авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка конструктивных схем и динамический анализ текстильных роторных систем

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Коузи Хассан Джамиль

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ И ДИНАМИЧЕСКИЙ

АНАЛИЗ ТЕКСТИЛЬНЫХ РОТОРНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.02.13-Машины, агрегаты и процессы

(легкая промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2008

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна

Научный руководитель-

доктор технических наук, профессор Поляков Владимир Константинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Смирнов Игорь Николаевич

кандидат технических наук, профессор Волков ВладимирВасильевич

Ведущая организация-

ОАО «Машиностроительное объединение им. К. Маркса»

Защита состоится 16 июня 2008 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.236.02 при Государственном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна»

(г. Санкт-Петербург, 191186, ул. Большая Морская, 18, ауд. 241)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «15» мая 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Сигачева В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В текстильной промышленности для выполнения процессов кручения и 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.



Цель и задачи работы. 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.

Методы исследований. 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.

Научная новизна. 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 ВТK, 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.

Практическая значимость результатов работы. 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.

Методы расчета динамических характеристик и соответствующие программы для ПЭВМ используются в учебном процессе на кафедре «Машиноведения» Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна при подготовке студентов специальности 170700 «Машины и аппараты текстильной и легкой промышленности» и направления 551800 «Технологические машины и оборудование». (Курсы «Динамика машин отрасли», «Проектирование машин отрасли», курсовое и дипломное проектирование).

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Дни науки», СПГУТД (2005-2007 г.г.), на научных семинарах кафедры «Машиноведение» СПГУТД (С-Петербург, 2005-2008 г.г.).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 3 печатные работы, из них 1 статья опубликована в журнале, входящем в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 126 страниц, 49 рисунков, список литературы из 47 источников. В приложении приведены тексты программ, разработанных в среде Matlab.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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 анализ существующих конструкций веретен и прядильных камер. Отмечено, что проектирование роторных систем связано с необходимостью решения задачи повышения уровня надежности и долговечности опор вращающихся роторов, что обусловлено постоянным ростом рабочих частот вращения текстильных роторных систем.

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.

Поэтому поиск технических решений, обеспечивающих высокую надежность опорных узлов, следует считать одним из основных направлений совершенствования рабочих характеристик текстильных роторов. В этом направлении был выполнен ряд исследовательских работ по созданию конструкций прядильных камер с газодинамическими, магнитными и комбинированными опорами, что позволило достичь частот вращения роторов порядка 100000 мин-1 и выше. Наиболее эффективным решением данной проблемы следует считать разработку различных конструкций дисковых опор для шпинделей веретен и прядильных камер, что позволило снизить окружные скорости в подшипниках качения до уровня, обеспечивающего их высокую надежность и долговечность.

Теория роторных систем создана трудами А.Н. Крылова, Е.Л. Николаи, Ф.М. Диментберга, А.С. Кельзона, Ю.А. Митропольского, Э.Л. Позняка, В.И. Яковлева и других известных ученых.

Непосредственно изучению вибраций текстильных роторных систем посвящены работы Я.И. Коритысский, А.П. Малышев, А.И. Макаро­в, Л.С. Мазин, И.И. Матюшев, Э.А. Попов, А.Ф. Прошков, Е.З. Регельман и др.

В работе также использовались результаты трудов по теории колебаний и динамике машин И.М. Бабакова, И.И. Вульфсона, М.З. Коловского, Я.Г. Пановко и др.

Анализ конструкций и научных работ, посвященных исследованиям текстильных роторных систем, показал, что в дальнейшем представляется целесообразным проведение исследовательских работ по унификации текстильных роторных систем, что может быть осуществлено за счет разделения их приводных и рабочих частей.

При этом приводная часть может быть выполнена в виде вращающегося в дисковых опорах ротора, заключенного в отдельном корпусе. К консольной части приводного ротора, выступающей из корпуса, с помощью промежуточного упругого элемента подсоединяется рабочая часть ротора, выполняемая в зависимости от назначения в виде веретена или прядильной камеры.

Отметим, что описанная схема роторной системы нуждается как в конструкторской проработке, так и в теоретическом исследовании ее динамических характеристик, проведение которого является одной из основных задач диссертации.

Вторая глава посвящена исследованию ротора, вращающегося вокруг неподвижной точки. При этом последовательно рассматривались роторы с вертикальной, горизонтальной и произвольно ориентированной в пространстве осями вращения Постановка данной задачи связана с тем, что в текстильном машиностроении применяются роторы, расположенные вертикально (веретена), горизонтально (прядильные камеры) или наклонно (вьюрковые механизмы и др.). При этом целесообразно использовать общие методики и программное обеспечение для расчета динамики роторов при их произвольном расположении в пространстве.

В качестве исходной была принята схема ротора с вертикальной осью вращения, а неподвижная система координат выбиралась так, чтобы в начальном положении ось ротора лежала в плоскости . Тогда, начальная ориентация ротора в пространстве определяется только углом , а угол . (Рис. 1.).





Отсчет текущих значений координат производится от начального положения ротора, за счет чего при решении технических задач обеспечивается малость значений текущих координат и, следовательно, повышается точность численного решения дифференциальных уравнений.

Для определения геометрических и кинематических характеристик ротора предварительно с помощью последовательных поворотов координатных осей находилась связь между ортами выбранных систем координат:

Повороты на углы и :

(1)

Повороты на углы и :

(2)

В соответствии с рис. 1 из равенств (1), (2) были получены вектор абсолютной угловой скорости ротора в проекциях на оси подвижной системы координат (3) и вектор , определяющий положение центра масс ротора С в неподвижной системе координат (4).

(3)

(4)

Равенства (3), (4) использовались для нахождения кинетической и потенциальной энергий, после подстановки которых в уравнение Лагранжа второго рода были получены уравнения движения ротора в виде:

(5)

(6)

В предыдущих уравнениях обозначено: - соответственно экваториальный и осевой моменты инерции массы ротора, - масса ротора, - ускорение свободного падения, , - коэффициент линейного демпфирования, - заданные законы изменения угловой скорости и углового ускорения собственного вращения ротора.

Величины , стоящие в правых частях уравнений (3), (4), являются моментами, действующими на ротор в результате наличия у него статической и динамической неуравновешенностей. Эти параметры определяются эксцентриситетом и углом между главной центральной осью инерции ротора и осью вращения.

(7)

(Здесь- угол между векторами статической и динамической неуравновешенностей ротора.).

Система нелинейных дифференциальных уравнений (5), (6) описывает как стационарное, так и нестационарное движение ротора. Все необходимые характеристики движения ротора находились посредством численного решения данной системы уравнений.

Углы прецессии , характеризующие движение проекции оси ротора на плоскость , и углы нутации , определяемые как углы между осью ротора и осью находились из равенств:

. (8)

В целом результаты численного анализа позволили сделать заключение, что в роторных системах технического назначения (веретена, прядильные камеры) определяющее влияние на динамические условия работы ротора оказывает нутационное (колебательное) движение. При численном анализе целесообразно последовательно выполнять следующие этапы:

- численное определение обобщенных координат,

- определение пространственной траектории центра масс ротора, а также проекций этой траектории на координатные плоскости,

- определение характеристик прецессионного и нутационного движений оси ротора,

- определение частотных спектров изменения переменных, описывающих различные характеристики движения ротора.

В третьей главе рассматриваются схемы роторов с дополнительными упругими связями, которые в различных видах всегда входят в состав технологических роторов. Сначала изучалась простейшая модель ротора такого типа, отличающаяся от схемы, изображенной на рис.1, только наличием одной дополнительной упругой связи. Соответственно уравнения движения (9) для данного случая отличаются от уравнений (5), (6) только членами, содержащими коэффициенты демпфирования и жесткости :

(9)

(- расстояние от опоры О до точки крепления упругой связи.).

Решение системы (9) показало, что в случае прецессионное движение ротора при наличии упругой связи соответствует прямой прецессии, то есть является таким же, как и при отсутствии упругих связей. Если же , то прецессия ротора с упругой связью становится обратной. Поскольку введение упругих связей обеспечивает устойчивость положения статического равновесия ротора, а при больших скоростях вращения за счет гироскопических моментов увеличивается «жесткость» ротора, то на рабочих скоростях следует ожидать ограниченные величины деформаций, что ставит вопрос о возможности использования линеаризованных уравнений движения ротора. Для оценки такой возможности было произведено сравнение решений, полученных с помощью нелинейной системы уравнений (9) и линеаризованной системы (10).

(10)

Результаты численного решения уравнений (9, 10), полученные при скорости вращения ротора , представлены на рис.2. Сравнение данных графиков показывает, что даже в случае относительно низкой угловой скорости и больших начальных отклонениях ротора отличия между решениями нелинейной и линейной систем уравнений с практической точки зрения можно считать незначимыми.

Данный вывод дает основание в дальнейшем при исследовании реальных конструкций текстильных роторов ограничиваться линейными математическими моделями, допустимость чего дополнительно подтверждается анализом динамической модели веретена ВТК-45-IV, изображенной на рис.3.

Эта модель отображает вертикальное веретено с катушкой и паковкой, представленными в виде жесткого инерционного диска 1, прикрепленного к жесткому шпинделю 2, который вращается в упругих опорах 3, 4

Уравнения движения веретена для данной модели были получены в следующем виде:



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.