Развитие основ проектирования систем транспортирования нитей и тканей текстильных машин как механизмов с гибкими звеньями

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗВИТИЕ ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ транспортирования НИТЕЙ И ТКАНЕЙ текстильных машин КАК МЕХАНИЗМОВ С ГИБКИМИ ЗВЕНЬЯМИ

Специальность 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (лёгкая промышленность)

Автореферат на соискание учёной степени доктора технических наук

Краснов Александр Алексеевич

Иваново 2009

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановская государственная текстильная академия».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Калинин Евгений Николаевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.В.Сигачева;

доктор технических наук, профессор С.Е.Проталинский ;

доктор технических наук, профессор В.И.Смирнов.

Ведущая организация: ГОУ ВПО «РОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ»

Защита состоится _8 апреля 2010_ года в ___ час. на заседании диссертационного совета Д212.061.01 в Ивановской государственной текстильной академии по адресу: 153000, г. Иваново, пр.Ф.Энгельса, 21.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Ивановской государственной текстильной академии

Автореферат разослан «___»_____________2009 года

Учёный секретарь

диссертационного совета Н.А.Кулида

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Методы проектирования машин текстильного производства достаточно развиты. Однако отсутствие единого подхода к проектированию основных механических систем этих машин - систем транспортирования нитей и ткани сдерживает дальнейшее их совершенствование.

Одним из путей развития методологии проектирования текстильных машин является разработанное нами направление, в котором системы транспортирования нитей и тканей рассматриваются как механизмы с гибкими звеньями. Разработка этого направления привела к необходимости использования системного подхода, специфика которого определяется тем, что он ориентирует работу на раскрытие целостности объекта и обеспечивающих его механизмов, т.е. ориентирует не только на исследование и разработку методов проектирования механизмов проводки, но и на исследование систем, обеспечивающих технологию текстильного производства, мониторинг и диагностику машин, а также систем, которые составляют научную базу для проектирования механизмов с гибкими звеньями в текстильных машинах.

Системный анализ основ проектирования механизмов с гибкими звеньями текстильных машин позволил поставить и решить проблему единого подхода ко всем системам транспортирования нитей и ткани независимо от типа текстильной машины, решить проблемы их систематики и структуры, разработать методы синтеза и анализа для некоторых классов этих механизмов, поставить и решить ряд задач, касающихся свойств механизмов с гибкими звеньями, позволил определить направления совершенствования ряда систем, обеспечивающих основные и вспомогательные технологические операции в машинах текстильного производства.

Цель работы - повышение эффективности проектирования текстильного оборудования, сокращение сроков его разработки и внедрения в производство, повышение его функциональных свойств в соответствии с требованиями современных производственных технологий.

Задачи исследований:

- систематизация механизмов с гибкими звеньями;

- развитие методов структурного синтеза и анализа, геометрического и кинематического анализа механизмов с гибкими звеньями;

- развитие методов динамического анализа механизмов с гибкими звеньями с учётом механических свойств гибких звеньев - нитей и тканей;

- разработка алгоритмов и компьютерных программ, реализующих методы синтеза и анализа механизмов;

- исследование и разработка направлений совершенствования механизмов с гибкими звеньями в конкретных типах текстильного оборудования; текстильный оборудование гибкий звено

- исследование и разработка направлений совершенствования вспомогательных механических систем, обеспечивающих работу механизмов с гибкими звеньями и выполнение технологических операций в текстильных машинах.

Научная новизна. В диссертации разработаны основы единого и системного методологического подхода к проектированию механизмов транспортирования нитей и тканей в текстильных машинах как механизмов с гибкими звеньями. В работе получены следующие результаты:

1. Разработана систематика механизмов с гибкими звеньями, в рамках которой предложены классификационные схемы гибких и направляющих звеньев и кинематических пар огибания, введены таксономические формулы для механизмов с гибкими звеньями.

2. Разработаны вид структурных матриц для плоских механизмов с гибкими звеньями, методы и алгоритмы структурного синтеза и анализа, кинематического анализа механизмов с гибким нерастяжимым звеном на основе структурных матриц.

3. В рамках поиска методов снижения деформации гибких звеньев, установлено наличие экстремума (минимума) натяжения гибкого провисающего звена в точках его подвеса, получены основные математические модели, описывающие геометрию провисающих гиперболических и параболических нерастяжимых звеньев в точке установленного экстремума; в рамках исследований деформации гибкого упругого звена при взаимодействии с фрикционной парой выявлено наличие гистерезиса натяжения гибкого звена; в рамках исследований причин появления вибраций в текстильных машинах установлено существование предельного радиуса кривизны траектории движения центра масс гибкого нерастяжимого звена, располагаемого по спирали Архимеда; установлена пропорциональность величины предельного радиуса кривизны траектории толщине звена; найден коэффициент пропорциональности; в рамках исследований причин колебаний гибкого нерастяжимого звена, провисающего на свободном участке механизма, выявлено существование зоны возможных колебаний величины его провиса, записано дифференциальное нелинейное уравнение простейшей модели такой системы, разработана методика решения этого уравнения, численно получены частные решения нескольких таких уравнений.

4. Получены частные уравнения, описывающие динамику многозвенных механизмов с нелинейным упругим гибким звеном, а также уравнение динамики для цилиндрического направляющего звена, взаимодействующего с нерастяжимой шероховатой нитью, показано существование пяти типов движения направляющего звена. Разработан метод расчёта распределений натяжения гибкого упругого звена в механизмах текстильных машин при установившемся движении, взаимодействие которого с направляющими ведущими звеньями механизма описывается законами сухого трения. Выявлено свойство независимости натяжения гибкого упругого звена в последней по направлению его движения зоне многозонного механизма с фиксированными скоростями входа и выхода гибкого звена из механизма от сил сопротивления его контурному движению. Установлено условие линейности формы гибкого звена на свободных его участках в таких механизмах.

5. Разработаны направления совершенствования способов и устройств: измерения длины тканей, измерения натяжения нитей и тканей в механизмах; - регулирования фрикционных моментных приводов направляющих звеньев в промывных отделочных машинах; формирования тканей; замыкания кинематических пар огибания в валковых отжимах.

Практическая ценность работы заключается в разработке методик, алгоритмов и пригодных к расчётной практике компьютерных средств синтеза и анализа систем проводки длинномерных текстильных материалов в текстильных машинах на основе единого подхода к ним как к механизмам с гибкими звеньями. Исследования в области механики механизмов с провисающими гибкими звеньями в области деформации гибких упругих звеньев, а также в области динамики тел намотки позволяют учесть выявленные свойства таких систем в практике проектирования механизмов транспортирования нитей и тканей в текстильных машинах. Разработанные способы транспортирования длинномерных текстильных материалов и устройства позволяют на практике улучшить качество продукции и повысить надёжность самих систем проводки. Полученный способ силового замыкания кинематических пар огибания позволяет существенно улучшить технологические характеристики отделочных текстильных машин, разработанные способ и устройство формирования ткани позволяют проектировать ткацкие станки c иными конструкциями механизмов прибоя и отвода ткани, позволяющих вырабатывать ткани с параметрами, получать которые традиционным способом достаточно затруднительно. Разработанный способ измерения длины длинномерных текстильных материалов позволит повысить точность и достоверность количества выпускаемой продукции, а способы измерения натяжения нитей и тканей позволяют создавать на их основе полноценные системы мониторинга и диагностики состояния систем транспортирования нитей и тканей текстильных машин.

На защиту выносятся положения, перечисленные в рубриках о научной новизне работы и практической ценности исследований.

Внедрение результатов. Результаты работы использованы в ЗАО «Технические ткани», приняты к внедрению в ООО ИПФ «ТексИнж», рекомендованы к внедрению на Кинешемской прядильно-ткацкой фабрике.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку:

- на международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2004 г.;

- международной научно-технической конференции «Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и лёгкой промышленности» (Пиктел - 2003), Иваново, ИГТА, 2003 г.;

- международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна» (Лён-2002), Кострома, КГТУ, 2002 г.;

- VIII - X, XIII международных научно-технической конференциях «Информационная среда вуза», Иваново, ИГАСА, 2001-2006 г. г.;

- международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологий» (Х Бернадосовские чтения), Иваново, ИГЭУ, 2001 г.;

- международных научно-технических конференциях «Прогресс», Иваново, ИГТА,- 2001, 2007 г. г.;

- семинаре по текстильному машиноведению (филиал семинара по ТММ РАН) - Кострома, КГТУ, 2008. г.;

- научном семинаре по проблемам повышения эффективности технологических процессов текстильного производства Ивановской государственной текстильной академии - Иваново, ИГТА, 2009. г.;

Технические разработки, предлагаемые в диссертации, удостоены серебряной медали на 37-м Международном салоне изобретений и новой техники (г. Женева, Швейцария).

Публикации. Основные результаты по теме диссертации представлены в 66-ти печатных работах, в числе которых 2 монографии, 7 статей, опубликованных в журналах Перечня ВАК, 5 авторских свидетельств СССР и 3 патента РФ, 12 тезисов международных научных конференций, 9 депонированных в ВИНИТИ статей, 1 депонированная в Ивановском ЦНТИ статья и 28 статей в сборниках научных трудов различных уровней.

Структура и объём работы. Диссертация объёмом 360 стр. содержит введение, 6 глав, приложения, рисунки и таблицы, список литературы из 368 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы положения, выносимые на защиту, показаны практическая ценность и научная новизна, приведено краткое содержание работы.

Глава 1 посвящена краткому анализу развития основ проектирования механизмов транспортирования нитей и тканей: состояния систематики и терминологии в этой области, проблем синтеза и анализа этих систем, вопросов, касающихся свойств гибких нитей и тканей и механизмов в целом в текстильных машинах, вопросов мониторинга и диагностики механизмов транспортирования, проблем совершенствования систем привода некоторых звеньев механизмов, а также вопросов механики систем транспортирования тканей, связанных с проблемами качества выпускаемого продукта. Отмечен вклад в решение вышеуказанных проблем таких учёных, как В.В.Добровольский, И.И.Артоболевский, Ф.М.Куровский, Е.Д.Ефремов, Б.Д.Ефремов, Н.И.Алексеев, А.П.Минаков, В.Н.Данилов, В.К.Качурин, Р.Я.Мацелинский, И.И.Мигушов, В.П.Новгородцев, П.Т.Калиновский, Ю.В.Якубовский, В.С.Щедров, В.П.Щербаков, И.Ш.Бейлин, В.Л.Вейц, В.М.Меркин, В.Ф.Глазунов, В.А.Светлицкий, В.Ф.Суханов, С.В.Тарарыкин, А.Д.Шустов, В.А.Чайкин, К.А. Харахнин, Е.Н.Калинин, А.П.Бессонов, В.С.Самсонов, Г.И.Чистобородов.

Анализ работ этих и других исследователей показал, что для единого системного подхода к проектированию систем транспортирования нитей и тканей в текстильных машинах, который бы позволил обеспечить новые подходы к созданию машин текстильного производства, интенсифицировать сам процесс проектирования и обеспечить повышение качества проектирования, качества выпускаемой продукции и производительности оборудования, необходима разработка новой парадигмы, позволяющей найти новые подходы к проектированию объектов, ориентированных в конечном итоге на использование компьютерной техники и искусственного разума. Показано, что в качестве такой парадигмы может служить подход к системам транспортирования нитей и тканей как к механизмам с гибкими звеньями. Показано, что разработка такой методологии неизбежно предполагает комплексный подход к развитию основ проектирования: разработку систематики в этой области, решение проблемы аналитического представления этих механизмов, удобное для реализации средствами вычислительной техники, решение проблем структурного синтеза и анализа, развитие методов геометрического и кинематического анализа, развитие основ методов динамического анализа таких механизмов, разработку направлений совершенствования методов и средств мониторинга и диагностики этих систем, разработку направлений совершенствования приводов машин, разработку направлений совершенствования механизмов, связанных с системами транспортирования нитей и тканей, обеспечивающих выполнение технологические операции, а также изучение физических (аэрогидродинамических, механических, электрических) свойств гибких звеньев.

В конце главы определена основная цель работы, заключающаяся в развитии основ проектирования механизмов транспортирования нитей и тканей как плоских механизмов с гибкими звеньями, как системной, внутренне взаимосвязанной, проблемы, решение которой во всей своей совокупности обеспечивает вывод самого процесса проектирования и объекта проектирования на новый технологический уровень.

Глава 2 посвящена решению теоретических проблем, связанных с систематикой, проблемами структуры и структурного синтеза механизмов с гибкими звеньями в текстильных машинах. В ней проводится систематизация механизмов с гибкими звеньями на основе классификации входящих в эти механизмы направляющих звеньев, гибких звеньев и кинематических пар огибания. В качестве основной таксономической категории при систематизации механизмов с гибкими звеньями принят вид. Для определения положений механизмов в системе таксономических категорий они рассматриваются как пересечения множеств гибких звеньев, направляющих звеньев, кинематических пар и кинематических пар огибания. Для аналитической записи пересечения введены таксономические формулы для механизмов, определяющие положение механизма в системе таксономических категорий, которые выглядят в простейшем виде так:

,

где A_i - входные направляющие звенья; B_j - промежуточные или выходные направляющие звенья; G_k - гибкие звенья; K_l - кинематические пары; Ko_l - кинематические пары огибания; n - число приводных направляющих звеньев; m - число неприводных направляющих звеньев; q - число гибких звеньев.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В главе решаются проблемы, связанные с развитием основ структурного анализа и синтеза плоских механизмов с гибкими звеньями, проблемы геометрического анализа этих механизмов. С этой целью введены структурные геометрические матрицы, которые формально полностью характеризуют структуру и геометрию плоского механизма с гибкими звеньями (рис.1).

Элементами матрицы являются: радиусы направляющих звеньев R; координаты их геометрических центров x_i и y_i ; коэффициенты у_i, описывающие расположение гибкого звена по отношению к направляющему звену: у_i=0, если гибкое звено не касается направляющего звена; у_i=1, если точки гибкого звена движутся вдоль потока индексов против часовой стрелки; у_i=-1, если точки гибкого звена движутся вдоль потока индексов по часовой стрелке:

. (1)

Показано, что геометрические структурные матрицы для механизмов с разомкнутым гибким звеном отличаются от геометрических структурных матриц для механизмов с замкнутым гибким звеном, причём последние имеют на одну строку элементов больше и первая строка совпадает с последней.

Показано, что геометрические структурные матрицы несимметричны по отношению к реверсу направления потока индексов, нумерующих направляющие звенья механизма. Установлено, что операция синтеза механизмов с гибкими звеньями - операция реверса потока индексов - описывается уравнением:

, (2)

где Г - исходная матрица; А и B - операторы.

Алгоритм операции реверса потока индексов реализован программно и прошёл лабораторную проверку.

Введены и исследованы операции синтеза механизмов с гибким звеном - операции сложения и вычитания структурных геометрических матриц. Показано, что математическая запись операции сложения структурных матриц имеет вид:

, (3)

где m - количество направляющих звеньев в исходном механизме; n - количество направляющих звеньев в добавляемой группе; - матрица исходного механизма; - матрица добавленного механизма; и - операторы.

Запись операции вычитания структурных матриц имеет вид:

 , (4)

где - оператор.

Алгоритмы операций сложения и вычитания структурных матриц реализованы программно и прошли лабораторную проверку.

Введена и исследована операция синтеза - операция инверсии гибкого звена по отношению к направляющему звену, математический вид которой описывается формулой:

, (5)

где Г₁ - исходная геометрическая структурная матрица; Г₂ - результирующая геометрическая матрица, D и E - операторы.

Алгоритм операции инверсии гибкого звена по отношению к направляющему звену реализован программно и прошёл лабораторную проверку.

В главе разработаны методы геометрического анализа плоских механизмов с гибкими линейными и нелинейными звеньями и круговыми цилиндрическими направляющими звеньями, основанные на матричной записи геометрических характеристик механизмов.

Получена матричная формула для расчёта длин гибких звеньев на свободных участках:

, (6)

где G - исходная матрица механизма; C, I и B - операторы; возведение в квадрат и извлечение корней из матриц здесь производится под знаком векторизации.

Установлена математическая взаимосвязь между параметрами механизма и длинами свободных участков гибкого звена в механизме в координатной форме:

, (7)

где l_i - длина свободного i -го участка гибкого звена; r_i - радиус-вектор, соединяющий геометрические центры двух соседних направляющих звеньев; R_i - радиусы направляющих звеньев; у_i - коэффициенты, определяющие положение гибкого звена относительно i-го направляющего звена.

Получено эмпирически выражение для расчёта углов между двумя векторами, равными по модулю, заданными в векторной или в координатной форме:

Размещено на http://www.allbest.ru/

, (8)

где д - бесконечно малая величина; у - коэффициент геометрической матрицы, определяющий направление поворота вектора к вектору : если поворот осуществляется против часовой стрелки, то у = 1, если по часовой, то у = -1 ; ось OZ перпендикулярна плоскости рисунка.

На основе выражений (7) и (8) разработаны алгоритмы (9), (10) и методика, позволяющие вычислить все углы обхвата в механизме рассматриваемого класса (рис.2):

(9)

где

(10)

где

(11)

, (12)

где n - число направляющих звеньев; m - число строк в геометрической структурной матрице; - радиус-векторы, начало которых расположено в геометрическом центре цилиндрического i - го направляющего звена, а конец - в точке входа гибкого звена на поверхность i ± 1- го направляющего звена; x_i,y_i - координаты геометрических центров направляющих звеньев.

Разработанный алгоритм расчёта геометрических параметров механизма с гибкими звеньями реализован программно и прошёл лабораторную проверку.

Для решения проблемы геометрического анализа механизмов с гибкими провисающими гиперболическими звеньями записана система уравнений:

(13)

где {x_01i, y_01i}, {x_02i, y_02i} - геометрические центры направляющих цилиндрических звеньев; k_i - параметр цепной линии в i -й зоне; f₀ - величины провисов гибкого звена относительно геометрических центров направляющих звеньев; R_i - радиусы направляющих звеньев; L_0i - расстояние между центрами направляющих звеньев в i - й зоне механизма; у_i - коэффициенты, определяющие расположение гибкого звена относительно направляющего звена.

Начальные значения координат точек подвеса гибкого звена для системы (13) определяются по формулам:

(14)

i=1,2,...,n-1.

Полученная система уравнений позволяет производить расчёт координат точек подвеса гибкого звена для механизмов, содержащих произвольное количество цилиндрических направляющих звеньев. Разработанный алгоритм расчёта геометрических параметров механизма с гибкими провисающими гиперболическими звеньями реализован программно и прошёл лабораторную проверку.

Глава 3 посвящена разработке вопросов кинематического анализа плоских механизмов с гибким нерастяжимым звеном и круговыми цилиндрическими звеньями.

Рассмотрена кинематика плоского многозвенного механизма с линейными нерастяжимыми гибкими звеньями, направляющими круговыми цилиндрическими звеньями, образующими вращательные кинематические пары со стойкой, ведущие направляющие звенья которых снабжены регулируемым приводом по скорости.

Анализ кинематики общей схемы механизма позволил выделить отдельные группы направляющих звеньев, для которых использован термин «блок» - совокупность направляющих звеньев, движение последнего из которых по направлению движения гибкого звена определяется приводом, регулируемым по скорости. Проведена классификация блоков, выделены блоки открытые и закрытые. Предложено описание терминов открытого и закрытого блока.

Для механизмов, содержащих произвольное количество блоков, получены соотношения, описывающие их кинематику:

 (15)

где - контурная скорость гибкого звена; - угловая скорость вращения ведущего звена относительно своей оси симметрии; коэффициент , где д - пренебрежимо малая величина; - расстояние между геометрическими центрами направляющих звеньев в n-1 зоне; - угловые скорости радиус-векторов сматывания-наматывания гибкого звена с направляющего звена, определяемые через проекцию векторного произведения этих радиус-векторов и их производных по времени на ось, перпендикулярную плоскости механизма; i - индекс, обозначающий номер направляющего звена в блоке; j - номер блока; n_j - количество направляющих звеньев в j блоке.

К (15) необходимо добавить соотношение, связывающее j-1 и j блоки:

(16)

Для проверки выражения (15) произведен сравнительный кинематический анализ известного механизма. Его результаты полностью совпали с результатами, полученными по алгоритму, описанному Ф.М.Куровским. Разработанный алгоритм расчёта кинематических параметров механизма с гибкими звеньями реализован программно и прошёл лабораторную проверку.

Проведён анализ кинематики механизма, в котором гибкое звено (рис.3) является ведущим по отношению к направляющему звену, совершающему плоскопараллельное движение.

Показано, что решение этой задачи в конечном виде не может быть получено. Поэтому решение задачи кинематического анализа механизма этого класса сводится к решению численными методами системы уравнений:

(17)

Размещено на http://www.allbest.ru/

В результате получают значения угловой скорости вращения звена относительно подвижной оси и уравнение движения центра оси по заданной траектории.

Соотношение для ускорений направляющих звеньев легко получить, продифференцировав (15)-(17) по времени.

Разработанный алгоритм расчёта кинематических параметров механизма этого класса реализован программно и прошёл лабораторную проверку.

В главе 4 в рамках исследования источников возникновения вибраций изучена динамика направляющего цилиндрического звена (ролика) с неподвижной осью вращения, движущегося вследствие взаимодействия с шероховатым гибким нерастяжимым звеном, движущимся вдоль своего контура с переменной скоростью, которая описывается с помощью уравнения:

, (18)

где T₀ - натяжение набегающей ветви гибкого звена, равное постоянной величине; k - коэффициент трения пары материал гибкого звена-материал поверхности ролика; ц - угол обхвата; R - радиус направляющего звена (ролика); щ - угловая скорость движения ролика; J - осевой момент инерции ролика; М_с - момент сопротивления, приложенный к ролику;

; (19)

V_н - контурная скорость движения нити;

Сделан качественный анализ характера движения ролика для случая, когда скорость контурного движения гибкого звена описывается функцией вида: , где V₀ - средняя контурная скорость гибкого звена; A - амплитуда колебаний скорости движения гибкого звена; p - частота колебаний контурной скорости гибкого звена; t - время.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выделено пять качественно различных типов решения уравнения (18), характеризующих движение ролика и отличающихся друг от друга относительными скоростями контурного движения гибкого звена и точек поверхности ролика.

Первый тип движения характеризуется тем, что скорости точек гибкого звена и точек поверхности ролика практически совпадают, причём скорость точек гибкого звена не всегда больше скорости движения точек поверхности ролика.

Второй тип движения ролика характеризуется значительным отличием скорости движения точек гибкого звена от скорости движения точек поверхности ролика как на восходящих участках графика, так и на нисходящих его участках.

Третий тип движения ролика характеризуется значительным отличием скорости движения точек гибкого звена от скорости движения точек поверхности ролика не только на восходящих участках графика, но и на нисходящих его участках.

Четвёртый тип движения ролика также характеризуется значительным отличием скорости движения точек гибкого звена от скорости движения точек поверхности ролика не только на восходящих участках графика, но и на снисходящих его участках, но при этом скорость движения точек поверхности ролика стремится к минимальному значению скорости движения точек гибкого звена.

Пятый тип движения ролика характеризуется параметрами, независимыми от параметров движения гибкого звена.

Характер изменения натяжения ведущей ветви гибкого звена для четырёх типов движения ролика является разным. Так, для второго и четвёртого типа натяжение ведомой ветви гибкого звена является константой после выхода ролика на установившийся тип движения. Для третьего типа натяжение гибкого звена описывается периодической несимметричной относительно оси времени ступенчатой функцией. Для первого типа движения ролика натяжение гибкого звена на некоторых участках графика движения ролика является случайной ступенчатой функцией. На рис. 4 изображён второй тип движения ролика:

Для пятого случая движения ролика натяжение гибкого звена является константой.

В ходе компьютерных экспериментов, кроме пяти основных решений уравнения (18), было обнаружено решение, которое показывает существование режимов движения, при которых натяжение гибкого на определённых интервалах времени не определено (рис. 5).

В главе изучена динамика многозонного механизма с гибким упругим звеном, которое движется вдоль своего контура со скоростью, описываемой гармоническим законом. Исследована система уравнений, описывающая динамику многозонного механизма с гибким упругим звеном, в основу которой были положены соотношения, полученные А.Д. Шустовым, и которые могут являться лишь первым приближением описания переходных процессов в механизмах рассматриваемой группы:

(20)

где - натяжение гибкого звена в i+1 зоне блока j; - скорость движения гибкого звена вдоль своего контура в точке его контакта с направляющим i+1 звеном блока j (контакт гибкого звена и направляющего звена в модели механизма предполагается точечным); - длина гибкого линейного звена в i+1 зоне блока j; - радиус направляющего i+1 звена блока j ; - осевой момент инерции направляющему i+1 звена блока j ; - внешний момент сил сопротивления или момент со стороны привода, регулируемого по моменту, приложенный к направляющего i+1 звену блока j ; k - коэффициент жёсткости гибкого звена на растяжение.

Показано, что при наличии закрытых блоков в механизмах с гибкими звеньями система уравнений (20) должна быть дополнена системой дифференциальных уравнений:

(21)

где l - количество блоков, n - количество направляющих звеньев в блоке j.

Показано, что начальные условия для системы (20), (21) описываются выражениями:

(22)

Для блоков, в которых гибкое звено и ведущие звенья взаимодействуют с силами трения, необходимо добавить условия существования на них дуг покоя.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Алгоритм решения систем уравнений (20)-(21), с начальными условиями (22), описывающими динамику направляющих звеньев, реализован программно и прошёл лабораторную проверку. На рис. 6 показано одно из решений системы (21) для блока, состоящего из 4 звеньев.

В главе решена задача динамики простейшего блока с гибким линейным звеном, модель деформации которого описывается уравнением: , где k_н - начальный коэффициент жёсткости; - относительная деформация гибкого звена; a - коэффициент нелинейности. Получены уравнения динамики, описывающие деформацию нелинейного упругого гибкого звена в простейшем открытом блоке и движение направляющего ведомого звена этого блока:

. (23)

Начальные условия:

(24)

Численное решение системы уравнений (23) с начальными условиями (24) реализовано в математической системе «Matcad».

Компьютерные эксперименты показали, что учёт нелинейности упругой деформации гибкого звена приводит к решениям, которые отличаются от решений задачи при линейной упругости гибкого звена тем, что изменяются амплитуды и частоты колебаний рассматриваемой системы.

Показано, что при установившемся движении натяжение ткани в закрытом блоке в простейшем случае описывается системой выражений:

(25)

Здесь F_i - силы сопротивления, действующие со стороны направляющих неприводных звеньев на гибкое звено внутри блока.

В главе решена задача деформации гибкого звена с помощью фрикционной пары (рис.7). Показано, что длина отрезка гибкого звена, выводимого из зоны деформации описывается при нулевом значении натяжения гибкого звена за пределами фрикционной пары формулой:

, (26)

начальная длина гибкого звена в зоне деформации формулой:

, (27)

натяжение гибкого звена при его нагрузке в зоне деформации определяется формулой:

Размещено на http://www.allbest.ru/

(28)

Установлено, что при разгрузке натяжение гибкого звена в зоне деформации будет определяться выражением:

(29)

где ц_k - конечный угол поворота валов фрикционной пары при нагрузке гибкого звена, ц_об - угол поворота валов фрикционной пары в обратном направлении.

Показано, что система «фрикционная пара - гибкое звено» обладает свойством гистерезиса деформации и натяжения (рис.8), и получено выражение для натяжения гибкого звена в зоне деформации для случая, когда начальное натяжение всей нити отлично от нуля и равно T₀:

(30)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ механики зоны деформации упругого гибкого звена (рис.9) позволил получить обобщённое выражение для относительной деформации гибкого звена:

Размещено на http://www.allbest.ru/

(31)

где l_в - длина участка гибкого звена, выводимого из зоны деформации, которая в частном виде при постоянных скоростях валов фрикционных пар и отличном от нуля натяжении гибкого звена приводится к виду, уточняемому известное выражение А.Д.Шустова.



Размещено на http://www.allbest.ru/

В главе в рамках анализа явлений, приводящих к появлению вибраций в текстильных машинах, решена одна из задач динамики гибкого нерастяжимого звена механизма, укладываемого по спирали Архимеда, - тела намотки - задача о движении центра тяжести этого звена. (Отмечается вклад в решение этой задачи А.П.Бессонова.) При решении этой проблемы были получены параметрические уравнения движения центра тяжести тела намотки (рис.10):

(32)

Численный анализ решений этих уравнений показал, что центр тяжести гибкого звена в теле намотки в рассматриваемых условиях при достаточно большом угле поворота тела двигается по окружности постоянного радиуса (рис. 10). Эту окружность нами предложено назвать предельной. Показано, что радиус предельной окружности пропорционален толщине гибкого звена, численно найден коэффициент пропорциональности: R_пр= 0,318a, где а - толщина гибкого звена.

В главе в рамках поиска путей снижения натяжения и деформации звеньев с помощью современных вычислительных средств показано наличие экстремума натяжения провисающего гибкого гиперболического звена в точках его подвеса. Установлено, что если нить описывается уравнением цепной линии, то на интервале x от 0,00001 до 50 м коэффициент цепной линии в точке экстремума описывается функцией вида:

, (33)

где q - коэффициент, x - абсцисса точки подвеса нити.

Численным методом на указанном интервале абсциссы найдено значение коэффициента q =1,199.

Исследованы экстремальные свойства провисающей нити, форма которой описывается параболой. Показано существование экстремума натяжения нити в точках её подвеса. Получены выражения для параметра провисающей нити при экстремальных значениях натяжения нити в точках подвеса:

, (34)

где x - абсциссы точек подвеса.

и значение провиса гибкого звена:

(35)

где l - расстояние между точками подвеса нити.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сравнение результатов, полученных по формулам (33)-(35), показывает, что разница в величине провиса при экстремальных значениях натяжения в точках подвеса параболической и гиперболической нити составляет величину порядка 5%, а натяжение 18%.

В главе в рамках анализа явлений, приводящих к колебаниям гибкого звена в текстильных машинах, рассмотрена задача о колебаниях простейшей системы с провисающей гибкой тяжелой нитью (рис. 11) при следующих допущениях: нить нерастяжимая, однородная и абсолютно гибкая, блок идеальный и не имеет размеров, колебания малые, масса нити в зоне груза не учитывается, груз совершает поступательное движение.

В рамках этих допущений получено нелинейное дифференциальное уравнение колебаний груза в виде:

, (36)

где g - ускорение свободного падения; k₀ - параметр цепной линии в состоянии равновесия; k - текущий параметр цепной линии; x₂ - абсцисса точки подвеса нити на блоке; s - текущая координата точки подвеса груза в неподвижной системе координат.

Зависимость изменения параметра цепной линии от изменения координаты груза s в процессе движения системы аппроксимировалась уравнениями:

(37)

коэффициенты A, B и С в которых получены численными методами. Одно из уравнений имеет вид:

(38)

Одно из решений уравнения (38) показано на рис.12. Анализ решений показывает, что колебания устойчивы в том случае, когда провис нити меньше провиса её при экстремальном натяжении в точках подвеса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Глава 5 посвящена анализу механизмов с гибкими звеньями в составе машин с сухой обработкой ткани - стригальной и мерильной машины, в составе машин с мокрой обработкой ткани - промывной роликовой машины. Проведён анализ принципиальной схемы механизма упругой системы заправки ткацкого станка. В введении к главе освещаются концептуальные вопросы влияния качества движения гибкого звена на качество технологической обработки в стригальных, мерильных и промывных машинах.

В главе проведён анализ механизма с гибким звеном в двоильно-мерильной машине ДМП-180-Ш и разработаны предложения по совершенствованию конструкции этой машины и процесса измерения длины тканей.

Анализ механизма транспортирования ткани в мерильной машине позволил определить место этого механизма в систематике механизмов, записать его таксономическую формулу, структурную матрицу и определить методы его анализа.

Полученные результаты геометрического и силового анализа совпали с известными данными, что позволяет говорить о правильности разработки алгоритмов и программного продукта.

Разработаны рекомендации по совершенствованию системы проводки ткани в мерильных машинах, направленные на стабилизацию натяжения ткани в зоне измерения, и разработан экспериментально-аналитический способ измерения длины ткани, заключающийся в том, что в процессе измерения длины полотна измеряют путь, пройденной точкой на мерильном валике, измеряют или задают средний начальный модуль жёсткости ткани, толщину ткани и производят расчёт длины по формуле:

(39)

где L_м - длина пути, пройденная точками мерильного вала, T - натяжение ткани в точке входа на поверхность мерильного вала, a - коэффициент нелинейности, k_н - начальный модуль жёсткости ткани, D - диаметр мерильного вала, b_ср - средняя толщина ткани. Этот способ измерения длины ткани защищён авторским свидетельством на изобретение.

В главе исследовались механизмы с гибким звеном в промывных роликовых машинах с целью разработки предложений по совершенствованию конструкции их механизмов проводки тканей. Для исследования выбрана промывная машина, которая содержит ванну с установленными в ней двумя горизонтальными рядами роликов с неподвижными опорами с подшипниками скольжения или качения, верхний ряд которых может иметь привод, регулируемый по моменту, фрикционную пару на выходе, выполняющую роль отжима, перед которым устанавливается, как правило, дуговой тканерасправитель, а на входе в ванну устанавливается компенсатор.

Анализ механизма транспортирования ткани в промывной машине позволил определить место этого механизма в систематике механизмов с гибкими звеньями, записать его таксономическую формулу, структурную матрицу и определить методы его анализа. В частности, анализ механизма с гибким звеном в виде ткани в составе промывной машины показывает, что в данном случае вся промывная машина с точки зрения выше предложенной классификации представляет собой открытый блок, содержащий одно направляющее звено, регулируемое по скорости.

Для описания распределений натяжения ткани в зонах механизма проводки на основе математической модели Лебедева - Самсонова, получены математические модели, описывающие гидродинамическое взаимодействие ткани с промывным раствором: для участка ткани внутри раствора и для участка ткани на выходе из раствора.

Сравнительный анализ приращений натяжения ткани в зонах промывки, рассчитанных по модели Лебедева - Самсонова и по разработанным нами моделям, показал их совпадение с точностью до 98% и пригодность последних для расчётов.

Анализ этих зависимостей подтвердил известное ранее утверждение о том, что основную долю приращения натяжения ткань получает при выходе из раствора.

Показано, что полученные уравнения, хотя и носят вид физических (гидродинамических) зависимостей, однако являются таковыми только для той схемы проводки, для которой была получена исходная математическая модель.



Размещено на http://www.allbest.ru/

В главе произведены оценочные расчёты и сравнительный анализ распределений натяжений ткани в механизмах с известными структурными схемами. При этом ввиду отсутствия в литературе параметров, характеризующих гидродинамику тканей при относительных скоростях, изменяющихся со временем, рассмотрен стационарный режим работы механизма. Расчёт распределений натяжений проведён с помощью уравнениям динамики в простейшей их форме с учётом полученных выше математических моделей. В результате оценочных расчётов получены распределения натяжения ткани в промывной машине с механизмами различных классов и с различными способами промывки, которые носят качественный характер. Анализ этих распределений натяжений ткани в промывных ваннах подтвердил вывод о том, что наилучшим распределением натяжения ткани с точки зрения его максимальных значений и длительности нагружения полотна максимальными нагрузками при одинаковом качестве самого процесса промывки обладает способ промывки, в котором промывка осуществляется в попутно движущемся и опережающем ткань растворе. Анализ полученных распределений натяжений ткани позволил разработать устройство для промывки тканей, которое обладает наилучшим распределением натяжений для принятой схемы проводки машины (рис.13) и защитить его авторским свидетельством на изобретение.

В главе рассмотрена задача совершенствования упругой системы заправки ткацкого станка и механизма формирования ткани, в частности влияние процессов прибоя и отвода ткани на появление брака. Анализ механизма упругой системы заправки ткацкого станка как механизма с гибкими звеньями позволил определить место этого механизма в систематике механизмов, записать его таксономическую формулу, структурную матрицу и определить методы его анализа.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Показана неудовлетворительная работа существующих механизмов отвода ткани из зоны её формирования, в результате чего происходит смещение опушки ткани, что в свою очередь приводит к возможности появления брака. Для устранения этого недостатка разработаны способ и устройство формирования ткани (рис.14), позволяющие обеспечить автоматическое регулирование положения опушки ткани на ткацком станке. Предлагаемый способ формирования ткани и устройство для его осуществления защищены патентом РФ на изобретение. Описана в общем виде динамика механизма прибоя уточной нити, который обеспечивает автоматическое регулирование положения опушки ткани при её формировании.

Глава 6 посвящена исследованию и разработке отдельных систем, связанных непосредственно с механизмами с гибкими звеньями, которые обеспечивают как основные, так и вспомогательные технологические операции. К таким системам относятся: устройства моментного привода направляющих звеньев отделочных машин, обеспечивающих малонатяжную проводку тканей; устройства контроля натяжения ткани, которые могут быть использованы в основе средств мониторинга и диагностики механизма, в основе систем управления движением механизма и натяжением гибкого звена, а также косвенно в системах по измерению других параметров гибкого звена; системы силового замыкания кинематических пар огибания, конструктивно реализуемых в валковых отжимах, осуществляющих технологическую операцию удаления влаги из волокнистых материалов и являющиеся неотъемлемой частью всего механизма с гибким звеном.

В рамках совершенствования систем, обеспечивающих управление транспортированием тканей в отделочных машинах, решалась проблема определения направления совершенствования устройств моментного привода направляющих звеньев текстильных отделочных машин. Проведён анализ работ Самсонова В.С. и других авторов, направленных на решение поставленной задачи. Отмечаются недостатки существующих технических решений этой задачи. Разработаны и обоснованы 2 новых технических решения (рис. 15, 16), защищённых патентами РФ на изобретения, которые позволяют обеспечить регулирование привода направляющих звеньев без останова текстильной отделочной машины и на базе которых могут быть разработаны системы регулирования натяжения ткани при транспортировании её в текстильных машинах.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В рамках решения задач создания систем мониторинга, диагностики и регулирования работы механизмов машин, включающих в себя механизмы с гибкими звеньями, решена проблема определения направления совершенствования устройств и способов контроля натяжения нитей и тканей в текстильных машинах как основы систем управления работой механизма транспортирования ткани. Проанализированы устройства и способы измерения натяжения нитей и тканей, существующие на данный момент времени.

На основе анализа разработаны способы определения натяжения ткани:

- путем измерения реакции опоры, линейной плотности, скорости движения ткани и момента на рубашке направляющего звена и расчёта натяжения ткани по формуле:

, (40)

где М - момент на рубашке ролика; N - реакция опоры; R - радиус ролика; м - линейная плотность ткани; V - контурная скорость движения ткани (Этот способ определения натяжения ткани защищён авторским свидетельством на изобретение.);

- путём измерения реакций опор тканенаправляющего ролика (рис. 17) и расчёта натяжения с помощью решения системы уравнений:

(41)

где N₁, N₂, N₃, N₄, l₁,l₂,l₃,l₄ - реакции опоры и плечи реакций направляющего звена; R - радиус направляющего звена; T₁, T₂ - натяжение ткани. (Способ проходит патентование.)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Способ измерения натяжения нитей и тканей, который может быть реализован при изготовлении переносных измерительных устройств, заключающийся в многократной регистрации параметров системы в процессе измерения и определении натяжения ткани или нити путём решения системы алгебраических уравнений. (Способ проходит патентование.)

С целью улучшения механизма проводки тканей в отделочных машинах и технологии процесса отжима влаги из волокнистых материалов решена проблема выбора направления совершенствования систем силового замыкания кинематической пары огибания в валковых отжимах. Показано несовершенство современных устройств такого рода, связанное с прогибом отжимных валов и, как следствие, с неравномерностью интенсивности силового замыкания кинематической пары по ширине ткани, что приводит к технологическому браку.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ существующего на данный момент уровня техники позволил определить направление совершенствования систем силового замыкания пар огибания в отжимах отделочных машин, в основе которого лежит использование сил Ампера и которое позволяет уменьшить не только величину прогиба, но и массы отжимных валов, их диаметры, что не только обеспечивает снижение материалоёмкости машины, но и повышает эффективность самого отжима. В данном направлении разработаны способ прижима валов и устройство для его осуществления, обеспечивающие принципиально равномерную интенсивность силового замыкания в кинематической паре огибания по ширине направляющего звена или ткани (рис.18). Данные технические решения защищены двумя авторскими свидетельства на изобретения.

Основные результаты и выводы

Системный подход к исследованию механизмов транспортирования нитей и тканей в текстильных машинах позволил в рамках единой методологии развить теоретические основы анализа и синтеза этих систем как механизмов с гибкими звеньями, довести их до готовых алгоритмов и компьютерных программ, позволяющих повысить качество и производительность проектных работ. С помощью разработанных методов проведён анализ механизмов с гибкими звеньями в конкретных текстильных машинах, разработаны новые технические решения, направленные на совершенствование основных механизмов и вспомогательных систем этих машин с целью повышения производительности труда и качества выпускаемой продукции. В частности решены следующие задачи:

1. Определено место механизмов с гибкими звеньями в историческом развитии механизмов и машин вообще. На основе системы таксономических категорий впервые разработана систематика механизмов с гибкими звеньями, разработаны классификационные схемы гибких и направляющих звеньев и кинематических пар огибания. Впервые введены и получены таксономические формулы для механизмов, определяющих их место в системе таксономических категорий.

2. Введены структурные матрицы для механизмов рассматриваемой группы, позволяющей формально описать геометрические, кинематические и динамические параметры некоторых классов механизмов с гибким звеном. Разработаны методы структурного синтеза и геометрического анализа ряда видов механизмов с гибкими звеньями. Разработаны и реализованы программно алгоритмы для геометрического анализа и синтеза этих классов механизмов с гибкими звеньями на основе геометрической структурной матрицы.

...