Разработка конструктивных схем и динамический анализ текстильных роторных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Коузи Хассан Джамиль

• Коузи Хассан Джамиль
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коузи Хассан Джамиль

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТИПЫ КОНСТРУКЦИЙ ТЕКСТИЛЬНЫХ РОТОРОВ И ОБЗОР ПАТЕНТНОЙ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Обзор и анализ существующих конструкций веретен.

1.2. Обзор и анализ конструкций прядильных камер.

1.3. Краткий обзор методов исследования роторных систем

1.4. Направления совершенствования конструкций роторов текстильных машин.

Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗА ДИНАМИКИ ЖЕСТКИХ РОТОРОВ, ВРАЩАЮЩИХСЯ ВОКРУГ НЕПОДВИЖНОЙ ТОЧКИ.

2.1. Определение геометрических и кинематических характеристик жесткого вертикального ротора, вращающегося вокруг неподвижной точки.

2.2. Составление уравнений движения жесткого вертикального ротора, вращающегося вокруг неподвижной точки.

2.3. Результаты численного решения уравнений движения жесткого вертикального ротора и их анализ.

2.4. Составление и анализ уравнений движения жесткого горизонтального ротора, вращающегося вокруг неподвижной точки.

2.5. Уравнения движения произвольно ориентированного жесткого ротора, вращающегося вокруг неподвижной точки.

Выводы.

ГЛАВА 3.

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ УПРУГИХ СВЯЗЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИЖЕНИЯ ЖЕСТКОГО РОТОРА

3.1. Влияние упругих связей на динамические характеристики ротора со сферической опорой.

3.2. Линеаризация уравнений движения ротора с упругими связями и анализ возможностей использования линеаризованных уравнений.

3.3. Динамический анализ веретена ВТК-45-IV.

3.4. Анализ однородной системы уравнений веретена.

3.5. Результаты анализа стационарного и нестационарного движения веретена с учетом его неуравновешенности

Выводы. •

ГЛАВА 4.

ГЛАВА 4. ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ РОТОРНЫХ СИСТЕМ, СОСТОЯЩИХ ИЗ ДВУХ УПРУГО СОЕДИНЕННЫХ РОТОРОВ.Ю

4.1. Сравнение подшипниковых и дисковых опор роторных систем.

4.2. Анализ динамических характеристик роторной системы с приводным и рабочим роторами, соединенными между собой посредством упругого сферического шарнира.Ю

4.3. Анализ динамических характеристик роторной системы с рабочим ротором, упруго установленным на оси приводного ротора

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка конструктивных схем и динамический анализ текстильных роторных систем»

В текстильной промышленности для выполнения процессов кручения it наматывания используются разнообразные конструкции веретен, центрифуг, прядильных камер, вьюрков, бобинодержателей, и др. Эти механизмы относятся к классу высокоскоростных роторных систем и от стабильности их работы во многом зависят качество пряжи, производительность оборудования, его надежность и долговечность. Повышение технического уровня технологических роторных систем является актуальной задачей текстильного машиностроения, для решения которой необходимо развитие методов моделирования и анализа динамических характеристик быстровращающихся роторов.

Рабочие скорости текстильных роторов постоянно растут и в настоящее время частоты вращения веретен могут превышать 15000 мин"1, а прядильных камер -100000 мин"1. В этих условиях важное значение приобретают вопросы обеспечения долговечности подшипниковых опор, для чего необходимо решить задачи уменьшения относительных скоростей вращения элементов в опорных узлах и снизить уровень вибраций роторной системы в целом. Задача уменьшения относительных скоростей вращения в настоящее время успешно решается за счет применения дисковых опор, а для снижения уровня вибраций необходимы разработка рациональных конструктивных схем роторов и эффективных методов их динамического анализа.

В связи с этим в настоящей диссертации решались задачи динамического анализа текстильных роторов в условиях стационарных и нестационарных режимов, движения с использованием линейных и нелинейных математических моделей. Для практической реализации теоретических методик разработано программной обеспечение, способствующее сокращению сроков и повышению технического уровня проектно-конструкторских работ.

Целью диссертации является разработка и динамический анализ конструктивных схем текстильных роторов, обеспечивающих снижение виброактивности и улучшение эксплуатационных характеристик крутильно-формирующих органов текстильных машин.

Основными задачами исследования являются:

1. Анализ существующих конструкций веретен и прядильных камер, определение направлений развития конструкций текстильных роторных систем и методов их расчета.

2. Разработка (на примере ротора со сферической опорой) алгоритмов и выделение основных этапов динамического анализа роторных систем численными методами.

3. Оценка возможности использования динамической модели жесткого ротора с упругими опорами для исследования динамических характеристик веретен. Математическое и численное моделирование стационарных и нестационарных режимов движения веретен.

4. Разработка и динамический анализ конструктивной схемы роторной системы (прядильной камеры), содержащей приводной ротор с упругими опорами и рабочий ротор, соединенный с приводным посредством упругого сферического шарнира.

В работе используются методы теоретической механики, теории колебаний и динамики машин. Математический анализ динамических моделей основан на теории линейных и нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, при решении которых используются численные методы компьютерного анализа.

Достоверность полученных результатов подтверждается научным обоснованием разработанных динамических моделей, машинными экспериментами и сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, имеющимися в специальной технической литературе.

В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Для описания стационарного и нестационарного движения ротора, произвольно ориентированного в пространстве, получена система нелинейных дифференциальных уравнений, на основе которой численными методами могут быть изучены все необходимые динамические характеристики ротора. Показано, что для ротора, свободно вращающегося вокруг неподвижной точки, линеаризация уравнений движения допустима только в случаях малых начальных отклонений и при скоростях собственного вращения, значительно превышающих минимальную скорость вращения, при которой движение ротора становится устойчивым.

2. Расчетным путем установлено, что наличие в роторной системе упругих связей (например, опоры веретен и прядильных камер) позволяет без существенной потери точности использовать линеаризованные уравнения движения.

3. Показана эквивалентность моделей веретен типа ВТК , составленных с учетом и без учета упругих свойств шпинделя веретена, что подтверждено сопоставлением результатов теоретического и экспериментального определения критических скоростей вращения веретен с упругими опорами

4. Разработана конструктивная схема прядильной камеры, состоящая из приводного и рабочего роторов, соединенных между собой упругим сферическим шарниром, движение которых описывалось системой шести дифференциальных уравнений второго порядка. На основе динамического анализа для данной роторной системы определены значения параметров, при которых достигается существенное снижение нагрузок в опорах приводного ротора.

Все теоретические положения диссертации реализованы в виде отлаженных на ПЭВМ программ, использование которых позволяет снизить затраты труда и времени на проектирование текстильных роторных систем. Практическую ценность представляют также разработанная новая конструктивная схема роторной системы, содержащая упруго связанные приводной и рабочий роторы.

В соответствии с поставленными задачами материалы диссертации излагаются в следующей последовательности.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, отмечены научная новизна и практическая значимость, приведено краткое содержание глав диссертации.

В первой главе дан обзор и проведен аналнз существующих конструкций веретен и прядильных камер. Отмечено, что для обеспечения надежности и долговечности роторных систем на высоких рабочих скоростях необходимо решить две главные задачи: во-первых, снизить величины относительных скоростей в подшипниковых опорах, и, во-вторых, ограничить уровень вибраций. Результаты анализа позволили сделать вывод о перспективности использования дисковых опор и необходимости разработки динамических моделей роторов с различными степенями детализации реальных конструкции веретен и прядильных камер.

Вторая глава посвящена исследованию ротора, вращающегося вокруг неподвижной точки. При этом последовательно рассматриваются роторы с вертикальной, горизонтальной и произвольно ориентированной в пространстве осями вращения Данная задача связана с тем, что в текстильном машиностроении применяются роторы, расположенные вертикально, горизонтально или наклонно. Составлены дифференциальные уравнения движения роторов и разработаны методики их численного решения с помощью разложени-ия в ряды Тейлора. Приводится методика определения скоростей прецессии и траекторий центров масс роторов.

В третьей главе рассматриваются схемы роторов с дополнительными упругими связями. На примере анализа динамической модели веретена ВТК-45-IV разработана методика исследования стационарного н нестационарного движения роторов и методика численного построения резонансных кривых и определения критических скоростей веретен и запретных зон их рабочих скоростей. Большое внимание уделено разработке методик определения частот колебаний роторов с учетом скорости их вращения, а также определению критических скоростей вращения различными способами, что способствует повышению степени достоверности получаемых результатов.

Четвертая глава посвящена разработке конструктивной схемы и динамическим исследованиям ротора прядильной камеры. В исследуемой конструкции приводной ротор, установленный в упругих опорах, с помощью упругого сферического шарнира соединен с рабочим ротором. Показано, что разделение роторной системы на две, упруго соединенные части, позволяет существенно снизить нагрузки в опорах приводного ротора и одновременно выровнять величины этих нагрузок. Исследуются также модели, описывемые системами, содержащими восемь дифференциальных уравнений.

В конце диссертации приведены основные результаты и выводы.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Коузи Хассан Джамиль

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

В диссертационной работе получено научно обоснованное техническое решение важной для текстильного машиностроения задачи, использование которого способствует совершенствованию конструкций и методов расчета текстильных роторных систем. Разработанные динамические и математические модели, а также их программное обеспечение позволяют учесть при проектировании основные факторы, влияющие на динамические характеристики роторных систем (веретен, прядильных камер и т.д.), за счет чего достигается повышение технического уровня и эксплуатационных показателей прядильного оборудования.

Результаты, полученные при проведении исследований, позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Разработана методика численного анализа динамических характеристик роторов, произвольно ориентированных в пространстве, основанная на использовании систем нелинейных дифференциальных уравнений движения, что, в частности, позволяет использовать единое программное обеспечение для исследования роторов с вертикальными и горизонтальными осями вращения.

2. Установлено, что наличие в технологических роторных системах упругих связей (например, упругих опор веретен и прядильных камер) позволяет при выполнении теоретических исследований динамики роторов без существенной потери точности использовать для анализа стационарных и нестационарных режимов движения линеаризованные системы дифференциальных уравнения.

3. Показана эквивалентность моделей веретен типа ВТК, составленных с учетом и без учета упругих свойств шпинделя веретена, что подтверждено сопоставлением результатов теоретического и экспериментального определения критических скоростей вращения веретен с упругими опорами

4. Разработана конструктивная схема прядильной камеры, состоящая из приводного и рабочего роторов, соединенных между собой упругим сферическим шарниром, движение которых описывается шестью дифференциальными уравнениями второго порядка. Анализ динамики данной роторной системы показал, что она позволяет существенно разгрузить опоры приводного шпинделя от действия нагрузок, обусловленных статической и динамической неуравновешенностями рабочего ротора.

5. С увеличением числа степеней свободы динамических моделей веретен и прядильных камер повышается степень соответствия моделей и реальных конструкций, что позволяет повысить точность теоретических расчетов и дает возможность исследования различных вариантов схем роторных систем.

6. Для снижения уровня нагрузок в опорах быстровращающихся роторов целесообразно соединение приводного и рабочего роторов производить с помощью упругих элементов, обладающих малой жесткостью.

7. Разработанные алгоритмы и пакет вычислительных программ позволяют снизить затраты труда и времени на проектирование текстильных роторных систем с улучшенными динамическими характеристиками.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коузи Хассан Джамиль, 2008 год

1. Корнев И.В., Щукин А.И., Лебедева Н.Н. Веретена, центрифуги, прядильные камеры текстильных машин. М., «Легкая индустрия», 1978, 128 с.

2. А.с. № 831,А2. Республика Армения. Опорный узел прядильн-крутильного веретена./Папоян А. Р. Опубл. 22.06.2000г., Пром. собственность.-№2, -132с.

3. Spinn-und Zwirnspindel. SKF Kugellagerfabriken GmbH. Заявка ФРГ, кл. D 01 Н 7/12, № 2928723, опубл. 29.01.81.

4. Опора шпинделя. Югэн кайся итикава тэккосё. Япония, кл. D 01 Н 7/12, F 16 С 35/08, № 55-36347, опубл. 13.03.80.

5. Walzenlagemng fur hochtourige Textilmaschinen. Патент ГДР, кл. 76с, 12/05, (D01 h),№ 76914, опубл. 5.10.70.

6. Device for supporting a spindle of an open-end spinning apparatus. K. lc. Toyoda Jidoshokki Seisakusho; Daiwa Boseki k. k., Пат. США, кл. 57-58-89, (D 01 H 7/12), № 3981132, опубл. 21.09.76, № 48-78070, Япония.

7. Support means for textile spindles and rotors having anti-friction bearings Kugelflacher Georg Schafer & Co., Пат. США, кл. 308-152, (F 16 С 19/10), № 4022515, опубл. 10.05.77.

8. Lager fur einen Spinnrotor. SKF Kugellagerfabriken GmbH. Заявка ФРГ, кл. D 01 H 04, № 2840657, опубл. 27.03.80.

9. Lagerung fur mit holier Drehzahl rotierende, horizontale Spindeln von Spinnturbinen. Dornier System GmbH., Патент ФРГ, кл. D 01 H 7/04, D 01 H 7/12, № 2517973, опубл. 30.10.80.

10. И. Yaida Osaniu, Horikawa Akira. Air jet driven open-end spinning. Technol. Repts Osaka Univ. 1976, 26,№ 1308-1336, 575-582 (англ.)

11. Опора прядильной камеры. Ямато босэки к. к., к. к. Тоёта дзидо сёкуки сэйсакусё. Япон. заявка, кл. 43 В 22, (D 01 Н 1/12), № 52-140635, опубл. 24.11.77.

12. Lageranordnung fur eine Offenend-Spinnvorriclitung: Заявка 19827606 Германия, МПК6 D 01 Н 4/12/ Coenen Norbert; W. Schlafhorst AG & Co.- № 19827606.0; Заявл. 20.06.1998; Опубл. 23.12.1999.

13. Einzelmotorischer Antrieb eines schafitlosen Spinnrotors einer Offenend-Spinnmaschine: Заявка 4409992 ФРГ, МКИ6 D 01 H 4/14/ Paweletz Anton ; SKF Textilmaschinen-Komponenten GmbH.-№ 4409992.4; Заявл. 23.03.94; Опубл. 28.09.95.

14. Макаров А.И. и др. Расчет и конструирование машин прядильного производства. Под общ. ред. А.И. Макарова 2-е изд., перераб.-М.: Машиностроение, 1981.-464 с.

15. Lagerung fur einen fest mit einem Schaft verbundenen Rotor iencr Offenend-Spinnmaschine Industricwcrk Schaeffler oHG. Заявка ФРГ, кл. D 01 H 7/04, № 2911894, опубл. 9.10.80.

16. Опора прядильной камеры. Хасэгава Дзюидзо, Кавабата Юкн, Мимура Нобухару; К. к. Тоёдо тюо кэнкюсоё.Япония. № 58-136472, опубл. 9.02.85. МКИ F 16 С 32/00, D 01 Н 1/241.

17. Гробов В.А. Асимптотические методы расчета изгибных колебаний валов турбомашии. Изд. АН СССР, 1961.

18. Патент ЧССР, кл. 76 с,25, № 101421, 15.10.61.

19. Опора прядильной камеры. Цукумо Дзэндзабуро, Вальтер Кайзер Эну Тэ Эну Toe бэарингу к.к.. Японский пат., кл. 43 В 04, (D 01 Н 7/04), № 53-27379, заявл. 4.10.74, № 49-114979, опубл. 8.08.78.

20. Каргин В.М., Поляков В.К. Новая конструкция опоры прядильной камеры пневмопрядильной машины. Ленинградский межотраслевой территориальный центр научно-технической информации и пропаганды. Информационный листок № 881-79, 1979.

21. Rankine Mg. Centrifugal Whirling of Shafts. The Engineer, XXVI, 9 apr., 1869.

22. Жуковский H.E. Об упругой оси турбины Лаваля и об осях с качающимися подшипниками. Полное собр. соч.- М.- Л.: Гостехиздат, 1949 ,т. 3 —700с.

23. Капица П.Л. Устойчивость и переход через критические обороты быст-ровращающихся роторов при наличии трения. Журн. техн. физики 1939, IX, вып. 2.

24. Крылов А.Н. Об определении критических скоростей вращающегося вала. -Собр. трудов, 1937, т. 5.

25. Крылов А.Н. О динамическом уравновешивании роторов гироскопов. -Собр. трудов, 1937, т. 5.

26. Николаи Е.Л. К теории гибкого вала. Труды Ленинградского индустр. инта, № 6, разд. Физ.-мат. наук, вып., 3, 1937.

27. Диментберг Ф.М. Изгибные колебания вращающихся валов. М.: АН СССР, 1959.-247 с.

28. Диментберг Ф.М., Шаталов К.Г., Гусаров А.А. Колебания машин. М.: Машиностроение, 1964. —307 с.

29. Гусаров А.А., Диментберг Ф.М. Об уравновешивании гибких валов. -Вестник машиностроения, 1959, № I.

30. Гусаров А.А., Диментберг Ф.М. Изгибающие усилия в гибком вале, вызванные силами неуравновешенности. Сб. «Вопросы прочности материалов и конструкций», Изд. АН СССР, 1959.

31. Кушуль М.Я. Поперечные колебания вращающихся валов при наличии внутреннего и внешнего трения. Изв. АН СССР, ОТН, 1954, № 10.

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

33. Малышев А.П. Веретено. -М.: Гизлегпром, 1950, 239 с.

34. Коритысский Я.И. Исследование динамики и конструкций веретен текстильных машин. М.: Машгиз, 1963. - 643 с.

35. Коритысский Я.И. Колебания в текстильных машинах. М.: Машиностроение, 1973, 319 с.

36. Коритысский Я.И. Вибрация и шум в текстильной и легкой промышленности. М.: Легк. индустрия, 1974. - 326 с.

37. Коритысский Я.И. Динамика упругих систем текстильных машин.-М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1982, 272 с.

38. Вибрации в технике, Спр.- Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов. М.: Машиностроение, 1981, 456 с.

39. Мазин Л.С., Климов В.А. Об оптимизации некоторых параметров фрикционных намоточных механизмов. Машиноведение. АН СССР, № 4, 1983.

40. Поляков В.К., Гальчук Т.А. Анализ процесса взаимодействия конической паковки с фрикционным цилиндром. — Вестник Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна, № 4, 2000.

41. Регельман Е.З., Рокотов Н.В. Приемные механизмы машин для производства химических волокон / Под ред. Регельмана Е.З. Л.: Изд. ЛГУ, 1988,248 с.

42. Вульфсон И.И. Динамические расчеты цикловых механизмов. «Машиностроение». Л., 1976, 328 с.

43. Лойцянский Л.Г., Лурье А.И. Курс теоретической механики. Т.2- М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1983.-640 с.

44. Смирнов В.И. Курс высшей математики. Т. 2. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1974, 656 с.

45. Папоян А.Р., Поляков В.К. Высокоскоростные роторы текстильных машин. Направления совершенствования конструкций и методов расчета. Ереван.: Наири,2003. 108 с.