И.И. Прикладные проблемы теории колебаний. М.: Наука, 1968 г., 318 с.

8. Богашев В.Д., Волосатов А.И. и др. Литейные машины и оборудование в капиталистических странах. Сб.статей под редакцией Егорова. -М.: ЦинТИАМ, 1963 г., с. 43-55.

9. Бухгольц Н.Н. Основной курс теоретической механики. М.: Наука, часть 2, 1969 г., с. 175.

10. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики. М.: Наука, т.2, 1971 г., с.314-319.

11. Борисов Д.С., Гусев В.П., Чернявский И.Т. Исследование на аналоговой вычислительной машине поперечных колебаний вала с диском. В сб. "Динамика машин".- М.: Наука, 1969 г., с.115—118.

12. Болотин В.В. Теория надежности механических систем с конечным числом степеней свободы. М.: изд-во АН СССР МТТ, № 5, 1965 г., 340 с.

13. Богомолов С.И., Савин В.П. О динамической оптимизации роторов газотурбинных двигателей. -Харьков: в сб."Динамика и прочность машин", вып.18, 1973г., с.36-30.

14. Бринев В.Д., Филиппов А.П. Оптимальное проектирование конструкций, имеющих заданные собственные частоты. М.: в сб. "Прикладная механика", вып.Ю, 1971г., с.40-45.

15. Брызгалов А.А. и др. Лопатки ротора дробеметного аппарата. А.с. 224329 (СССР) от 21.XI.68 кл.67. Опубл. в Б.И. 1970г., № 32.

16. Вильсон У.Кер. Вибрационная техника. М.: Машгиз, 1963 г., 415 с.

17. Ветвицкий, Холмогоров М.В. Машины для обработки дробью.- М.: "Литейное производство", №8, 1951 г., с.11-12.

18. Ганиев Р.Ф., Кононенко В.О. Колебания твердых тел., М.: Наука, 1976 г., 431 с.

19. Гуров А.Ф. Совместные колебания в газотурбинных двигателях.-М.: Оборониздат, 1962 г., 142 с.

20. Голоскоков Е.Г., Овчарова Д.К. Изгибные колебания горизонтального ротора за критической скоростью вращения. Харьков.

21. В сб."Динамика и прочность машин", вып.15, 1972г., с.109-115.

22. Глазман И.М., Манн В.Н. Отстройка виброзащитных систем как задача выпуклого программирования. М.: докл.АН СССР, т. 195, № 5, 1966 г., с.80-85.

23. Глазман И.М., Штейнвольф. Освобождение резонансно опасных зон от собственных частот вибрационной системы варьированием ее параметров. М.: АН СССР "Механика и машиностроение", № 4, 1967 г., с.115-121.

24. Григорьев Н.В. Нелинейные колебания элементов машин и сооружений. М.: Машгиз, 1961г., 255 с.

25. Гребенник В.М. Вопросы теории роторных метательных машин.-М.: "Литейное производство", № 5, 1958 г., с.13-16.

26. Геллер Р.Л. Некоторые вопросы теории рабочего процессе пескомета. М.: "Вестник машиностроения", № 5, 1952г.,с.20-24.

27. Диментберг Ф.М., Шаталов К.Т., Гусаров А.А. Колебания машин. -М.: Машиностроение, 1964 г., с. 130-154.

28. Ермольев Ю.М. Методы решения нелинейных экстремальных задач.-М.: "Кибернетика", № 4, 1966 г., с.1-17.

29. Журавлева А.И., Дмитренко В.А. Расчет критических скоростей роторов дискобарабанной конструкции.- Харьков: в сб. "Динамика и прочность машин", вып.II, 1970г., с.63-69.

30. Журавлева А.И. Взаимосвязанные колебания системы ротор-корпус газотурбинного двигателя. Харьков: в сб."Динамика и прочность машин", вып.16, 1972г., с.36-40.

31. Закабунин В.И., Соломин В.Ф. 0 движении жесткого неуравновешенного ротора, подвешенного на спаренных упругих лентах в балансировочном станке. В сб. "Динамика машин", М.: Наука, 1969, с.30-45.

32. Заргами М. Оптимальные частоты колебаний конструкции.- М.: "Ракетная техника и космонавтика", т.6, № 4, 1968г.,с.15-20.

33. Калинин Р.С. Износостойкость дробеметных лопаток. М.: "Литейное цроизводство", № 4, 1964г., с.33-36.

34. А.с. 261207. Дробеметный аппарат от 29.05.70г.,кл.67, опубл. в Б.И. 1972г., № 15 (автор Куборский Е.И.)

35. Кельзон А.С., Журавлев Ю.Н., Январев Н.В. Расчет и конструирование роторных машин Л.: 1977г., с. 190-195.

36. Кельзон А.С., Циманский Ю.П., Яковлев В.И. Динамика роторов в упругих опорах. М.: Наука, 1982г., с.10-30.

37. Кельзон А.С., Богород Э.Е., Клочков Б.Ф., Нефедьев В.Н., Яковлев В.И., Январев Н.В., Ярославцев Р.А. Авторское свидетельство на изобретение "Упругая опора" № 406048, опубл. Бюллетень № 45, 1974г.

38. Кушуль М.Я. Автоколебания роторов. М.: Изд-во АН СССР, 1963г., 250 с.

39. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики, т.2 М.: Гостехиздат, 19Б5г., 596 с.

40. Лукьянов В.И. и др. О возможности повышения долговечности дробеметных аппаратов за счет улучшения динамических характеристик. Материалы н-т совещания "Повышение надежности и точности машин и станков" Хабаровск: НТО Машпром, 1971н. с.25-28.

41. Лукьянов В.И. Оптимизация конструкции консольного ротора и выбор жесткости опор. Тезисы доклада Хабаровск: ХабИЖГа, 1974г., с.100-105.

42. Лукьянов В.И. и др. Исследование вибрации ротора дробеметного аппарата при различных условиях заделки в опоре.-М:"Литейное машиностроение", № 4, 1972г., НИИМаш, с.12-14.

43. Лукьянов В.И., Щукин Е.А. Отчет по НИР "Исследование параметров вибрации гамм дробеметных аппаратов", №Б248347, М.: ВНТИЦ, 1973г., с.50-100.

44. Лукьянов В.И. Согласование пьезодатчика с усилителем.

45. Свердловск: НТО Машпром, в сб."Использование виброизмерииспытаний „ ТПГ)0 0тельной аппаратуры в процессе изделии , 1973г. с.25-29.

46. Лукьянов В.И. Определение оптимальных соотношений параметров тела, закрепленного в точке, из условия экстремума передачи динамических нагрузок на основание.- М.: "Машиноведение",6, 1975г., с.36-41.

47. Лукьянов В.И. Условия минимума действия динамических нагрузок на основание модели конструкции диска с гибким валом. -М.: "Машиноведение", № I, 1979г., с.8-12.

48. А.с. II9099 (СССР). Балансирующее устройство дробеметного аппарата. (Менакер П.С., Нестеров Е.Н., Кон Ж.Г.) Опубл. в Б.И., 1962г., № 15.

49. Максимов С.П. Нахождение периодических движений жесткого симметричного вала. В сб.Динамика и прочность машин".- Л.: Труды ЛПИ, 1968г., с.18-29.

50. Метропольский М.Н. Применение теории матриц к решению задач строительной механики. М.: Высшая школа, 1969г., 85с.

51. Мулинов Н. Об определении собственных частот крутильных колебаний многомассовых систем текстильных машин.-"Машиностроение" № 9, М.: изд-вл ВУЗ, 1970г., ;с.58-63.

52. Назаров. Применение метода сопряженных параметров к задаче устойчивости свободных колебаний механических систем.-Харьков, в сб."Динамика и прочность машин", вып.Ю, 1969г.,с.65-7L

53. А.с. 218002 (СССР). Лопасть дробеметного аппарата. (Романов О.Б. и др.), от 26,07.68г., кл.67. Опубл.Б.И., 1971г. № 12.

54. Олимпиев В.И. О некоторых видах вибрации консольных роторов. М.: "Судостроение", № 3, 1957г., с.25-28.

55. Орлов Г.М. К теории рабочего процесса дробеметного колеса.-М.: "Литейное производство", № I, 1952г., с.13-14.

56. Орлов Г.М. Некоторые вопросы теории дробеметного колеса.-М.: "Литейное производство", № 6, 1952г.,с.9-10.

57. Орлов Г.М. Исследование рабочего процесса дробеметного колеса для очистки литья. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.- М.: 1952г., 163 с.

58. Растригин А.А. Статистические методы поиска. М.: Наука, 1968г., 250 с.

59. Пановко Г.Я. и др. Механический фильтр низких частот с нулем передачи в зарезонансной зоне. В сб."Виброизоляция машин и виброзащита человека-оператора" под ред.Фролова К.В.- М.: Наука, 1973г., с.44-46.

60. Понтрягин Л.С. Оптимальные процессы регулирования. В сб."Успехи математических наук", т.Х1У: вып. 1(85)- М.: 1959г.,с.105-124.

61. Саверин М.М. К вопросу расчета роторных дробеметов.-М.: "Вестник машиностроения", № 5, 1959г., с.62-68.

62. Саверин М.М. Дробеструйный наклеп.-М.: Машгиз, 1965г., 50с.

63. А.с.237014 (СССР). Турбина для дробеметного аппарата. (Се-денкин и др.), от 5.06.69г., кл.67Ь, опубл.1971г.,Б.И.,№5.

64. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы.Пер.-М.: Мир, 1971г., с.350.

65. Сорокин Е.С. Значение теории колебаний для инженерного дела. В сб."Теоретическая механика", М.: Высшая школа,1972г.,с.3-15.

66. Странхович О.А. и др. Экспериментальные исследования собственных частот колебаний двухопорного вала, имеющего диск на консоли. В сб."Механика и прикладная математика"- Л.: Труды ЛТИ, т.17, 1968г. с.81-87.

67. Чунаев М.В. Анализ факторов эффективности автоматических дробеметных установок.- М.: "Литейное производство", № 12, 1965г., с.23-24.

68. Шашин М.Я. Оценка эффективности обработки дробью на основе обобщенных параметров.-Л., 1966г., 28с.

69. Щукин П.Д. и др.Распределительный узел дробеметного колеса. А.с. 285442 от 12.03.71г. кл.067Ь. Опубл.1974г.,№ 7.б8* Just ruction ayid M/bp £icat £- oh $ .

70. Jixuei gjfjeth11- Со?*»}*?*", 'Щ Л

71. Чжу С.Я.,Прагер В. Последние достижения в оптимальном проектировании конструкций. В сб. переводов "Механика", -M.I969, № 6 (118). ^70, Ыяуи* J u st'iH , lfi&4.o<tion pioteLztio* sis te hit*. VfteictiLH^ c/zzing, ,

72. Oztog<>x) -(970, 42, J/Ц. 7Л Tcyicfi Л J/otci on tttz JWe ntifiemrtio^ o^r SuSjlofiMovict o^- Rotate.

73. УоигисхС vfa SoQticj anc( I/lotion /9?3j г/ов. J/o p. HS- /2?.