Основи теорії розрахунку та конструювання рідинонаповнених валів

У випадку врахування двох факторів, що забезпечують роботу вала (температури рідини і її швидкості) імовірність появи неякісної продукції у цьому разі буде визначатися об'ємом фігури, яка є перетинанням поверхонь густин енергій, що вимагаються і густин енергій, що забезпечується.

, (6)

де f(t,w) - густина ймовірності забезпечення заданої температури і швидкості рідини, f(p) - густина ймовірності появи певних ознак продукції, що вимагають певних витрат енергії.

Процент неякісної продукції може бути знайдений, як подвійний інтеграл (7), у якому границі інтегрування визначаються залежністю (8). Економія енергії при цьому визначається різницею між заданими значеннями температури і швидкості охолоджуючої рідини і значеннями, прийнятими з умови зниження енерговитрат.

, (7)

(8)

де m_w - математичне очікування витрат енергії, пов'язане з забезпеченням швидкості рідини, m_t - математичне очікування витрат енергії, пов'язане з забезпеченням температури, m_p - математичне очікування витрат енергії, пов'язане з забезпеченням технологічного процесу, _w - середньоквадратичне відхилення витрат енергії, пов'язане з забезпеченням швидкості рідини, _t - середньоквадратичне відхилення витрат енергії, пов'язане з забезпеченням температури, _p - середньоквадратичне відхилення витрат енергії, пов'язане з забезпеченням технологічного процесу.

Однофакторні моделі пройшли опробування в умовах експериментального пристрою вакуумної металізації і дозволили знизити втрати енергії на охолодження поліетиленової плівки при металізації алюмінієм на 10..12% при практично непомітному зниженню якості. Двомірні моделі повністю обґрунтовані. Для них створено повне математичне забезпечення. Очікується, що їх використання дозволить знизити витрати ще на 5..7%. Багатофакторні методи є перспективними.

У ході подальшого аналізу було виявлено, що великим споживачем енергії є система каналів для проходження рідини усередині рідинонаповненого вала. Оптимізація розташування каналів приводить до зниження енерговитрат. Стандартна конструкція валу не забезпечує перетікання рідини, завдяки цьому рідина обертається у замкненому просторі, що викликає підвищені витрати на тертя. Додаткові канали для перетікання рідини, розташовані оптимальним чином можуть значно знизити ці небажані ефекти.

В процесі розрахунків синтезований вал із зменшеними енерговитратами, який можна одержати, якщо просвердлити поперечний отвір в осерді, яким будуть проходити зайві витрати рідини. Енерговитрати при цьому знижуються в 1,5-1,7 рази.

У результаті пошуку одержаний вал з мінімальними енерговитратами з нахиленими діаметральними отворами в осерді. Економія досягається за рахунок зниження гідравлічних опорів на поворотах. Енерговитрати знижуються в 2-2,2 рази.

У п'ятому розділі “Розробка методів побудови рідинонаповнених валів виходячи з системи ознак” проведений морфологічний аналіз комплексу отриманих структурно - функціональних ознак, що дозволив побудувати загальну теорію рідинонаповнених валів, який за заданими правилами дозволяє формувати пристрої з новими властивостями.

Аналіз роботи основних типів валів з рідинним регулюванням, виконаний у попередніх розділах, дозволяє синтезувати загальну теорію таких валів шляхом узагальнення отриманих даних і можливої екстраполяції цих даних на інші пристрої. Усі отримані дані були об'єднані в одному графі ознак рідинонаповненого вала.

Аналіз рідинонаповненого вала дозволив виділити такі основні групи властивостей і особливостей, що характеризують його структуру.

Група В₀ визначає надструктуру вала. Елементи цієї групи розрізняються у залежності від того, наскільки відокремлено розглядається робота вала. Елемент В₀₁ визначає роботу окремих валів, чому власне і були присвячені попередні викладки. Елемент В₀₂ передбачає роботу валів у комплексі машин.

Група В₁ визначає особливості, пов'язані з параметром, що превалює при регулюванні. Окремі підгрупи цієї групи: В₁₁ -температура; В₁₂ - тиск.

Елементи цих двох підгруп у свою чергу можна розділити на такі елементи: - зниження температури; - температура, постійна по довжині; - температура, змінна по довжині; - підвищення температури; - прогини оболонки вала; - компенсація небажаних прогинів; - з зовнішнім регулюванням; - з саморегулюванням; - регулювання прогинів за заданим законом; - деформування додаткових елементів.

Група В₂ визначає особливості розрахунку, пов'язані з забезпеченням якості роботи вала. У цій групі можна визначити дві основні підгрупи: B₂₁ - параметри оболонки вала; B₂₂ - параметри граничних зон (визначаються експериментально);

На відміну від попередньої групи, підгрупи цієї групи є сумісними, тобто обов'язково виступають разом. У підгрупах виділяємо такі елементи: - з'єднання оболонки вала з опорними цапфами на границях; - короткі вали з геометричним коефіцієнтом koef<10; - середні вали з геометричним коефіцієнтом 10<koef<100; - з можливістю компенсації прогинів; - з неможливістю компенсації прогинів; - довгі вали з геометричним коефіцієнтом koef>100; - з'єднання оболонки вала з опорним валом за допомогою посадки з натягом; - жорсткі граничні зони, коефіцієнт жорсткості k>2; - перехідні граничні зони, коефіцієнт жорсткості 1<k<2; -“м'які” граничні зони, коефіцієнт жорсткості k<1.

Група B₃ визначає принципи руху рідини крізь вал і включає такі елементи: B₃₁ - повздовжні перегородки; B₃₂ - поперечні перегородки. Ці обидва елементи можуть включати один з двох: - вільне одягання оболонки на перегородки; - посадка оболонки на перегородки з натягом. Крім цього можливі елементи: B₃₃ - канали у валі; B₃₄ - канал між оболонкою та осердям; - подача рідини з середини вала; - подача рідини з боків вала; - подача рідини з одного боку.

Група В₄ визначає особливості подавання рідини у порожнину вала. Вона включає дві основні підгрупи: B₄₁ - принципи подавання; B₄₂ - вид рідини.

Підгрупи включають такі елементи: - аксіальна система; - система з боковими виходами; - система з нахиленими виходами; - звичайна рідина; - кріогенна рідина; - високотемпературна рідина.

Група B₅ характеризує принципи економії енергії при проектуванні та експлуатації рідинонаповнених валів. Ця група може включати елементи: B₅₁ - вибір оптимального співвідношення якості і витрат; B₅₂ - вибір оптимального розташування каналів; B₅₃ -інші організаційні принципи економії.

На базі побудованого графа організації рідинонаповненого вала може бути розроблена його морфологічна карта Така загальна карта приведена нижче (таблиця 1).

Карта має п'ять основних груп. У процесі аналізу обираємо ознаки або елементи з правого стовпчика у кожній групі. У таблиці приведена схема алгоритму побудови рідиноохолоджувального барабану з “м'якими” границями, гвинтовою перегородкою з натягом і охолодженням кріогенною рідиною.

Виходячи з морфологічної карти, синтезовані вали з новими властивостями охолоджуючий вал з підвищеною жорсткістю, який може бути означений, як ; багатокамерний вал з комбінацією ознак третьої групи, який може бути синтезований на основі ознак, як

;

вал з регулюванням температури, виходячи з системи ознак означається, як

;

вал з системою ознак, що забезпечують саморегулювання

.

Розроблені методи дозволяють сформулювати основні правила об'єднання знайдених ознак для синтезу пристроїв з новими характеристиками.

Розглядані також проблеми функціонування рідинонаповнених валів разом з надструктурою у системах машин. Сформовані принципи уніфікації вказаних пристроїв.

Розглядана структура, об'єкти і форми впровадження результатів дисертаційного дослідження. У процесі впровадження доведена інженерна та наукова цінність одержаних результатів. Доведений міжгалузевий характер розроблених методів та моделей. Підтверджений факт того, що результати дисертаційного дослідження можна кваліфікувати, як нові науково обґрунтовані теоретичні і експериментальні результати, які у сукупності мають суттєве значення для розвитку конкретного напрямку машинознавства, пов'язаного з розрахунком та конструюванням рідинонаповнених валів.

У висновках наведені основні результати дисертаційної роботи.

У додатках дані матеріали по впровадженню результатів досліджень, наведені тексти програм розрахунку та автоматизованого проектування рідинонаповнених валів.

Висновки

На основі проведених комплексних досліджень розв'язана важлива науково-технічна проблема, що складається в розробці теоретичних основ проектування рідинонаповнених валів, дослідженні, аналізі і створенні нових систем валів з рідинним регулюванням переважно для новітніх фізико-хімічних технологій, що забезпечують їхню високу технічну конкурентноздатність.

Проведено морфологічний аналіз рідинонаповненого вала, що випливає з закономірностей його будівлі. На основі складеного списку характерних параметрів побудовані часткові рішення, що реалізуються в конкретних типах рідинонаповнених валів і барабанів. Побудовано морфологічні карти, за допомогою яких визначені функціональні цінності можливих сполучень основних ознак, на основі чого передбачена поява пристроїв з новими якостями ( з перемінним прогином, з перемінної по довжині температурою).

Побудовано наукову теорію рідинонаповнених валів у виді системи основних ознак (переважний параметр при регулюванні, особливості розрахунку, принципи руху рідини через вал, принципи подачі рідини, принципи економії енергії) і правил їхнього об'єднання, що дозволяють шляхом логічного синтезу одержати пристрої з новими якостями.

Введено й обґрунтований принцип мінімального середнього прогину контактного шару рідинонаповненого вала для забезпечення найкращої якості продукції. Принцип є основою для оптимального проектування рідинонаповнених пристроїв.

Побудовано математичну напівемпіричну модель рідинонаповненого вала, як складної пружної системи, у якій прогини обчислюються шляхом чисельно-аналітичного рішення диференціальних рівнянь, а граничні умови визначаються експериментально. Отримано теоретичні залежності для визначення прогинів робочих шарів рідинонаповнених валів з урахуванням коливань і динамічних навантажень у перехідних режимах.

Розроблено методологію й алгоритми вибору основних параметрів рідинонаповнених валів на основі критерію мінімізації прогинів контактного шару. Теоретично обґрунтовані методи, що впливають на зниження рівня деформацій у валах: надягання оболонки на сердечник з натягом у валах з охолодженням рідиною, зменшення жорсткоості опор і вибір оптимального співвідношення розмірів для валів з регулюванням прогину, вибір раціонального розташування і кількості каналів у валах з нагріванням.

Виявлено парадокс появи зворотних деформацій у валах з гідравлічною компенсацією прогину, знання якого дозволяє запобігти негативних ефектів при проектуванні валів для новітніх фізико-хімічних технологій, а також доведене існування методів подолання цього парадокса з метою створення працездатних конструкцій валів усього розмірного діапазону.

Створено систему принципів економії енергії при проектуванні, виготовленні й експлуатації рідинонаповнених валів і значно розвиті методи раціонального проектування валів зі зниженими енерговитратами, що дозволяють знизити енергоємність устаткування і підвищити економічні показники валів на етапі їхнього проектування, виготовлення й експлуатації.

Доведено принципову залежність динамічних прогинів рідинонаповнених валів у перехідних режимах від методу подачі рідини у вал, що дозволило створити методи раціонального проектування засобів подачі рідини для різних систем валів. Показано, що для довгих валів раціональної є центральна подача, що забезпечує менші динамічні навантаження. Для коротких валів раціональної є значення коефіцієнта співвідношення діаметра вала до довжини 0,7...0,8, при якому динамічні характеристики приблизно однакові.

Сформульовано принципи побудови систем автоматизованого проектування валів з рідинним керуванням. Розроблено пакети прикладних програм для оптимального автоматизованого проектування систем валів з рідинним керуванням, у результаті виконання яких на основі вихідних параметрів будуються реальні робочі креслення з висновком на плотер.

Запропоновано формалізовані методи аналізу, синтезу й оптимізації конструкцій рідинонаповнених валів, спрямовані на поліпшення технологічних параметрів їхнього виготовлення, які дозволяють запобігти підвищені вібрації і погрішності обробки при виготовленні зазначених валів. Розроблено методику визначення технологічних режимів їхнього виготовлення з умови забезпечення мінімального допуску, базуючись на принципі мінімального середнього прогину.

Загальні властивості структур конструкцій відбиваються у певних частинних закономірностях, що діють у межах даної теорії, що доцільно враховувати при конструюванні конкретних валів. Подібні закономірності сформульовані для деяких окремих випадків рідинонаповнених пристроїв: барабана з рідинним охолодженням, вала з гідравлічним керуванням прогину, валка з рідинним підігрівом, вала з регульованими рухливими елементами.

Результати системного проектування конструкцій рідинонаповнених валів і барабанів і експериментальні дослідження, проведені в лабораторних і промислових умовах, підтвердили високу ефективність запропонованих методів і технологій оптимального проектування пристроїв з рідинним регулюванням, що дозволяє рекомендувати розроблену теорію рідинонаповнених валів для застосування в різних галузях промисловості, насамперед зв'язаних з новітніми фізико-хімічними технологіями.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Рябчиков Н.Л., Оболенская Т.А., Безбородов С.М., Лазаренко В.И. Формирование профиля полимерных пленок при каландрировании на жидконагревательных барабанах // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 1999. - Выпуск 43. - С. 144-148.

2. Рябчиков Н.Л. Рациональные системы подвода жидкости в жидконаполненые барабаны в технологических процессах обработки пленочных материалов // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 1999. - Выпуск 44. - С. 41-43.

3. Рябчиков Н.Л. Оптимизация методов изготовления жидконаполненных барабанов исходя из требований статической и динамической жесткости // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 1999. - Выпуск 45. - С. 39-42.

4. Рябчиков Н.Л. Выбор рациональных схем подачи жидкости в валах с гидравлической поддержкой // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 1999. -Выпуск 47. - С. 40-42.

5. Рябчиков М.Л. Концепція рідинонаповнених барабанів для обробки рулонних матеріалів у легкій промисловості // Вісник технологічного університету Поділля. - 1999. - № 3. - С. 50-53.

6. Рябчиков М.Л. Теорія та практика створення рідиноохолоджувальних пристроїв у технологічних процесах обробки рулонних матеріалів // Вісник технологічного університету Поділля. - 1999. - № 4. - Частина 2. - С. 16-18.

7. Рябчиков М. Динаміка перехідних процесів та оптимізація рідинонаповнених барабанів // Машинознавство (Державний університет “Львівська політехніка”). - 1999. - № 11. - С. 22-24.

8. Рябчиков М.Л. Конструювання рідинонаповнених барабанів з врахуванням енергозберігання // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 2000. - Выпуск 78. - С. 25-26.

9. Рябчиков М.Л. Керування температури рулонного матеріалу на барабанних пристроях // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 2000. - Выпуск 79. - С. 48-50.

10. Рябчиков Н.Л., Седов И.Б., Кислов А.Г. Некоторые проблемы обработки рабочих барабанов с длинными цапфами // Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета. - Харьков: ХГАДТУ. - 2000. - Выпуск 11. - С. 41-44.

11. Рябчиков М.Л., Сєдов І.Б., Маніна Н.Є. Визначення ефективних режимів охолодження листових матеріалів при їх обробці // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 2000. - Выпуск 82. - С. 69-73.

12. Рябчиков М.Л. Створення довільного профілю прогинів вала засобами гідродинамічного регулювання // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 2000. - Выпуск 83. - С. 34-37.

13. Рябчиков М.Л. Особливості регулювання валів з регулюємим прогином на гідравлічній підтримці // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. -Харьков: ХГПУ. - 2000. - Выпуск 111. - С. 67-73.

14. Рябчиков М.Л., Матюхова А.Л. Засоби подавання рідини в обертальні елементи машин в умовах вакуумної металізації // Наукові нотатки (Луцький державний технічний університет). - Луцьк: ЛДПУ. - 2000. - С. 214-219.

15. Рябчиков М.Л., Кондратенко Н.О. Виробництво пакувальних матеріалів і проблеми енергозбереження // Коммунальное хозяйство городов (Харківська державна академія міського господарства) -К.: Техніка. - 2000. - Выпуск 25. -С. 218-221.

16. Рябчиков М.Л. Визначення жорсткості опор рідинонаповнених пристроїв методом муарових смуг // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 2000. - Выпуск 117. - С. 29-31.

17. Рябчиков М.Л., Хасанова К.С. Експериментальні дослідження витрат при роботі рідиноохолоджуючих барабанів // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 2000. - Выпуск 118. - С. 23-24.

18. Рябчиков М.Л. Вплив жорсткості опор валів з гідравлічним керуванням на профіль прогинів // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 2000. - Выпуск 119. - С. 28-30.

19. Рябчиков М.Л. Про можливість створення барабанів із змінною по довжині температурою // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. -Харьков: ХГПУ. - 2000. - Выпуск 124. - С. 76-80.

20. Рябчиков М.Л., Резниченко М.К. Вібрації у прямокутних пружних каналах для проходження рідини // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - Харьков: ХГПУ. - 2000. - Выпуск 128. - С. 115-121.

21. Рябчиков М.Л., Смирнов І.П. Проблеми виготовлення і обробки тонкостінних технологічних барабанів // Вісник технологічного університету Поділля. - 2000. - № 6. - Частина 3 (27). - С. 109-112.

22. Рябчиков Н.Л., Евсюкова Л.О. Некоторые особенности деформирования оболочечных конструкций при асимметричном нагружении // Науковий вісник будівництва (Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури). - Харків: ХДТУБА. - 2001. - Вип. 12. - С. 150-153.

23. Рябчиков М.Л., Резниченко М.К. Побудова машин для новітніх технологічних процесів обробки пакувальних матеріалів // Коммунальное хозяйство городов (Харківська державна академія міського господарства). - К.: Техніка. - 2001. - Выпуск 30. - С. 259-261.

24. Рябчиков Н.Л., Резниченко Н.К., Фалеева Е.Н. Методы трехмерного моделирования в автоматизированном проектировании валов и барабанов // Вісник національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”.- 2001. - № 6. - С. 214-218.

25. Рябчиков М.Л., Резниченко М.К., Богданова Г.В. Експериментальні дослідження барабанів з охолодженням рідиною // Вісник національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”. - 2001. - № 15. - С. 96-100.

26. Рябчиков М.Л., Оболенська Т.О., Мельниченко О.А. Ефект зворотних деформацій при асиметричному навантаженні циліндричних оболонок // Коммунальное хозяйство городов (Харківська державна академія міського господарства). -К.: Техніка. - 2001. - Выпуск 33. - С. 75-79.

27. Рябчиков Н.Л., Седов И.Б., Кислов А.Г. Динамика переходных процессов в валах с гидравлическим управлением подвижными элементами // Вестник Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета. - Харьков: ХНАДУ. - 2001. - Выпуск 15-16. - С. 27-30.

28. Рябчиков Н.Л., Челышева С.В. Проблемы построения САПР систем подачи жидкости во вращающиеся элементы машин // Вісник національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”.- 2002. - № 20. - С. 97-102.

29. Рябчиков М.Л., Оболенська Т.О., Мельниченко О.А. Особливості розрахунків на міцність валів з гідравлічним керуванням // Вісник національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”.- 2003. - № 8. - т. 3. - С. 67-72.

30. Рябчиков М.Л. Побудова загальної теорії рідинонаповнених валів на основі системи морфологічних ознак // Вісник національного технічного університету “ХПІ”. - Харків: НТУ “ХПІ”.- 2003. - № 9. - т. 1. - С. 57-62.

31. Спосіб обробки тонких оболонок: Патент України на винахід 44448А, МКІ В29В1/00 / Рябчиков М.Л., Смирнов І.П. № 2001021396; заявлено 28.02.2001; Опубл. 15.02.2002; Бюл. № 1. - 2 с.

32. Бизюков А.А., Бобков В.В., Рябчиков Д.Л., Рябчиков Н.Л., Целуйко А.Ф., Юнаков Н.Н. Вакуум-плазменное нанесение покрытий на рулонные матераиалы // Вопросы атомной науки и техники (Харьковский физико-технический нститут). - Харьков: ННЦ ХФТИ. - 1998. - Выпуск 4(5), 5(6). - С. 93-95.

33. Рябчиков Н.Л., Рябчиков Д.Л., Бобков В.В., Безбородов С.Д. Охлаждение рулонных материалов в установках вакуумной металлизации // Вісник харківського університету. Серія фізична.” Ядра, частинки, поля”. - Харків: ХДУ. - 1998. - № 421. - С. 205-208.

34. Безбородов С.Н., Рябчиков Н.Л., Рябчиков Д.Л. Оптимизация обечаек лентопротяжных барабанов на этапе изготовления // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. Сборник научных трудов ХГПУ. - Харьков: ХГПУ. - 1998. - Выпуск 6. - Часть четвертая. - С. 4-7.

35. Рябчиков М.Л., Безбородов С.М. Деякі питання проектування пристроїв для відведення теплових потоків в процесах обробки полімерних плівок та штучних шкір // Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини. Збірник наукових праць. - К.: Фада ЛТД. - 1999. - Випуск № 5. - С. 328-331.

36. Макушенко Т.В., Рябчиков Н.Л., Чепурко И.П. Энергосбережение при сборке соединений деталей машин посредством учета вероятностного характера рассеяния технологических параметров // Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини. Збірник наукових праць. - К.: Фада ЛТД. - 1999. - Випуск № 6. - С. 121-124.

37. Рябчиков Н.Л. Привод челнока: Препр. / Украинская информационная корпорация УКРИТИ. ХЦНТИЭИ; ИЛ 28-94. -Харьков: 1994. - 3 с.

38. Лазаренко В.І., Рябчиков М.Л., Савіна В.А. Основи технічної механіки. Програма для навчальних закладів ІІІ рівня акредитації.: Препр. / Міністерство енергетики та електрифікації України. Управління кадрів і соціальних питань. Навчально-методичний кабінет. - К: 1996. -27 с.

Размещено на Allbest.ru