Параметричний синтез кільцевих робочих органів без механічних опор для підвищення технічного рівня машин з прямим приводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

ПАРАМЕТРИЧНИй СИНТЕЗ КІЛЬЦЕВИХ РОБОЧИХ ОРГАНІВ БЕЗ МЕХАНІЧНИХ ОПОР для ПІДВИЩЕННЯ ТЕХНІЧНОГО РІВНЯ МАШИН З ПРЯМИМ ПРИВОДОМ

Спеціальність 05.02.02 - машинознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Брешев Володимир Євгенович

Луганськ - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Єрошин Сергій Сергійович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри „Обладнання електронної промисловості”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кіндрацький Богдан Ілліч, Національний університет „Львівська політехніка” професор кафедри „Деталі машин”;

кандидат технічних наук, доцент Полетучій Олександр Іванович, Національний аерокосмічний університет імені М.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут”, доцент кафедри „Теоретична механіка і машинознавство”.

Провідна установа - Одеський національний політехнічний університет, кафедра „Теоретична механіка і машинознавство”, Міністерство освіти і науки України, м. Одеса.

Захист відбудеться “_28_ “ _грудня_ 2006р. о _10_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.03 Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а.

Автореферат розісланий “_25_ “ _листопада_ 2006р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Осенін Ю.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Розвиток машинобудування є необхідною умовою економічного росту України, зміцнення її позицій на світовому ринку наукомісткої продукції як держави з високим науково-технічним потенціалом. Головною умовою такого розвитку є не стільки нарощування виробничих потужностей, скільки швидке впровадження наукових розробок, які дозволяють істотно підвищити технічний рівень, якість та конкурентоспроможність продукції машинобудування. Це повною мірою стосується й створення машин з прямим приводом робочих органів без механічних опор.

Актуальність теми. Робочі машини спеціального та загального призначення, їх окремі вузли і механізми постійно вдосконалюються. Підвищення технічного рівня машин здійснюється шляхом впровадження нових технічних рішень, використанням сучасних технологій та наукових розробок. До таких відносяться безконтактні опори, вали яких приводять до обертального руху кільцеві робочі органи (КРО) машин. Безконтактні опори дозволяють збільшити робочу частоту обертання і довговічність машин, знизити втрати на тертя, однак при цьому не зменшується число обертових деталей та їх маса, на попередньому рівні залишаються енергоспоживання, вагові й габаритні параметри, собівартість машин.

Скорочення кількості деталей, які обертаються, підвищення надійності при зниженні собівартості машини, зменшення її маси та енергоспоживання можуть бути досягнуті шляхом безконтактної передачі крутного моменту і стабілізуючих сил безпосередньо на КРО. У даному випадку виключаються механічні опори у вигляді підшипників та приводний вал, конструкція машини з прямим приводом стає простішою - з найменшою кількістю деталей. КРО без механічних опор можуть ефективно застосовуватися у машинах різного призначення - верстатах для різання монокристалів, відцентрових або вихрових насосах, сепараторах тощо.

Основною задачею при створенні таких машин є забезпечення стійкого руху КРО без механічних опор. Тому параметричний синтез КРО здійснюється за критерієм їх асимптотичної стійкості обертання шляхом динамічного аналізу, вибору параметрів розподілу зовнішніх сил та геометричних параметрів КРО. При цьому реакції механічних опор та момент сил на приводному валі вимагають заміни зовнішніми силами іншої природи - електродинамічними, газо- або гідродинамічними, технологічних опірив. Вони формують головний момент, який приводить КРО до обертання та головний вектор, який створює реакцію на зовнішній вплив і надає стабілізуючу дію. Всі зовнішні сили розглядаються у контексті створення стійкого обертання КРО без дослідження природи їх виникнення.

Таким чином, параметричний синтез КРО без механічних опор для підвищення технічного рівня машин з прямим приводом є актуальним науково-технічним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертації пов'язані з науково-дослідними роботами за темою „Исследования движения осесимметричного ротора, испытывающего действие внешних сил в неоднородном вращающемся магнитном поле”, які виконані кафедрою „Обладнання електронної промисловості” Східноукраїнського державного університету (ГН26-96, ГН6-00, ГН-20-01); темою науково-технічної роботи „Створення конструкції безпосереднього привода інструменту та робочих органів верстатів з використанням електромагнітних опор” (№ ДР 0103U008250), яка виконана Східноукраїнським національним університетом ім. В. Даля в період з 24.08.2003р. до 31.10.2004р. відповідно до угоди №ДЗ/329-2003 з Міністерством освіти і науки України. Автор дисертації був виконавцем науково-технічної роботи.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є параметричний синтез кільцевих робочих органів без механічних опор за критерієм їх асимптотичної стійкості обертання в машинах з прямим приводом. Створення КРО шляхом вибору параметрів розподілу зовнішніх сил та геометричних параметрів дозволить підвищити надійність машин, знизити собівартість, зменшити їх масу і енергоспоживання.

Задачі дослідження:

- визначити зовнішні сили, які створюють обертання КРО, а також параметри для подальшого синтезу КРО, від яких залежить стійкість руху при відсутності механічних опор;

- розробити математичну модель та визначити критерій асимптотичної стійкості обертання КРО без механічних опор, дослідити рух при різному розподілі зовнішніх потенційних сил і сил опору руху;

- розробити способи підвищення стійкості обертання шляхом синтезу геометричних параметрів КРО та параметрів розподілу зовнішніх сил за критерієм асимптотичної стійкості руху та умови приведення до нуля тангенціальної складової головного вектора;

- розробити експериментальну установку та методику вимірів, практично здійснити стійке обертання КРО без механічних опор;

- провести експериментальну перевірку результатів теоретичних досліджень;

- на основі проведених досліджень сформулювати концепцію стійкості руху робочих органів, які мають форму широкого кільця;

- виконати фізичне моделювання верстатів різання та динамічних насосів з КРО без механічних опор.

Об'єкт дослідження - стійкість руху кільцевих робочих органів без механічних опор у машинах з прямим приводом.

Предмет дослідження - функціональні взаємозв'язки між параметрами розподілу зовнішніх сил, геометричними параметрами, параметром положення та стійкістю обертання КРО без механічних опор.

Методи дослідження: методи аналітичної механіки (при визначенні сил та моментів, які діють на КРО), класичні методи математичного аналізу (при побудові та аналізі математичної моделі); аналітичні та чисельні методи розв'язку диференціальних рівнянь (при складанні, розв'язанні й аналізі рівнянь руху); методи теорії стійкості руху Ляпунова О.М. (при оцінці стійкості руху КРО на основі якісного аналізу диференціальних рівнянь руху, розробці критерію стійкого обертання); методи теорії пружності (при дослідженні напруженого стану та визначенні припустимої частоти обертання); методи експериментальних досліджень (динамометричний вимір реакцій робочого органу, оптичний метод виміру частоти обертання, макетне моделювання машин з КРО без механічних опор).

Наукова новизна отриманих результатів:

Вперше проведені теоретичні дослідження щодо параметричного синтезу КРО, які під дією зовнішніх сил стійко обертаються без механічних опор і виконують роботу в машинах з прямим приводом. При цьому:

1.Одержала подальшого розвитку математична модель плоско-паралельного руху та вперше отримано критерій асимптотичної стійкості обертання КРО без механічних опор, який зв'язує зовнішні потенційні сили, масу та сили опору руху, виконання якого гарантує збереження фіксованого положення КРО в площині обертання.

2.Уперше теоретично визначені способи підвищення стійкості обертання КРО через вибір геометричних параметрів та параметрів розподілу зовнішніх сил, за яких приводиться до нуля дестабілізуюча тангенціальна складова головного вектора.

3.Уперше отримані аналітичні вираження для розрахунку геометрії КРО без механічних опор, визначення зовнішніх сил і моментів, які дозволяють проводити параметричний синтез КРО, що здатні виконувати роботу при обертанні в центральному або зміщеному положенні, на різних швидкостях та при різних навантаженнях.

4.На основі силового аналізу вперше встановлені особливості прикладання до КРО без механічних опор зосередженого або розподіленого навантаження та запропоновані способи прикладання навантаження, при яких у площині обертання на КРО діють зовнішні сили і моменти, що мають негативний зворотний зв'язок зі зміщенням при збуреннях.

Практичне значення отриманих результатів:

1.Встановлено, що застосування КРО без механічних опор дозволяє створювати машини з прямим приводом на новому технічному рівні - з мінімальною кількістю деталей, що робить їх конструкцію більш простою та раціональною. Оскільки обертаються тільки КРО, загальна маса деталей, які рухаються, в цілому зменшується у 10...100 разів. Поряд з цим, безконтактна передача сил та крутного моменту безпосередньо на КРО дозволяє збільшити їх робочу частоту обертання до 3...6 тис об/хв та знизити вібраційні навантаження.

2.Запропоновані методи розрахунку та технічні рішення щодо забезпечення асимптотичної стійкості обертання КРО без механічних опор використовуються на підприємстві „Машинобудівний завод 100” при проектуванні верстатів різання напівпровідникових монокристалів і динамічних насосів (підтверджується актом впровадження). У верстатах різання нової конструкції відрізне коло не має натяжного пристрою та механічних опор, що забезпечує багатократне зменшення обертаючих мас та зменшення у два рази діаметра відрізного кола. Це приводить до зменшення маси верстатів у 5...10 разів, а енергоспоживання у 1,5...3 рази у порівнянні з верстатами традиційної конструкції. Насоси мають більш високу герметичність та надійність завдяки відсутності вузлів ущільнень і механічних опор, меншу у 1,2...1,5 рази масу. Простота конструкції насосів забезпечує зниження їх собівартості та експлуатаційних витрат. Річний економічний ефект при виробництві верстатів різання та динамічних насосів підприємством оцінюється в 1200 тис. грн.

3.Розроблені й виготовлені експериментальна установка з вимірювальним комплексом, на їх базі створено діючі макети відцентрового насоса та верстата різання напівпровідникових монокристалів з КРО без механічних опор. Розроблено методику вимірів, рекомендації з розрахунку та проектування машин нової конструкції, отримано патент України та подані дві заявки на патент України.

4.Результати теоретичних досліджень та експериментальні установки використовуються в навчальному процесі СНУ ім. В.Даля на кафедрі „Машинознавство” у курсі „Деталі машин”, на кафедрі „Обладнання електронної промисловості” у дисциплінах „Основи проектування СТО”, „Розрахунок і конструювання” (підтверджується актами).

Результати досліджень можуть бути використані машинобудівними та верстатобудівними підприємствами, проектними організаціями при розробці й виготовленні верстатів для різання монокристалів, динамічних насосів, інших машин з прямим приводом робочих органів.

Особистий внесок здобувача:

розроблено математичну модель руху та знайдено критерій асимптотичної стійкості обертання, досліджено стійкість руху та проведено параметричний синтез КРО без механічних опор [1], [3], [10];

отримані аналітичні вираження для розрахунку геометрії КРО, визначення зовнішніх сил та моментів, сформульовано концепцію стійкого руху КРО без механічних опор [1], [2], [10];

розроблено способи підвищення стійкості обертання КРО шляхом параметричного синтезу, запропоновано технічні рішення та рекомендації з розрахунку й проектування машин з КРО нової конструкції [6], [8], [10];

розроблено методику та апаратуру експериментальних досліджень, запропоновано способи прикладання зовнішнього розподіленого або зосередженого навантаження на КРО [2], [3], [5];

проведено експериментальні дослідження [2], [3], [10];

розроблено та виготовлено діючі макети відцентрового насоса та верстата різання монокристалів з КРО без механічних опор, проведено оцінку ефективності їх застосування у машинах [2], [4], [7], [9].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації були представлені, обговорювалися та одержали позитивну оцінку:

на Міжнародній науково-технічній конференції „Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении” (2004 - Одеса);

на науковій конференції професорсько-викладацького складу та наукових співробітників СНУ ім. В.Даля „Наука -2004” (2004 -Луганськ);

на науково-технічній конференції з міжнародною участю „Електромашинобудування та електрообладнання” (2004 - Одеса);

на Міжнародній виставці новітніх досягнень у машинобудуванні, присвяченій Дням науки і техніки України у Республіці Індія (2004 -Делі);

на III Міжнародній науково-технічній конференції „Информационная техника и электромеханика „ИТЭМ - 2005” (2005 - Луганськ);

на науковій конференції професорсько-викладацького складу та наукових співробітників СНУ ім. В.Даля „Наука -2006” (2006 - Луганськ);

на 12 Міжнародній науково-технічній конференції „Физические и компьютерные технологии” (2006 - Харків).

У повному обсязі дисертаційна робота була заслухана й схвалена у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля на розширеному засіданні кафедри „Машинознавство” та на засіданні науково-технічного семінару секції 3 - машинознавство спеціалізованої вченої ради.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 10 робіт, у тому числі: п'ять статей у наукових журналах, чотири публікації - тези до міжнародних науково-технічних конференцій, патент України „Пристрій для різання монокристалів на пластини”.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків та трьох додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 189 сторінок, з них 166 сторінок основного тексту, 12 сторінок додатків. Список використаних джерел на 11 сторінках, він включає 135 найменувань.

кільцевий асимптотичний стійкість обертання

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність задачі дослідження, наведено загальну характеристику роботи, показано наукову та практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі виконано аналіз досліджень в галузі вдосконалення машин з обертовими робочими органами, розглянуті питання забезпечення стійкості руху обертових деталей у безконтактних підшипниках та опорах. Акцентовано увагу на технічних недоліках існуючих конструкцій, які можуть бути усунені безконтактною передачею сил і моментів безпосередньо на кільцеві робочі органи машин, тобто створенням КРО без механічних опор. Визначено головне наукове завдання - забезпечення асимптотичної стійкості обертання КРО при параметричному синтезі, сформульовано мету та задачі дослідження.

Аналіз робіт, присвячених створенню безконтактних опор та підшипників, конструкцій машин, де застосовуються обертові робочі органи кільцевої форми, дозволив зробити наступні висновки:

- існує науковий інтерес та широкі перспективи застосування вузлів, у яких виключено механічний контакт між обертовими й нерухомими деталями. Застосуванням безконтактних опор вирішуються проблеми довговічності, зниження непродуктивних втрат та збільшення швидкостей обертання. Як розвиток цього напрямку можна розглядати синтез КРО без механічних опор, використання яких дозволить підвищити надійність, змен-шити масогабаритні параметри, собівартість машин з прямим приводом;

- підвішування й утримання обертових валів без механічного контакту реалізується за допомогою сил різної природи - електродинамічних або електростатичних, газо- або гідродинамічних, сил опору. Але при цьому вал з конструкції не виключається, тому КРО утримується на валу, і крутний момент передається за допомогою вала, кількість обертових деталей не зменшується, на одному рівні зберігаються вага, габарити та рівень енергоспоживання; у ряді випадків потрібні додаткові системи керування рухом або допоміжні агрегати (компресори та маслонасоси);

- існує широка номенклатура машин, у яких крутний момент та стабілізуючі сили можуть безконтактно передаватися безпосередньо на робочі органи кільцевої форми, які зможуть виконувати корисну роботу без приводного валу, та істотно поліпшуються техніко-економічні показники машин;

- КРО без механічних опор можуть застосовуватися в нагнітачах різного призначення, насамперед у динамічних насосах, а також у верстатах різання напівпровідникових монокристалів, де алмазне відрізне коло без механічних опор ріже монокристали новим способом - на прохід.

З вищенаведеного визначається мета роботи, яка полягає у параметричному синтезі КРО за критерієм асимптотичної стійкості обертання, що дозволить підвищити технічний рівень машин з прямим приводом.

Значний вклад у створення теоретичних основ стійкого руху тіл, конструкцій вузлів і механізмів з безконтактними опорами, розробку методів розрахунку та принципів конструювання робочих машин з КРО без механічних опор внесли вчені: Ляпунов О.М., Бутенін М.В., Меркін Д.Р., Осокін Ю.О., Дроздович В.М., Пінегін С.В., Мартиненко Ю.Г., Голубенко О.Л., Єрошин С.С., Невзлін Б.І., Логунов М.П. та ін.

У другому розділі досліджені питання стійкості обертального руху КРО без механічних опор. Розроблено математичну модель руху та знайдено критерій асимптотичної стійкості обертання КРО. Для цього досліджено дію плоскої системи зовнішніх елементарних сил.

Кожна елементарна сила dF, яка діє на елементарну площадку abcd кільцевої пластини, має тангенціальну dFф та радіальну dFr складові, тобто спрямована під кутом ш до радіального напрямку в площині XOY. RРН, RРВ - зовнішній та внутрішній радіуси КРО, RСН, RСВ - зовнішній і внутрішній радіуси області дії зовнішніх сил. Симетрична відносно центра О система зовнішніх сил приводить КРО до обертання. Суми проекцій тангенціальних складових елементарних сил визначаються інтегралами:

(1)

де с - радиус-вектор;

В - характеристика поля сил (коефіцієнт пропорційності);

Сф і Сr - коефіцієнти, що враховують товщину, матеріал та частоту обертання КРО.

Момент тангенціальних сил відносно початку координат:

(2)

При рівномірному та симетричному розподілі елементарних сил:

. (3)

Якщо вісь симетрії області дії сил збігається з віссю симетрії КРО, то інтеграли (1) для тангенціальних сил та аналогічні інтеграли для радіальних сил будуть дорівнювати 0. Тоді центр мас КРО, навколо якого відбувається обертання, залишиться нерухомим.

У випадку виникнення зміщення ex КРО відносно області дії сил границі інтегрування RРВ і RРН у вираженнях (1) та (2) будуть функціонально залежати від кута , проекції тангенціальної сили обчислюються:

(4)

(5)

У силу того, що ex<<RРВ, можна прийняти, тоді, з точністю не менш 0,01% від абсолютної величини, dFфy може бути обчислена:

(6)

Величина крутного моменту тангенціальних сил при елементарному зміщенні ex, виходячи з (2), визначається:

. (7)

Обчислення інтеграла (7) приводить до остаточного виразу для крутного моменту:

. (8)

Радіальні сили не створюють момент відносно початку системи координат, а суми проекцій цих сил на координатні осі можуть бути знайдені:

та (9)

Якщо ex 0, тоді, а проекція радіальних сил на вісь ОХ:

. (10)

Таким чином, уздовж лінії зміщення виникає радіальна сила Frx, пропорційна ex. Вона знаходиться у негативному зворотному зв'язку зі зміщенням ex, тобто прагне повернути КРО у вихідне положення.

Розроблено математичну модель, яка включає системи диференціальних рівнянь, які описують рух КРО. За допомогою моделі досліджено рух КРО без механічних опор. Дослідження руху, коли діють зовнішні потенційні сили, а також сили опору, що пропорційні швидкості руху, показали можливість отримання стійкості при обертанні. У даному випадку рух центра мас КРО описується системою диференціальних рівнянь:

, (11)

де a =, b =, Dr та D - коефіцієнти, які визначають жорсткість опори КРО у радіальному та тангенціальному напрямках, m - маса КРО, , що визначається силами опору та . На підставі теорії стійкості руху отримано критерій асимптотичної стійкості обертального руху КРО:

або . (12)

Критерій (12) показує, що стійкість руху КРО збільшується при зростанні в'язкого опору V та жорсткості механічної системи у радіальному напрямку (визначається Fr), а також при зменшенні жорсткості у тангенціальному напрямку (визначається F ) і збільшенні маси m. Числовий розв'язок системи диференціальних рівнянь (11) при виконанні критерію (12), наприклад, коли a = 2; b = 0,02 і v = 2, показано на рис.2.

Відповідно до початкових умов центр мас КРО знаходиться не у початку системи координат (-1, -1), але з часом наближається до нього. Розв'язок системи диференціальних рівнянь (11) за умови, яка не відповідає критерію (12), показано у графічному виді на рис.3.

Таким чином, отриманий критерій асимптотичної стійкості обертання дозволяє визначити співвідношення між зовнішніми силами, які створюють рух, масою, силами технологічних та шкідливих опорів, за яких обертання КРО буде асимптотично стійким. Останнє є необхідною умовою виконання корисної роботи при застосуванні КРО без механічних опор у різних машинах з прямим приводом робочих органів.

У третьому розділі досліджено способи підвищення стійкості обертання КРО без механічних опор синтезом геометричних параметрів та параметрів розподілу зовнішніх сил. Для цього досліджено умови, коли при зміщенні на КРО діють зовнішні сили, які приводяться до крутного моменту Mo та стабілізуючого головного вектора F. Останній має визначатися радіальною складовою Fr, а його тангенціальна дестабілізуюча складова F повинна дорівнювати нулю або бути в багато разів меншою, ніж перша.

Розглянуто зміщення ех КРО відносно області дії зовнішніх сил (RCH, RCB) та сили, які діють на кільцеву пластину в характерних точках (А, В, С, D). Дослідження виконані для різних випадків співвідношень між геометричними параметрами (RРH, RРB, RCH, RCB) шляхом аналізу сил, які діють на окремі ділянки (фігури асиметрії) КРО, що показано на рис.4.

Отримані в ході дослідження результати представлені у табл.1

Отримані результати можна розділити на три характерні групи:

рівновага тангенційних сил досяжна через певне співвідношення між геометричними параметрами КРО та області дії зовнішніх сил;

досягнення врівноваженості можливе завдяки зміні величини елементарних сил на зовнішньому та внутрішньому контурах КРО (досягається зміною характеристики В);

- досягнення врівноваженості тангенціальних сил неможливе.

Для забезпечення стійкості руху закон зміни проекції dF елементарної сили dF уздовж радіуса не повинен збігатися із законом зміни dFr. При осьовій симетрії робочого органу та системи зовнішніх сил відсутність подоби між проекціями dF та dFr досягається зміною кута нахилу елементарної сили dF, який є параметром розподілу зовнішніх сил. Для одержання негативного зворотного зв'язку між вектором зміщення та головним вектором необхідно, щоб кут зменшувався при наближенні до центра обертання. У цьому випадку рівність F = 0 можлива, якщо eВ=2eН=2e. При RСН = RРН та RСВ<RРВ умова стійкості руху набуває виду:

або (13)

Розв'язок рівняння (13) відносно tgН має вид:

. (14)

Знаючи величину В , можна знайти Н, а потім, задаючись RРН або RРВ, визначити розміри КРО без механічних опор згідно з (13) та обчислити стабілізуючу силу Fr :

. (15)

Для забезпечення асимптотичної стійкості обертання КРО без механічних опор були знайдені необхідні закони зміни кута нахилу ш елементарних сил dF та їх модуля залежно від відстані від центра обертання. На рис.5 показано розподіл елементарних сил на КРО.

Виконання умови п.1.1 табл.1 приведе до зрівноважування тангенціальних дестабілізуючих сил при виникненні зміщення. Виконання двох інших умов dFrВ > dFrН і В < Н приводить до формування головного вектора, що перебуває в негативному зворотному зв'язку з вектором зміщення ех. У такий спосіб визначаються параметри для забезпечення асимптотичної стійкості обертання КРО.

У четвертому розділі сформульовано цілі експериментальних досліджень, описано апаратуру експерименту, яка була розроблена та виготовлена спеціально для дослідження руху КРО без механічних опор, розкрито зміст методики експериментальних досліджень.

Для фізичного моделювання машин з КРО без механічних опор було розроблено та виготовлено діючі макети верстата різання та динамічного насоса.

До складу вимірювального комплексу ввійшли двокомпонентний динамометр ДМ2-2 та оптичний вимірник частоти обертання. Конструкція динамометра є оригінальною та забезпечує створення різних типів навантажень - симетричного або несиметричного. Кожний чутливий елемент являє собою незалежний двокомпонентний динамометр для виміру тангенціальних та радіальних складових.

Особливістю методики експериментальних досліджень є вибір режимів та навантажень, за яких забезпечується стійке обертання КРО, моніторинг параметрів у динамічному режимі та фіксація результатів вимірів на сталих режимах обертання, проведення однофакторних експериментів з обробкою результатів вимірів методами математичної статистики.

У п'ятому розділі наведено основні результати експериментальних досліджень та рекомендації щодо застосування КРО у машинах з прямим приводом різного призначення. Досліджено вплив напряму обертання на стійкість руху, експериментально перевірено критерій асимптотичної стійкості руху КРО без механічних опор (12). Показано, що стійкість обертання збільшується з ростом жорсткості безконтактної опори КРО у радіальному напрямку та сил зовнішнього опору V, які пропорційні швидкості відносного руху. Експериментально підтверджено зниження стійкості руху при збільшенні жорсткості безконтактної опори у тангенціальному напрямку і маси m КРО. Показано, що зі зростанням зміщення ех лінійно збільшується радіальна реакція Frх робочого органу на зовнішнє навантаження. На рис. 7 показано залежність сили Frх від зміщення ех мідного КРО товщиною 0,75 мм при різних кутах нахилу елементарних зовнішніх сил, які визначаються індукторами 1 та 2.

Для порівняння результатів теоретичних досліджень з експериментом було виконано розрахунок залежності Fr = f(ex) згідно з формулою (10). Розбіжність розрахункових даних (прямі 3 та 4) з даними експерименту (прямі 1 і 2) не перевищила 10...12 %.

Окремо досліджено функціональні залежності тангенціальної складової головного вектора F від геометричних та інших параметрів.

Збільшення відносного отвору кільцевої пластини приводить до монотонного зменшення сили F. Приблизно у точці тангенціальна складова переходить через 0 та змінює свій знак. Залежність сили F від безрозмірного параметра б під дією зовнішніх елементарних сил з різним кутом нахилу та при різних зміщеннях ех КРО.

При збільшенні ех від 1 мм (прямі 2 та 4) до 5 мм (прямі 1 та 3) тангенціальні сили також збільшуються. Збільшення кута нахилу ш елементарних сил приводить до збільшення жорсткості безконтактної опори КРО у тангенціальному напрямку (прямі 3 і 4).

Досліджено та запропоновано методи навантаження КРО. Показано, що КРО без механічних опор можуть сприймати різні навантаження - зосереджені або розподілені, симетричні або несиметричні. Якщо зосереджене навантаження несиметричне, то воно має прикладатися тільки по внутрішній крайці. У даному випадку момент зовнішніх сил протидіє збуренню, тому таке навантаження не викликає втрати стійкості руху КРО.

Показано, що зі збільшенням сил зовнішнього опору та моменту навантаження стійкість руху підвищується, як це передбачено критерієм (12) асимптотичної стійкості обертального руху КРО.

На основі проведених досліджень сформульовано концепцію стійкості руху КРО без механічних опор. У ній узагальнено вимоги, пов'язані з геометричними параметрами робочого органу та області дії зовнішніх сил, параметрами розподілу зовнішніх сил, способами прикладання технологічного навантаження, розподілом та величиною сил зовнішнього опору. На діючих макетах верстата різання та динамічного насоса з КРО без механічних опор було здійснено різку напівпровідникового монокристалу на прохід відрізним колом та відтворено роботу відцентрового насоса з робочим колесом без механічних опор.

Застосування КРО без механічних опор дозволяє значно спростити конструкцію машин, зменшити кількість та масу деталей, які обертаються, одержати ряд інших технічних переваг.

Для порівняння на рис.9 показано робочі органи (АКВР з пристроєм для натягування) існуючих верстатів різання напівпровідникових монокристалів (1) та КРО без механічних опор (2).

Відсутність механічного зв'язку між відрізним колом та верстатом дозволяє при різанні проходити злиток всією шириною кільця, тобто на прохід, як це відбувається при різанні монокристалів штрипсами. Тому для відрізного кола нової конструкції не потрібно, щоб ширина кільця перевищувала діаметр злитка. У результаті діаметр нового інструмента зменшується більш, ніж у 2 рази, що приводить до значного зменшення ваги та габаритів верстата. Маса деталей, які обертаються, зменшується більш ніж в 100 разів (з 20...70 кг до 0,15...0,4 кг), що значно підвищує технічний рівень верстатів з точки зору надійності, собівартості, експлуатаційних витрат тощо. Доцільно застосовувати таки верстати, насамперед, для розрізання злитків напівпровідникових монокристалів на заготовки.

У динамічних насосах застосування робочих коліс без механічних опор дозволяє не тільки спростити конструкцію, виключивши приводний вал і вузли підшипників, але виключити ще й ущільнення по валу.

Відсутність ущільнень значно підвищує герметичність та надійність насосів, що важливо при роботі з небезпечними рідинами (отрутними, радіоактивними та криогенними). Наряду з цим зменшується собівартість, вага та габарити динамічних насосів з робочим колесом нової конструкції.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу параметричного синтезу кільцевих робочих органів без механічних опор за критерієм асимптотичної стійкості їх обертання. Використання таких КРО підвищує технічний рівень машин з прямим приводом. Теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено ефективність застосування робочих органів без механічних опор у верстатах різання напівпровідникових монокристалів та динамічних насосах.

Виконані дослідження дозволяють зробити наступні висновки:

1. У цей час розширюються межі застосування безконтактних підшипників та безконтактних опор, за рахунок чого підвищується довговічність і гранична швидкість обертання, а також знижується рівень вібрацій та підвищується їх ККД. Однак при цьому не зменшується число обертових деталей та їх маса, приблизно на одному рівні залишаються енергоспоживання, вагові й габаритні параметри машин, їхня надійність. Дані проблеми можуть бути вирішені шляхом безконтактної передачі крутного моменту та стабілізуючих сил безпосередньо на робочий орган. У цьому випадку виключаються механічні опори, конструкція робочої машини стає простішою. Основним завданням на шляху створення таких машин є забезпечення при параметричному синтезі КРО стійкості їх обертального руху під дією зовнішніх сил.

2. Аналіз зовнішніх сил і моментів, які спричиняють рух КРО без механічних опор, дозволив визначити параметри для синтезу, від яких залежить розподіл зовнішніх сил. Встановлено, що при незбуреному русі діє тільки момент сил Mo , а при збурюванні й головний вектор F, який, у загальному випадку, має радіальну Fr та тангенціальну F складові. Перша, в певних умовах, може мати негативний зворотний зв'язок зі зміщенням ех і надавати стабілізуючу дію, а друга складова завжди є дестабілізуючою, тому при параметричному синтезі має бути зменшеною до нуля.

3. На підставі теоретичних досліджень зовнішніх сил, аналізу рівнянь руху з використанням теорії стійкості руху Ляпунова О.М. розроблено математичну модель та знайдено критерій асимптотичної стійкості обертання КРО. Він зв'язує жорсткість безконтактної опори КРО у різних напрямках, масу та сили зовнішнього опору, визначає співвідношення між ними, за яких асимптотична стійкість обертання гарантована. За даним критерієм виконано параметричний синтез КРО без механічних опор.

4. Установлено, що рух стає більш стійким при збільшенні жорсткості безконтактної опори КРО в радіальному напрямку й сил зовнішнього опору V. З ростом маси m і жорсткості опори в тангенціальному напрямку стійкість руху КРО знижується. Відповідно до критерію асимптотичної стійкості обертання розроблені способи її підвищення завдяки приведенню до нуля тангенціальної складової F головного вектора, що досягається синтезом геометричних параметрів КРО без механічних опор, а також параметрів розподілу зовнішніх сил.

5. Теоретичні положення та технічні рішення, які були розроблені, узагальнені в концепції стійкого руху КРО. Виходячи з того, що характер руху визначається зовнішніми силами, основу концепції становлять вимоги до їх розподілу, які й були реалізовані в ході параметричного синтезу КРО без механічних опор для верстата різання та динамічного насоса.

6. Розроблено рекомендації з розрахунку та проектування механізмів з КРО без механічних опор - порядок розрахунку геометрії, визначення стабілізуючої радіальної сили Fr і крутного моменту Mo на КРО, запропоновано й обґрунтовано режими функціонування та способи прикладання зовнішнього навантаження.

7. Для перевірки основних висновків теоретичних досліджень були розроблені й виготовлені експериментальна установка та вимірювальний комплекс, який складається з двокомпонентного динамометра, оптичного вимірника частоти обертання та вимірювально-обчислювальної системи на базі ПК. Експерименти підтвердили адекватність математичної моделі та критерію асимптотичної стійкості обертання, ефективність проведеного параметричного синтезу КРО. Розбіжність даних теоретичних розрахунків та експерименту не перевищила 10...12% з імовірністю потрапляння у довірчий інтервал 0,95.

8. Теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено, що КРО без механічних опор можуть стійко обертатися як на холостому ходу, так і під навантаженням без обмеження частоти обертання. В експерименті досягнуті частоти обертання понад 5000 об/хв. Корисне навантаження може бути як зосередженим, так і розподіленим, симетричним або несиметричним відносно центра обертання. Це значно розширює сферу можливого використання КРО без механічних опор.

9. При дії навантажень різного характеру КРО виходять на стаціонарний режим обертання. Вони не втрачають стійкості руху на перехідних режимах - розгоні або гальмуванні (до 20 с-2), при входженні у взаємодію з робочим тілом та виході з нього, що принципово важливо для функціонування машин. В експериментах КРО без механічних опор під навантаженням досягали частоти обертання 4,5...5 тис. об/хв, що підтверджує ефективність запропонованого критерію асимптотичної стійкості обертального руху та технічних рішень для його забезпечення.

10. На діючому макеті безшпиндельного верстата різання проведена різка злитка кремнію новим способом - на прохід, чим доведено розширення функціональних можливостей верстатів з КРО без механічних опор. При цьому знімаються обмеження на діаметр злитків, які обробляються, зменшуються розміри різального інструменту приблизно у 2 рази, а маса рухомих деталей - приблизно у 100 разів. Це дозволяє істотно спростити конструкцію та знизити в 1,5...3 рази енергоспоживання верстата, а його масу - в 5...10 разів.

11. На діючому макеті відцентрового насоса показано стійке обертання робочого колеса без механічних опор та створення ним потоку робочої рідини. Застосування такого робочого колеса дозволяє виключити з конструкції насоса вал, вузли підшипників та ущільнення за валом, досягти високого рівня герметичності. Це приводить до підвищення надійності насосів, розширення сфери застосування завдяки високому рівню безпеки при роботі з агресивними рідинами. Простота конструкції забезпечує зниження собівартості та експлуатаційних витрат, зменшення в 1,2...1,5 рази маси й габаритів насосів з робочими колесами без механічних опор.

Отримані у роботі результати можуть бути рекомендовані для використання машинобудівними підприємствами та проектними організаціями при розробці та виготовленні безконтактних опор, верстатів різання напівпровідникових матеріалів, динамічних насосів, сепараторів, інших машин з прямим приводом обертових робочих органів кільцевої форми.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ праць За ТЕМою ДИСЕРТАЦІЇ

1.Ерошин С.С., Невзлин Б.И., Брешев В.Е. Исследование условий устойчивого равновесия кольцевого ротора во вращающемся силовом поле // Праці Луганського відділення Міжнародної академії інформатизації. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В.Даля, 2004. - №2(9). - С. 81-87.

2.Ерошин С.С., Невзлин Б.И., Брешев В.Е. Создание привода со свободным ротором - режущим инструментом // Електромашинобудування та електрообладнання. - 2004. - №62. - С. 84-87.

3.Ерошин С.С., Невзлин Б.И., Брешев В.Е. Экспериментальное исследование реакций свободного кольцевого ротора на радиальную нагрузку // Праці Луганського відділення Міжнародної академії інформатизації. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В.Даля, 2005. - № 1(10). - С.23-25.

4.Ерошин С.С., Брешев В.Е., Невзлин Б.И. Применение привода со свободным ротором в узлах и механизмах различного назначения // Праці Луганського відділення Міжнародної академії інформатизації. - Луганськ: Вид-во СНУ ім. В.Даля. - 2005. - № 2(11). - С.122-126.

5.Ерошин С.С., Невзлин Б.И., Брешев В.Е., Мирошник С.А. Разработка динамометра и методики измерения реакций свободно вращающегося кольцевого ротора // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2005. - № 3(85). - С.84-89.

6.Ерошин С.С., Брешев В.Е. Исследование прочности медного кольцевого ротора в бесшпиндельном станке резки монокристаллов // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля. - 2005. - № 10(92). - С.55 - 62.

7.Ерошин С.С., Брешев В.Е. Повышение эффективности машин применением рабочих органов без механических опор // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2005. - №5(17). - С. 82-85.

8.Патент України №76825 МПК H01L 21/461 В28D 5/00 „Пристрій для різання монокристалів на пластини” / Голубенко О.Л., Єрошин С.С., Невзлін Б.І., Брешев В.Є. Опубл. 15.09.2006, Бюл. № 9 - 3с.

9.Ерошин С.С., Брешев В.Е. Создание ресурсосберегающего оборудования нового поколения для резки монокристаллов алмазным кругом, который движется в магнитном поле и является кольцевым ротором привода // Тез. докл. МНТК “Новые и нетрадиционные технологии в ресурсо- и энергосбережении”. - Одесса - Киев: АТМ Украина, 2004. - С. 52-55.

10.Ерошин С.С., Брешев В.Е. Параметрический синтез рабочих органов без механических опор для повышения технического уровня машин с прямым приводом // Тез. докл. МНТК „Физические и компьютерные технологии”. - Харьков: ХНПК ФЭД, 2006. - С.193-196.

АНОТАЦІЯ

Брешев В.Є. Параметричний синтез кільцевих робочих органів без механічних опор для підвищення технічного рівня машин з прямим приводом. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - Машинознавство. - Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2006.

Дисертаційна робота присвячена параметричному синтезу кільцевих робочих органів без механічних опор за критерієм їх асимптотичної стійкості руху для підвищення технічного рівня машин з прямим приводом. Стійке обертання КРО без механічних опор дозволяє їм виконувати корисну роботу в машинах з прямим приводом різного призначення. Такі машини мають найменше число рухомих деталей та поліпшені технічні характеристики. На прикладах верстата різання монокристалів, у якому відрізне коло не має механічних опор, та динамічного насоса з робочим колесом, яке не закріплене на валу з підшипниками та не має ущільнень, показана ефективність машин з прямим приводом КРО без механічних опор. При суттєвому спрощенні конструкції вони мають підвищену надійність, менші масу, габарити тощо.

Головною науково-технічною задачею, яка вирішувалася в роботі, є забезпечення при параметричному синтезі стійкого обертального руху КРО без механічних опор під дією зовнішніх сил різної природи. Для вирішення цього завдання досліджені зовнішні сили, розроблено математичну модель стійкого обертання КРО та знайдено критерій асимптотичної стійкості руху, який пов'язує потенційні сили, масу та сили зовнішнього опору. Розроблено способи підвищення стійкості руху завдяки синтезу геометричних параметрів та параметрів розподілу зовнішніх сил, визначено способи навантаження КРО без механічних опор. За допомогою діючих макетів верстата різання та динамічного насоса показано, що застосування КРО без механічних опор у машинах з прямим приводом різного призначення є технічно доцільнім та економічно ефективним.

Ключеві слова: кільцеві робочі органи без механічних опор, машини з прямим приводом, стійке обертання, критерій асимптотичної стійкості обертання, система зовнішніх сил, діючий макет.

АННОТАЦИЯ

Брешев В.Е. Параметрический синтез кольцевых рабочих органов без механических опор для повышения технического уровня машин с прямым приводом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - Машиноведение. - Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2006.

Диссертационная работа посвящена параметрическому синтезу кольцевых рабочих органов без механических опор по критерию их асимптотической устойчивости вращения в машинах с прямым приводом. Устойчивое вращение КРО под действием системы внешних сил при отсутствии механической связи позволяет выполнять полезную работу без использования приводного вала и узлов подшипников. Это делает более рациональной конструкцию машин с прямым приводом рабочих органов, приводит к повышению их технического уровня.

Главной научно-технической задачей, которая решалась в работе, является параметрический синтез КРО без механических опор при обеспечении их устойчивого вращения, поэтому он проводился по критерию асимптотической устойчивости движения. Для этого исследованы действующие на КРО внешние силы, разработана математическая модель и получен критерий асимптотической устойчивости вращения. Исследованы функциональные связи между параметрами распределения внешних сил, геометрическими параметрами, параметром положения вращающегося КРО без механических опор и устойчивостью его движения. Разработаны способы повышения устойчивости вращения КРО через синтез геометрических параметров и параметров распределения внешних сил. Предложены и обоснованы способы приложения к КРО технологической нагрузки и режимы функционирования, разработаны технические решения и рекомендации по проектированию машин с КРО без механических опор.

С целью проверки выводов теоретических исследований созданы экспериментальная установка и измерительный комплекс, действующие макеты станка резки и динамического насоса с КРО без механических опор, разработаны программное обеспечение и методика экспериментальных исследований.

Результаты теоретических исследований подтверждены экспериментально. Установлено, что КРО без механических опор сохраняет устойчивое вращение под действием внешних сил неограниченное время и способен совершать полный цикл “разгон-торможение”, достигая под внешней нагрузкой частоты вращения 4,5…5 тыс. об/мин и более.

На действующих макетах станка резки полупроводниковых монокристаллов и динамического насоса показана эффективность применения КРО без механических опор. В станках резки снимаются ограничения на диаметр обрабатываемых слитков, уменьшаются размеры режущего инструмента в 2 раза, а масса вращающихся деталей - примерно в 100 раз. Это позволяет существенно упростить конструкцию и снизить энергопотребление в 1,5…3 раза, а массу станка в 5…10 раз. Из конструкции динамического насоса исключаются приводной вал и узлы подшипников, уплотнения по валу, что обеспечивает высокий уровень герметичности, приводит к повышению надёжности насосов. Простота конструкции обеспечивает снижение себестоимости и эксплуатационных затрат, уменьшение в 1,2…1,5 раза массы и габаритов насосов с рабочими колёсами без механических опор. Годовой экономический эффект при производстве машин с КРО без механических опор для одного машиностроительного предприятия оценивается на уровне 1200 тыс. грн.

Результаты исследования могут быть использованы машиностроительными и станкостроительными предприятиями, проектными организациями при разработке, изготовлении центробежных и вихревых насосов, станков для резки полупроводниковых монокристаллов, сепараторов, других машин с прямым приводом рабочих органов кольцевой формы.

Ключевые слова: кольцевые рабочие органы без механических опор, машины с прямым приводом, устойчивое вращение, критерий асимптотической устойчивости вращения, система внешних сил, действующий макет.

ABSTRACT

Breshev V.E. Parametrical synthesis of ring working bodies without mechanical support for increase of technical level of machines with a direct drive. - Manuscript.

Dissertation for conferring the degree of candidate of technical sciences in specialty 05.02.02. - Machinery science. - East-Ukrainian Dahl National University, Lugansk, 2006.

Dissertational work is devoted to parametrical synthesis of ring working bodies without mechanical support on conditions that their movement in machines with direct drive is stable. Stable rotation of working bodies gives the opportunity to perform different useful work without power shaft and bearing blocks. Use of such working bodies in machines of various purpose allows to develop their new design with minimal number of details and expanded functionalities.

By the example of a machine for cutting monocrystals, where the cutting tool doesn't have mechanical support, and a dynamic pump with a blade wheel without a bearing shaft and shaft seal, efficiency of machines of rational design which, at essential simplification, have higher reliability, smaller mass, dimensions and power consumption, is shown.

The main scientific and technical problem solved in the work is the maintenance of steady rotation of working bodies without mechanical support under the action of a system of various external forces. For the decision of this problem external working forces are analyzed, mathematical model of steady rotation of working body is created and criteria of asymptotical stability of rotation which links potential forces, mass and external impedance is defined, methods of loading working bodies without mechanical support are determined.

Results of theoretical research are confirmed experimentally.

By means of working breadboard models it is shown that application of working bodies without mechanical support in cutting machines and dynamic pump is technically expedient and economically effective.

Key words: working bodies without mechanical support, steady rotation, criteria of asymptotic stability of rotation, system of outer forces, working breadboard model.

Размещено на Allbest.ur

...