Динаміка процесу перемотки довгомірних виробів в машинах для виробництва стальних канатів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук: "ДИНАМІКА ПРОЦЕСУ ПЕРЕМОТКИ ДОВГОМІРНИХ ВИРОБІВ В МАШИНАХ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА СТАЛЬНИХ КАНАТІВ"

Спеціальність - Динаміка та міцність машин

Хромов Єгор Володимирович

Харків - 2002

Дісертацiєю є рукопис.

Робота виконана в Севастопольському національному технiчному унiверситетi Міністерства освіти і науки України, м. Севастополь.

Захист вiдбудеться 23.10.2002 року о 14 годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 64.050.10 у Національному технічному унiверситетi “Харківський політехнiчний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi Національного технічного унiверситету “Харківський політехнiчний інститут”

Автореферат розiсланий 20.09.2002 року.

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради Бортовой В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У канатному виробництві в процесі перемотки пасм або проволок відбувається повільна зміна їх натягнення через недосконалість гальмових пристроїв або швидка циклічна зміна натягнення в зв'язку з крутильними автоколиваннями котушок і іншими чинниками. Відомі моделі відображають тільки якісну картину динамічних процесів, супроводжуючих виготовлення пасм і канатів. Тому залишаються актуальними питання моделювання процесу перемотки з урахуванням нелінійного тертя і односторонніх зв'язків, а також розробка конструкторських рішень по зниженню рівня коливань технологічного натягнення виробів, що перемотуються.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дана робота пов'язана з дослідженнями, виконаними кафедрою технічної механіки і машинознавства СевНТУ в 1998-2001 роках у напрямі "Розробка конкурентоздатних технологій, обладнання і засобів контролю якості у виробництві стальних канатів: г/д № 1523, рег.№ 0198V002843 і держбюджетна "ДИКМА", рег.№ 0101V001236.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження впливу крутильних коливань котушок на натягнення довгомірних виробів з урахуванням нелінійних механічних характеристик перемоточних пристроїв і розробка технічних рішень по зниженню рівня коливань та вдосконаленню канатозвиваючого обладнання.

Об'єкт дослідження - системи премотки довгомірних виробів в канатозвивальному виробництві.

Предмет дослідження - крутильні коливання котушок в процесі перемотки виробів.

де , - кут повороту і кутова швидкість, які зумовлені крутильними коливаннями котушки; - частота власних крутильних коливань котушки; с - коефіцієнт жорсткості пасма; R - радіус намотки пасма на живильну котушку; - кутова швидкість обертання гальмового диска з котушкою в сталому режимі (при відсутності крутильних коливань); М_т - момент, що залежить від характеристики тертя гальмового пристрою; J - осьовий момент інерції котушки з диском.

Для визначення невідомого моменту тертя М_т, що входить в рівняння коливання (1), проведена серія лабораторних досліджень характеристик тертя мотузяних гальм, що застосовуються в канатозвивальних машинах типу. У ході експериментів випробовувалися гальмові елементи, які виконані з поліпропилена (без змазки і зі змазкою), з комбінованого каната сизаль - сталь і гуми. Для коефіцієнта тертя ковзання отримані криві регресії вигляду f() =а+b +с², які використовувалися у подальшому для теоретичних досліджень.

Характерно, що аналогічним рівнянням описуються коливання при поступальному русі відносно шершавої поверхні (рухомий фрикційний зв'язок):

, (2)

де - абсолютна швидкість; V- швидкість руху шершавої поверхні; g - прискорення вільного падіння.

У роботі виконане чисельне рішення рівнянь типу (1), (2) методом Рунге-Кутта VI-го порядку. Оцінка точності рішення і вибір кроку інтегрування h здійснювалися на основі чисельних експериментів. Показано, що відносна похибка розрахунків не перевищує 0,1%, при умові h 0,001 с.

Розглянуті можливі режими руху в системі з урахуванням нелінійної характеристики тертя. При наявності падаючої дільниці характеристики спочатку виникають коливання з наростаючою амплітудою, а після деякого проміжку часу спостерігаються стійкі коливання. Із збільшенням швидкості V амплітуда автоколивань зростає до максимального значення. У випадку, коли відносна швидкість відповідає зростаючій дільниці характеристики тертя, коливання затухають.

Всі вказані етапи руху спостерігаються, зокрема, при швидкості руху фрикційного зв'язку, що залежить від часу. Даний випадок важливий при аналізі перехідних процесів. Графік x=x(t) включає етапи руху: із зростаючою амплітудою автоколивань (відповідає падаючій дільниці характеристики тертя); з максимальною амплітудою коливань; з убуваючою амплітудою автоколивань (відповідає висхідній дільниці характеристики).

Виконані чисельні експерименти при наявності змушуючої сили, отримані амплітудно-частотні характеристики системи, що досліджується. Показано, що односторонній пружний зв'язок істотно змінює характер вимушених коливань. Основна відмінність, в порівнянні з системою, що має двосторонній пружний зв'язок, полягає в тому, що різке збільшення амплітуди коливань спостерігається в більш широкому діапазоні частот змушуючої сили, тобто резонанс можливий при декількох частотах (аналогічно системі з декількома ступінями свободи)

Для перевірки теоретичних досліджень розроблена лабораторна установка, що імітує процес змотування пасма з котушки (мал. 3). За допомогою електродвигуна 1 і редуктора 2 приводиться у обертання гальмовий елемент 4. За рахунок фрикційного з'єднання (гальмовий елемент 3 і гальмовий диск 4) котушка 5 з пасмом здійснює коливальний рух. Кінець пасма закріплений на балці 6, де встановлені тензодатчики. Коливання натягнення пасма реєструвалися з допомогою тензодатчиков і осцилографа. У експерименті аналізувалися осциллограми залежності сили натягнення пасма від часу при різних швидкостях обертання гальмового елемента 4. Одержані осциллограми підтверджують достатню для інженерних розрахунків точність чисельного рішення диференціального рівняння коливань живильної котушки (похибка амплітуди не перевищує 10%, відхилення періоду складає не більше 20%).

У третьому розділі досліджені крутильні коливання живильних котушок в системах з кінцевим числом ступенів свободи. Дана оцінка можливості застосування пасивних і активних (керованих) гасителів коливань, сполучених між собою пружною ниткою 3 (дріт). Котушки встановлені на шарнірних опорах 4. Живильна котушка забезпечена гальмовим диском 5 і колодкою 6, а приймальна ё- електроприводом.

Коливання системи описуються нелінійними диференціальними рівняннями:

де J₁, J₂ - моменти інерції котушок; m₁, е - маса і ексцентриситет центра маси живильної котушки; ₀ - кутова швидкість живильної котушки в сталому режимі обертання; n₀ - сила нормального тиску, діюча на гальмовий шків 5 з боку колодок 6; ₁, ₂, ₁ - параметри нелінійної характеристики тертя; - кути відхилення котушок 1,2, зумовлені коливаннями; - динамічна складова крутящого моменту, що створюється приводом.

При описі процесу перемотки враховували, що нитка - односторонній зв'язок, тобто працює тільки на розтягнення. Тому система рівнянь доповнена умовами (умови провисання), які при r₁ = r₂ мають вигляд:

Результати одного з варіантів чисельного рішення системи рівнянь представлені на мал. 5 у вигляді графіків залежності . Видно, що при виконанні умов провисання на деякому тимчасовому інтервалі (2с < t < 4.5) відбувається природне зниження рівня коливань з подальшим відновленням коливального процесу. Коливання котушок є причиною нерівномірного натягнення по довжині дроту (пасми)., що перемотується.

Аналогічно з відомими динамічними гасителями поступальних коливань розглянуті варіанти гасителів крутильних коливань котушок в системах перемотки канатного виробництва, що досліджуються. У разі пасивного гасіння до котушок приєднуються, за допомогою пружних елементів з коефіцієнтами жорсткості , додаткова маса з моментами інерції J₃,, J₄. Дана система з чотирма ступенями свободи в першому наближенні (без урахування сил опору) описується рівняннями:

де - кути поворотів пасивних динамічних гасителів; - радіуси кіл, на яких кріпляться пружні елементи; - амплітуди динамічних впливів.

Якщо параметри гасителів коливань котушок вибрані за умов

,

то для амплітуд вимушених коливань виконуються наступні рівності Таким чином, введення пасивних гасителів в принципі дозволяє усунути вимушені коливання котушок. При використанні класичного динамічного гасителя коливань в нелінійній системі ефективність гасіння знижується, але залишається достатньою для практики. Для його застосування в реальних системах перемотки необхідно використати механізми налаштування параметрів гасителя.

Подальше підвищення ефективності гасителів пов'язане з використанням безперервного автоматичного керування налаштуванням гасителів в процесі перемотки і підвищення на цій основі ефективності придушення коливань. Рівняння, що описують крутильні коливання котушки з гасителем (мал. 6) з урахуванням керуючого впливу у вигляді пари сил з моментом U(t), мають вигляд:

(3)

де - кути поворотів відповідно при коливаннях котушки і гасителя; С₂ - коефіцієнт жорсткості пружного елемента, що з'єднує гаситель з котушкою. перемотка канатозвивальний натягнення довгомірний

Система істотно нелінійних алгебраїчних рівнянь Рікатті вирішена з використанням стандартної процедури dsolve. Із знайдених коренів взяті ті, які забезпечують стійкість замкненої системи керування. Згідно з критерієм Сильвестра стійкість забезпечується, якщо виконуються умови:

(6)

З урахуванням (5) і (6) керування перетворюється до вигляду:

,

де коефіцієнти посилення знайдені внаслідок виконання матричних операцій згідно (5) для чисельних значень k_ij. На мал. 7а зображений графік коливань котушки без урахування керування, а на мал. 7б - з урахуванням керування. З графіків виходить, що керування приводить до ефективного придушення коливань котушки практично на кінцевому інтервалі часу.

У роботі розглянутий також варіант математичної моделі канатної машини, як системи з n - ступенями свободи (n - кількість живильних котушок). При цьому враховувалося, що пасми на виході з машини звиваються в канат і мають однакове переміщення x0.

Диференціальні рівняння, що описують вільні крутильні коливання системи котушок біля положення квазистатичної рівноваги (стійкого процесу перемотки ), мають вигляд:

(7)

Умова статичної рівноваги дільниці каната записується як:

,

де C₀ - узагальнений коефіцієнт жорсткості пасм, звитих в канат; _к- кут звивки. Після визначення x₀ і підстановки в (7) слідує система однорідних диференціальних рівнянь, що описує вільні незатухаючі коливання котушок:

.

Для окремого випадку з однаковими коефіцієнтами жорстокості пасм, радіусами навивки і моментами інерції з використанням комп'ютерної алгебри визначені частоти власних коливань і амплітуди вимушених коливань котушок (n=6):

Таким чином, у разі симетрії в розташуванні однакових котушок частоти, крім однієї, рівні між собою.

Аналітичне рішення пов'язане з громіздкими перетвореннями, які проведені з використанням систем комп'ютерної алгебри, але, потрібно зазначити, що для практичних розрахунків систем з великим числом ступенів свободи і в цей час чисельне рішення переважніше. Результатом чисельних розрахунків (для канатної машини типу С-6/800) є спектр частот власних коливань

Розроблені варіанти математичних моделей дозволяють підвищити ефективність теоретичного аналізу динаміки процесу перемотки з урахуванням механічних властивостей довгомірних виробів і конструкції технологічного обладнання.

У четвертому розділі наведені матеріали використання результатів досліджень при вдосконаленні размоточних пристроїв канатної машини важкої серії типу С - 6/800. Роботи виконувалися на замовлення канатного цеху ВАТ “Силур” (м. Харцизськ).

Для існуючої конструкції і технічного стану діючої машини були виконані теоретичні дослідження коливань натягнення пасм при звивці каната, а також можливий вплив динамічних змін на якість готового каната (рівномірність ступеню преформації по його довжині).

Внаслідок досліджень розроблений ряд рекомендацій і технічних рішень:

гальмовий елемент, що застосовується з полипропилену, доцільно замінити на комбінований елемент “сизаль - сталь”, який володіє підвищеною зносостійкістю і дозволяє усунути режим незатухаючих автоколивань живильних котушок в робочому діапазоні швидкостей канатозвивальної машини;

в діючому канатному виробництві неможливо повністю виключити вимушені крутильні коливання котушок, зумовлені ексцентриситетом їх центрів маси е_к і биттям розподільного шаблона е_ш звиваючої машини. Тому для забезпечення коливань натягнення пасм в діапазоні допустимих значень (коефіцієнт динамічності к_д 2) необхідно, щоб вказані ексцентриситети задовольняли нерівностям е_к10 мм, е_ш0,5 мм;

для підвищення якості канатів необхідно використати гальмовий пристрій, що включає засоби контролю і забезпечення постійної величини середнього натягнення пасм по всій довжині виробу.

Вказані рекомендації і зразки гальмових пристроїв були використані на канатозвивальній машині типу С - 6/800. Промислові випробування підтвердили ефективність нових технічних рішень.

ВИСНОВКИ

На основі аналізу технологічного обладнання, що застосовується в канатному виробництві, сформульовані нові актуальні задачі по розвитку методів аналізу динаміки процесів перемотки довгомірних виробів.

Виконані лабораторні дослідження механічних характеристик гальм, що застосовуються в канатозвиваючих машинах. Виявлено, що залежність коефіцієнта тертя від швидкості обертання гальмового диска має нелінійний характер з явно вираженими екстремумами.

Створені математичні моделі з урахуванням фрикційних гальмових пристроїв і односторонніх зв'язків для аналізу коливань котушок в системах перемотки з кінцевим числом ступенів свободи (по кількості живильних котушок) і розроблені алгоритми чисельного рішення рівнянь руху.

Виконаний теоретичний аналіз впливу початкових умов, нелінійних характеристик тертя, величини і характеру зміни швидкості руху фрикційного зв'язку на динамічну поведінку об'єктів, що досліджуються. Показано, зокрема, що періодичне провисання виробу (вияв властивості одностороннього пружного зв'язку), що перемотується, істотно змінює характер коливань, веде до збільшення коефіцієнта динамічності.

Визначені частоти власних і амплітуди вимушених коливань системи живильних котушок в канатозвиваючій машині і дана оцінка величини динамічного натягнення проволок.

Експерименти по дослідженню крутильних коливань, які виконані на лабораторній установці, підтверджують, що в робочому діапазоні швидкостей розходження теоретичних і експериментальних значень амплітуд і частот коливань не перевищує 10-20 %.

Теоретичні дослідження підтверджують можливість і ефективність застосування пасивних і активних (керованих) гасителів коливань при модернізації пристроїв перемотки проволок і пасм в канатному виробництві.

Матеріали досліджень використані при розробці рекомендацій по раціональному діапазону робочої швидкості ротора канатної машини С - 6/800 по зниженню впливу биття розподільного шаблона і ексцентриситету живильних котушок на коливання технологічного натягнення пасм.

Створена нова конструкція гальмового пристрою, що дозволяє підтримувати постійну величину середнього натягнення. Це забезпечує необхідну рівномірність ступеню преформації каната і знижує на 10-20% втрати електроенергії, пов'язані з гальмуванням котушок. Технічні рішення і експериментальні зразки гальмових пристроїв прийняті в промислову експлуатацію в канатному цеху ВАТ “Силур”. Практичні результати роботи можуть найти застосування в перемоточних пристроях різних типів.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Хромов Е.В., Ганина Л.К. Пути совершенствования тормозных устройств канатных машин тяжелой серии // Стальные канаты: Сб. науч. тр. - Одесса, 1999. - С. 100 - 102.

Хромов Е.В. К вопросу расчета допустимого натяжения свиваемых элементов при изготовлении стальных канатов // Механізація сільськогосподарського виробнтцтва: сучасні проблеми механизації сільского господарства: Зб. наук. пр. - К. : НАУ, 1999. - Т. V. - С. 267 - 270.

Бохонский А.И., Хромов Е.В. Анализ колебательных процессов при перемотке длинномерных изделий. // Оптимизация производственных процессов: Сб. науч. тр.- Севастополь, 2000. - № 3. - С. 70-73.

Хромов Е.В. Экспериментальное исследование характеристик трения в ленточных тормозах канатовьющих машин // Вестник СевГТУ: Сб. науч. тр. - Севастополь, 2000. - Вып. 25. - С. 114 - 116.

Бохонский А.И., Хромов Е.В. Использование динамических гасителей крутильных колебаний в системе перемотки проволоки // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. -2000.- Вып. 1. - С. 136 - 138.

Хромов Е.В. Компьютерный анализ колебаний тела при наличии движущейся фрикционной связи // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении.- 2000. - Вып. 2.-С. 71- 74.

Бохонский А.И., Хромов Е.В. Колебания катушек в канатовьющих машинах // Вісник Національного технічного университету “Харьківский політехнічний інститут”: Зб. наук. пр. Тематичний випуск: Динамика і міцність машин. - Харьков, 2001. - Вып. 25.- С. 53 - 56.

Бохонский А.И., Хромов Е.В. Оптимальное управление крутильными колебаниями катушек при перемотке проволок // Вестник СевГТУ: Сб. науч. тр. - Севастополь, 2001. - Вып. 30. - С. 7 - 11.

Пат. 38321А Украины, 6 D07B7/00. Размоточное устройство для канатовьющей машины: Пат. 38321А Украины, 6 D07B7/00 / В.Г. Хромов, Е.В. Хромов, Л.К. Ганина, А.С. Щербак. - № 1771 - III; Заявлено 22.06.2000; Опубл. 15.05.2001, Бюл. №4. - 3 с.

АНОТАЦІЇ

Хромов Є.В. Динаміка процесу перемотки довгомірних виробів в машинах для виробництва стальних канатів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 - Динаміка і міцність. Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2002.

Дисертація присвячена дослідженню впливу крутильних коливань котушок на величину технологічного натягнення гнучких довгомірних виробів. Створені математичні моделі з урахуванням фрикційних гальмових пристроїв і односторонніх зв'язків в системах перемотки з кінцевим числом ступенів свободи і розроблені алгоритми чисельного рішення рівнянь рушення. Для перевірки адекватності математичної моделі реальному процесу виконані лабораторні дослідження крутильних коливань котушок. Матеріали досліджень використані в рекомендаціях по раціональному діапазону робочої швидкості ротора канатної машини С-6/800, по зниженню рівня коливань технологічного натягнення пасм. Створена нова конструкція гальмового пристрою, що дозволяє підтримувати постійну величину середнього натягнення. Це забезпечує необхідну рівномірність ступеню преформації каната і знижує на 10-20% втрати електроенергії, пов'язані з гальмуванням живильних котушок.

Ключові слова: стальні канати, довгомірні вироби, система перемотки, живильна котушка, гальмові пристрої, крутильні автоколивання, гасителі коливань, технологічне натягнення.

Хромов Е.В. Динамика процесса перемотки длинномерных изделий в машинах для производства стальных канатов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 - динамика и прочность. - Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2002.

Диссертация посвящена исследованию влияния крутильных колебаний катушек на величину технологического натяжения гибких длинномерных изделий (проволок, прядей) с учетом геометрических и механических характеристик перемоточных устройств.

Операция перемотки используется практически на всех этапах производства стальных канатов. При этом может происходить медленное изменение натяжения прядей из-за несовершенства тормозных устройств либо циклическое изменение за счет динамических факторов (крутильные автоколебания катушек, наличие вынуждающих факторов и др.). В результате анализа применяемого в канатном производстве технологического оборудования сформулированы новые актуальные задачи по развитию методов расчета динамики процесса перемотки.

Для исследования колебаний и создания методики проектирования реальных тормозных устройств выполнены лабораторные эксперименты по определению механических характеристик веревочных тормозов, применяемых в канатовьющих машинах. Показано, что зависимость коэффициента трения от скорости вращения тормозного диска для веревочных тормозов имеет нелинейный характер с явно выраженными экстремумами.

Созданы математические модели (с учетом фрикционных тормозных устройств и односторонних связей) для анализа колебаний катушек в системах перемотки с конечным числом степеней свободы (по количеству питающих катушек) и разработаны алгоритмы численного решения уравнений движения.

Исследовано влияние начальных условий, нелинейных характеристик трения, величины и характера изменения скорости движения фрикционной связи на динамическое поведение объектов. Показано, в частности, что периодическое провисание перематываемого изделия (проявление свойства односторонней упругой связи) существенно изменяет характер колебаний, ведет к увеличению коэффициента динамичности.

Для проверки адекватности математической модели реальному процессу выполнены лабораторные исследования крутильных колебаний катушек. Возможности установки позволяют экспериментально определять диапазоны скоростей вращения ротора канатовьющей машины, при которых возникают автоколебания.

По аналогии с известными динамическими гасителями поступательных колебаний предложены варианты гасителей крутильных колебаний катушек в системах перемотки. Дано решение задачи синтеза оптимального гасителя с использованием теории аналитического конструирования регуляторов при квадратичном критерии оптимальности. Теоретические исследования подтверждают возможность эффективного применения пассивных и активных (управляемых) гасителей колебаний при модернизации устройств перемотки проволок и прядей в канатном производстве.

Материалы исследований отражены в рекомендациях: по рациональному диапазону рабочей скорости ротора канатной машины С-6/800, по снижению влияния биения распределительного шаблона и эксцентриситета питающих катушек на колебания технологического натяжения прядей. Создана новая конструкция тормозного устройства, позволяющая стабилизировать величину среднего натяжения. Это обеспечивает требуемую равномерность степени преформации каната и снижает не менее чем на 10-20% потери электроэнергии, связанные с торможением питающих катушек.

Ключевые слова: стальные канаты, длинномерные изделия, система перемотки, питающая катушка, тормозные устройства, крутильные автоколебания, гасители колебаний, технологическое натяжение.

Khromov Y.V. Dynamics process wind of long-sized items in machines for effecting steel ropes. - Manuscript.

Thesis on competition a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.02.09 - dynamics and strength. - National technical university " the Kharkov polytechnic institute ", Kharkov, 2002.

The thesis is dedicated to research influencing of torsional vibrations coils on value of a technological tension of nonrigid long-sized items. The mathematical models with allowance for of friction decelerators and one-way communications in systems of wind with final number of degrees of freedom are built and the algorithms a numerical solution of equations of motion are designed. For check of adequacy to mathematical model to actual process the laboratory researches of torsional vibrations of coils are executed. The stuffs of researches utilised in the guidelines on rational range working speed a rotary table the cable machine SRN - 6/800, on a decrease of a level of oscillations of a technological tension of strands. The new design of a decelerator permitting to support a constant a mean tension is built. It provides demanded uniformity of a degree of a preformation of a cable rope and reduces on 10-20 % loss of the electric power, bound with inhibition of feeding coils.

Keywords: steel ropes, long-sized items, system of wind feeding coil, decelerators, torsional self-oscillations, dampers, technological tension.

Размещено на Allbest.ru