Методика автоматизированного проектного расчета ровничных рогулек с обеспечением их динамической сбалансированности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Балабаев, Петр Сергеевич

• Балабаев, Петр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Балабаев, Петр Сергеевич

Содержание.

Введение.

Актуальность темы.

Цель и задачи исследования.

Научная новизна.

Практическая ценность, реализация и внедрение результатов работы.

Публикации.

Апробация работы.

Объем работы.

1. Аналитический обзор и постановка задач исследования.

1.1. Анализ существующих конструкций рогулек.

1.1.1.Навесные рогульки.

1.1.2.Подвесные рогульки.

1.1.3.Рамные рогульки.

1.1.4.Подвесные рогульки с кольцом.

1.1.5.Колпачковые рогульки.

1.2. Технологические и эксплуатационные требования к рогулькам.

1.3. Расчет рогулек.

1.3.1 .Расчет на прочность и жесткость.

1.3.2.Расчет на уравновешенность и вибрацию.

1.4. Выводы по главе и постановка задач исследования.

2. Разработка методики автоматизированного проектного расчета рогулек

2.1. Постановка целей оптимизационных задач при проектировании рогулек

2.2. Разработка параметрической модели ветвей рогульки.

2.3. Формализация конструктивных и технологических ограничений, накладываемых на рогульку.

2.4. Выбор метода решения задач оптимизации.

2.5. Результаты численного моделирования с использованием предложенной методики.

2.6. Выводы по главе.

3. Уточненная методика определения силы прижима лапки рогульки к намотке.

3.1. Силовой расчет лапки.

3.2. Коэффициент трения лапки о намотку.

3.3. Разработка параметрической модели лапки.

3.4. Оценка влияния технологических факторов на силу прижима лапки к намотке.

3.5. Методика определения размеров лапки для обеспечения требуемой силы прижима.

3.6. Выводы по главе.

4. Разработка методики проверочного расчета рогулек.

4.1. Анализ численных методов расчета рогулек на прочность.

4.2. Проверочный расчет ветвей рогульки.

4.2.1.Вычисление эквивалентной распределенной нагрузки от сил инерции при вращении рогульки.

4.2.2.0собенности разбиения ветвей рогульки на конечные элементы. 105 4.2.3.Определение внутренних силовых факторов.

4.2.4.Расчет ветвей рогульки на прочность.

4.2.5.Расчет ветвей рогульки на жесткость.

4.2.6.Вычисление характеристик сечений.

4.3. Определение сил реакций опор рогульки.

4.4. Определение основных дисбалансов.

4.5. Определение дисбалансов от деформаций ветвей.

4.6. Выбор оптимального шага разбиения по длине ветви.

4.7. Выводы по главе.

5. Проверка адекватности разработанных моделей и алгоритмов.

5.1. Постановка эксперимента по определению деформаций ветвей рогульки

5.2. Сопоставление теоретического и экспериментального определения деформаций ветвей рогульки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика автоматизированного проектного расчета ровничных рогулек с обеспечением их динамической сбалансированности»

Актуальность темы

Кольцевая система прядения существует уже длительное время. При выработке пряжи средней линейной плотности её успешно заменила пневмомеханическая система прядения, имеющая более высокую производительность. Однако, при производстве пряжи малой линейной плотности и при переработке длинных волокон, кольцевая система прядения прочно сохраняет свои позиции. На сегодняшний день во всем мире, согласно [18], до 80% всей пряжи вырабатывается кольцевым способом. Согласно [55] фирма Thueringer Wollgarnspinnerei GmbH (Германия) установила у себя в 1997г. новую линию кольцепрядиль-ных машин модели 450 фирмы Zinser. Это подтверждает потребность прядильных фабрик в новых и модернизации уже существующих машин кольцевой системы прядения.

В настоящее время совершенствование кольцепрядильной системы происходит, в основном, по следующим направлениям:

1. Повышение производительности оборудования.

2. Уменьшение обрывности пряжи.

3. Увеличение степени автоматизации производства.

Основная цель — снизить себестоимость получаемой пряжи, которая на сегодняшний день остается довольно высокой. Однако при этом не должно страдать качество получаемой пряжи, являющееся достоинством кольцевого способа прядения. Так одним из достоинств пряжи, производимой кольцевым способом, согласно [27] является на 15 - 18% ее более высокая прочность, по сравнению с пневмомеханической.

В работе [18] ее авторы предлагают, изменив конструкцию крутильно-мотального механизма кольцевой прядильной машины, заменить трение скольжения в паре кольцо-бегунок на трение качения, что позволяет значительно увеличить производительность машины и упростить ее обслуживание, за счет некоторого усложнения конструкции самой машины.

Специфической особенностью кольцевого способа прядения является наличие ровничного перехода. С широким внедрением вытяжных приборов большой и сверхбольшой вытяжки, появилась тенденция к сокращению числа ровничных переходов, однако, при этом ухудшается качество ровницы (увеличивается неровнота). Для решения этой проблемы в ряде работ, например [24,25], предлагается установить на ровничную машину различные системы автоматического регулирования, изменяющие в процессе работы машины скорость впускной или выпускной пары цилиндров вытяжного прибора. Лучшие результаты по качеству вырабатываемой ровницы получены при регулировании скорости выпускной пары цилиндров, однако, в этом случае необходимо изменять и частоту вращения рогульки и катушки, причем отдельно для каждого выпуска. Это ведет к значительному усложнению конструкции ровничной машины. Если допустить вариацию крутки, то частоту вращения рогулек можно не изменять отдельно для каждого выпуска, что несколько упрощает систему регулирования. Применение современной элементной базы и использование бесконтактных исполнительных механизмов (на базе асинхронных [19] или шаговых [24] электродвигателей) открывает перспективу увеличения надежности и снижения стоимости подобных систем.

Повышению производительности ровничных машин, за счет увеличения скоростных параметров ее рабочих органов, препятствует ряд факторов:

1. Ограничение максимальной частоты вращения рогулек из условий их прочности и жесткости.

2. Ограничение максимальной частоты вращения рогулек из условия нормального протекания технологического процесса транспортирования ровницы по каналу в рогульке (отсутствие провисания или вылета ровницы и отсутствие скрытой вытяжки).

3. Ограничение максимальной частоты вращения паковок исходя из условий прочности витков ровницы на паковке (особенность: зависимость максимально допустимой частоты вращения от текущего радиуса наматывания). В настоящее время, фирма Ыеис1огГ-Ма1ег [52] (Германия) серийно выпускает подвесные рогульки для хлопка с закрытым каналом типа АС с предельной рабочей частотой вращения 2000 об/мин, а типа АО до 2500 об/мин. В СССР выпуском ровничных машин и рогулек к ним занимался завод Таштекстиль-маш. Максимальная частота вращения рогулек, которые выпускались в СССР, не превосходила 1500 об/мин. В настоящее время в России нет собственного производства рогулек и ровничных машин, хотя потребность в данных машинах существует. Это косвенно подтверждает актуальность проблемы проектирования новых рогулек с более высокими скоростными параметрами, что позволит повысить производительность ровничных машин.

При производстве рогулек используется трудоемкая в изготовлении и дорогостоящая оснастка (литейные формы, штампы). Производство рогулек становиться рентабельным только при серийном их выпуске. С другой стороны традиционные способы проектирования рогулек требуют выпуска нескольких опытных партий рогулек, для каждой из которых требуется изготовить собственную оснастку. Таким образом, повышение точности расчетов при замене натурных испытаний численным моделированием и степени автоматизации проектирования позволят ускорить процесс проектирования ровничных рогулек с более высокими техническими показателями.

В конце концов, создание более высокоскоростных рогулек позволит увеличить производительность ровничных машин, практически не отражаясь на стоимости последних.

Цель и задачи исследования Целью данной работы является повышение скоростных параметров ровничных рогулек за счет повышения точности и автоматизации их расчета на этапе проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1. Разработать математическую модель рогульки, позволяющую исследовать ее напряженно-деформированное состояние в процессе пуска, рабочего режима и останова машины.

2. Разработать алгоритм расчета ветвей рогульки на прочность и жесткость, пригодный для использования в оптимизационных моделях.

3. Разработать методику уточненного расчета силы прижима лапки к паковке с учетом влияния технологических усилий и деформации рабочей ветви.

4. Разработать методику, позволяющую проектировать лапки с желаемой зависимостью силы прижима от текущего диаметра паковки.

5. Разработать методику параметрической оптимизации размеров поперечных сечений ветвей рогульки с обеспечением ее динамической сбалансированности.

Научная новизна В отличие от всех предшествующих работ в области расчета рогулек, в данной работе впервые:

1. Разработана обобщенная математическая модель рогульки, позволяющая проводить автоматизированный проектный расчет с учетом воздействия на ее элементы технологических усилий в установившемся и в переходных режимах работы ровничной машины.

2. Разработана уточненная математическая модель силового взаимодействия лапки с паковкой учитывающая кроме сил инерции следующие факторы: силы трения лапки о паковку с ровницей; силы натяжения ровницы, при сходе с лапки; перемещение опор лапки вследствие деформации рабочей ветви; силы трения в опорах лапки.

3. Показано, что определение силы прижима лапки без учета действия на нее технологических усилий, занижает действительные значения в среднем на 10-20%.

4. Разработана параметрическая модель лапки, позволяющая определять при автоматизированном расчете размеры, обеспечивающие требуемую силу прижима ее к паковке.

5. Разработана методика оптимизации размеров балансной и рабочей ветвей рогульки, учитывающая условия их динамической сбалансированности прочности и жесткости.

6. Показано, что для некоторых рогулек ошибка определения максимального напряжения без учета кривизны ветвей может превосходить 30% и пренебрегать кривизной ветвей нельзя.

Практическая ценность, реализация и внедрение результатов работы Разработанные модели и алгоритмы могут быть положены в основу подсистемы САПР крутильно-мотальных механизмов ровничных машин. Применение такой САПР позволит проектировать ровничные машины с более высокими техническими показателями.

Предложенные в работе методики и алгоритмы расчета рогулек, реализованные в разработанном программном обеспечении, приняты к использованию в ООО «Союз-4» при ОАО «Костроматекстильмаш» для проектирования новых рогульчатых ровничных машин.

Публикации

Основные положения данной работы изложены в четырех статьях и трех тезисах докладов международных научно-технических конференций.

Апробация работы Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку:

• на международной научно-технической конференции «Текстиль-2001», Московский государственный текстильный университет, 2001 г;

• на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» (Лен-2002), Костромской государственный технологический университет, 2002г;

• на международной научно-технической конференции «Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и легкой промышленности» (ПИКТЕЛ-2003), Ивановская государственная текстильная академия, 2003г.

• на семинаре по теории механизмов и машин АН РФ (Костромской филиал) в 2003г.

Объем работы

Данная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. В первой главе приводятся краткий обзор современных ровничных машин. Кроме этого, в данной главе проведен анализ различных конструкций рогулек и существующих методов их расчета. Во второй главе кратко излагаются основные положения предлагаемой методики проектного расчета рогулек. Кроме этого в данной главе приводится описание разработанного метода оптимизации размеров поперечных сечений ветвей рогульки, который можно с успехом использовать при проектировании более высокоскоростных рогулек. В третьей главе представлена разработанная математическая модель лапки, которая позволяет учесть влияние различных, в том числе и технологических, факторов на силу прижима лапки к намотке. Представлена параметрическая модель лапки, позволяющая определять размеры лапки для получения требуемой силы прижима к намотке. В четвертой главе приводится уточненная математическая модель для расчета ветвей рогульки на прочность жесткость и сбалансированность, пригодная для расчета рогулек различных типов, в том числе и для переработки льна. В пятой главе производится сравнение результатов расчетов по созданным математическим моделям с экспериментальными данными, полученными как самим автором, так и другими исследователями. В приложении приведены фрагменты исходных текстов программ, реализующие алгоритмы, описанные в основной части работы. Наиболее сложные алгоритмы, связанные с решением оптимизационных задач, и, как следствие, требующие для выполнения много машинного времени, реализованы на языке программирования «С++». Сравнительно простые алгоритмы, только поясняющие отдельные выводы, изложенные в работе, Были реализованы в МаШСАОе и других пакетах прикладных программ. Кроме того, в приложении содержаться сведения, дополняющие и поясняющие отдельные моменты, кратко изложенные в основной части работы.

Основные положения диссертации были изложены в 6 опубликованных печатных работах [2-7].

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Балабаев, Петр Сергеевич

Общие выводы

1. Разработана методика автоматизированного проектного расчета рогулек ровничных машин с учетом их динамической сбалансированности.

2. Разработана обобщенная математическая модель рогульки, позволяющая исследовать ее напряженно-деформированное состояние в процессе пуска, рабочего режима и останова машины.

3. Разработана параметрическая модель лапки, позволяющая определять при автоматизированном расчете размеры, обеспечивающие требуемую силу прижима ее к паковке.

4. Показано, что большое влияние на силу прижима лапки к паковке оказывают, кроме инерционные сил, технологические факторы. Пренебрежение ими при расчете силы прижима занижает получаемое значение в среднем на 10-20%.

5. Разработана параметрическая модель лапки, позволяющая определить ее размеры и допуска на них для получения требуемой силы прижима к паковке с учетом технологических факторов.

6. С использованием разработанных математических моделей и алгоритмов, предложена конструкция рогульки, которая при увеличенной на 28% массе имеет на 38% большую максимальную рабочую частоту вращения по сравнению с прототипом — рогулькой РН-140.

Предложенные в работе методики и алгоритмы расчета рогулек, реализованные в разработанном программном обеспечении, приняты к использованию в ООО «Союз-4» (г. Кострома) при проектировании новых рогульчатых ровничных машин.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Балабаев, Петр Сергеевич, 2004 год

1. Бабаджанов С.Х. Разработка и исследование конструкций рогулек и закона регулирования частоты их вращения с целью повышения производительности ровничных машин. Дисс. к.т.н. Ташкент, 1986—198с.

2. Балабаев П.С., Соркин А.П. Анализ численных методов расчета рогулек на прочность. Вестник КГТУ. 2001, №3, с 56-58, 4 ил., табл. 1, Библ. 3.

3. Балабаев П.С., Соркин А.П. Расчет на прочность ветвей рогульки с несимметричным поперечным сечением. Вестник КГТУ. 2002, №5, с 61-65, 6 ил., Библ. 3.

4. Балабаев П.С., Соркин А.П. Оптимизация размеров поперечных сечений ветвей рогульки. Сборник научных трудов молодых ученых КГТУ. — Кострома, 2003. — Вып.4. Табл. 3, Библ. 2.

5. Балабаев П.С., Соркин А.П. Обобщенный алгоритм автоматизированного проектного расчета рогулек. Вестник КГТУ, 2003, №7, 2 ил., Библ. 1.

6. Бурман 3. И. Программное обеспечение матричных алгоритмов и метода конечных элементов в инженерных расчетах. — М.: Машиностроение, 1988 — 253с.

7. Бурнашев Р.З., Нестеров В.Т. Влияние точности монтажного напряжения в рогульках рамного типа. ЦНИИТЕПлегпищемаш, в сб. «Машиностроение для текстильной промышленности» серия А, №1, 1973.—с 12-14.

8. Бутовский М.М. Разработка обобщенной методики расчета рогулек ровничных машин и путей снижения нагрузок на опоры рогульчатых веретен. Дисс. к.т.н. Ташкент, 1986—202с.

9. Дьяконов В. П. Система МаШСАО: Справочник. — М.: Радио и связь, 1993 — 128с.

10. Копнин В. А. К построению модели напряженного состояния тела намотки //Вестник КГТУ 2002, №5, с.124.

11. Коритысский Я.И. Исследование некоторых вопросов механики рогульки высокоскоростного банкоброша. Дисс. к.т.н. 1949г.—195с.

12. Коритысский Я.И. Механическое исследование и расчет рогулек высокоскоростного банкоброша БВ-2. НИИЛТЕКМАШ М: 1949г.—430с.

13. Коритысский Я.И. Исследование динамики неуравновешенности рогулек ровничных машин и уточнение данных ОСТ. НИИЛТЕКМАШ М:1951.— 215с.

14. Коритысский Я.И., Захаров Т.Н., Поляковский Л.Ю. Приборы и установки для исследования текстильных машин. М.:Машгиз, 1958.—280с.

15. Коритысский Я.И. Динамика упругих систем текстильных машин. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. — 272с.

16. Курков В. В., Лабок В. Г. Новая кольцепрядильная система. http://www.textileclub.ru/science/science2.htm

17. Куриышев Б. С., Данилов С. П. Управление координатами асинхронного электропривода механизмов текстильных производств // Технология текстильной промышленности — Иваново, 2001. — №1, 81-85с.

18. Нестеров В.Т. Некоторые вопросы прочности, жесткости и динамики рогулек рамного типа. Дисс. к.т.н. М.: 1970г.—189с.

19. Павлов Г.Г. Аэродинамические основы безверетенных способов прядения. — М: Легкая и пищевая пром, 1982 — 166с.

20. Пекунов В.В., Ясинский Ф.Н. Сравнительная оценка моделей турбулентности в численном эксперименте // Технология текстильной промышленности — Иваново, 2001. — №6 с. 102-107.

21. Повицкий A.C. Влияние шлица для заводки ровницы на прочность рогульки.— М: Машиностроение для швейной пром. 1938№4—с.7-8.

22. Поляков К. А., Петелин Д. П. Автоматическая система регулирования частоты вращения катушек крутильно-мотального механизма рогульчатой ровничной машины //Технология текстильной промышленности — Иваново, 1999. —№1

23. Построение и анализ вычислительных алгоритмов/ под. ред. Ю.В. Мятиесевича. — М.:Мир, 1979 536с.

24. Преимущества пряжи кольцевого способа прядения/ Литвинова Г.В. // Формаш. Новости машиностр. Новости машиностр. для химических волокон и нитей. 1996. - прил. - с. 13-21.

25. Программирование в С++ Builder 5. М.: ЗАО «Изд-во БИНОМ», 2002 — 1152с.

26. Расчет и конструирование машин прядильного производства: Учебник для вузов под ред. А.И. Макарова — М:Машиностроение, 1981.—464с.

27. Рогулька для ровничных машин. Гладышев Г. М., Сабитов В. Г., Матвеев А. Ю., Папко Н. Г. 3-д "Таштекстильмаш". Авт. св. СССР, кл. D01H7/32, №461181, заявлено 25.06.73, опубликовано 9.07.75

28. Рогулька ровничной машины. Крупин В. В., Бородин В. И., Колобов Г. А. Всес. н.-и. и проект, ин-т титана. Авт. св. СССР, кл. 001Н7/32, №597757, заявл. 24.03.76, №2337645, опубл. 16.03.78

29. Рогулька ровничной машины. Соркин А. П„ Пайгин Ю. Ф., Гумановский М. Г., Арутюнов А. Г. Ташкент. СКБ текстильных машин. Авт. св. СССР, кл. 001Н7/32, №878816, заявлено 11.01.79, №2712609, опубликовано 7.11.81

30. Сергевнин И.В. Испытание банкоброшных веретен. М.-.Научно-исследовательские труды МТИ, т.УП.вып.6, 1938—с.94-117.

31. Сергевнин И.В. Сила давления рогульчатой лапки банкоброшной машины на ровницу. М.гНаучно-исследовательские труды МТИ, т.УП.вып.6, 1938— с.118-125.

32. Сергевнин И.В. Пути реконструкции рогулек банкоброшных машин хлопкопрядильного производства. Дисс. к.т.н. М: 1941—179с.

33. Сопротивление материалов / Под ред. акад. АН УССР Писаренко Г. С. — 5-е изд., перераб. и доп. — К.: Вища шк. Головное изд-во, 1986. — 775с.

34. Соркин А.П. Исследование намотки х/б ровницы без принудительного привода катушек на ровничных машинах. Дисс. к.т.н. Ташкент 1971.—175с.

35. Соркин А.П. Нестационарные процессы наматывания ровницы и повышение эффективности крутильно-мотальных механизмов ровничных машин. Дисс. д.т.н. 1988 — 400с.

36. Соркин А.П., Арутюнов А.Г., Глазов В.Г., Пайгин Ю.Ф. Основные направления развития ровничного оборудования (обзор). ЦНИИТЭИлегпище-маш 1978—52с.

37. Соркин А.П., Беляков А.Н., Якубов Д.Я. Экспериментальное определение силы прижима лапок к катушкам разных типов. ЦНИИТЭПлегпром. М:Прядение, 1970 №8 с13-17.

38. Справочник по математике (для научных работников и инженеров) Г. Корн, Т. Корн — М.: Наука, 1977, — 832с.

39. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела: Сопротивление материалов с элементами теории сплошных сред и строительной механики. Т.2 — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1978,616с.

40. Эфрос JI.E. Конструктивный расчет банкоброша хлопкопрядильного производства. Дисс. к.т.н. — М.:1941. — 179с.

41. Эфрос JI.E. Механика и конструктивные расчеты ровничных машин. М:Машиностроение, 1967,—199с.

42. Ailette de renvidage de banc à broches N. Schlumberger & Cie. Франц. заявка, кл. D 01 H 7/26, № 2273891, заявл. 6.06.74, № 7419560, опубл. 2.01.76 Ил. 8.

43. Brucker Antal, Veres János. Kisérleti tapasztalatok az ún. "F" (Fransbach) fluer-szárnnyal. "Magy. textiltechn.", 1974, 27, №8, c.412-416 (венг.; рез. рус., нем., англ.)

44. Dörre Е. Lösungen von Verschlei problemen an Werkzeugen und Maschinenelementen mit oxidkeramischen Werkstoffen. "Schmiertechn.+Tribol.", 1978, 25, №1, c.20-22 (нем.)

45. Flyer. — Zinser Textilmaschinen GmbH. Заявка 3011367, ФРГ. Заявлено 25.03.1980, №P3011367.8, опубликовано 01.10.1981. МКИ DOlHl/04, D01H7/50

46. Flyerflügel. Novak Peter, Tanner Bruno; Machinenfabrik Rieter AG Патент 637998, Швейцария. Заявлено 09.07.1979, №6377/79, опубликовано 31.08.1983. МКИ DO 1Н7/32

47. Güttier Hermann. Vorspinnmashine Zinser textilmashinen GmbH. Пат. ФРГ, кл. 76C1/00 (D01H7/32), №1535031, заявлено 12.11.62, опубликовано 11.07.74

48. Nesterov V, Oussenko V, Chemani В. Recherche sur les ailettes moulees du mécanisme de renvidage du banc a broches moderne. Algerie, JNJL, 1981r.

49. The reason why Neudorf-Maier-Flyers are so important for different types of roving flames / Spindel fabrik Neudorf GmbH. Neudorf, s.a. 1998, - 4c: ил.

50. Vorspinnmaschine. Herdtie Heinrich, Weeger Hans-Peter. Zinser Textilmaschinen GmbH. Заявка ФРГ, кл. D01H7/32, №3004165, заявлено 05.02.80, опубликовано 13.08.81

51. Zinzer-Auftray aus Thüringen // Melliand Textilber. 1997. - 78, №10 -c.664. - Нем.