Разработка, исследование и внедрение способов преобразования трения, основанных на создании дополнительных воздействий

Актуальность работы. Известно, что применение методов и средств вибрационной технологии (вибрационное транспортирование, вибрационное погружение свай, вибросепарация, виброгрохочение, вибрационная обработка деталей и т. п.) позволяет значительно повысить эффективность производства и производительность работы оборудования, а в ряде случаев — создать принципиально новые технологические процессы. В основе этих методов лежат различные эффекты позитивного действия вибрации на поведение механических систем. В подавляющем большинстве случаев эти эффекты обусловлены особенностями движения механических систем с внешним трением. При наложении вибрации (или другого дополнительного движения, «быстрого» по отношению к основному движению) к подобным системам может возникнуть направленное в среднем «медленное» движение, которое, в свою очередь, может быть обусловлено эффектом кажущегося превращения сил сухого трения в силы вязкого трения. С математической точки зрения это превращение может трактоваться как преобразование разрывной характеристики трения в гладкую характеристику.

В основе динамики систем с преобразованным трением обычно лежит гипотеза о независимости силы внешнего трения от величины скорости скольжения (гипотеза Амонтона-Кулона). В рамках этого идеализированного представления к настоящему времени уже получены принципиально важные и обобщающие результаты, позволяющие проводить анализ динамики различных технологических процессов, основанных на использовании дополнительных воздействий (движений) для преобразования и уменьшения сил сопротивления. При этом обычно предполагается, что учет в анализе реальной характеристики трения, действующей в системе, по сравнению с ее идеализированным представлением в виде закона Амонтона-Кулона (разумеется, в случае их явного различия), не приводит к получению качественно новых результатов, а вызывает лишь неоправданное усложнение вычислительных процедур.

Однако, как показывает практика, в ряде случаев закономерности реальных процессов, протекающих в системах с трением при дополнительных быстрых воздействиях, не укладываются в рамки существующих теоретических представлений. Учет в расчетах реальной зависимости силы трения от величины скорости относительного движения (скоростной характеристики внешнего трения) в действительности позволяет получить не только количественное уточнение, но и, что самое важное, выявить те качественные закономерности в движении систем с трением, которые нередко наблвдаются на практике.

Обоснованный выбор расчетной схемы и математической модели механической системы с учетом реальной скоростной характеристики трения дает возможность расчетным путем определять оптимальные параметры вибрационного воздействия или другого дополнительного быстрого движения, необходимых для наиболее эффективной реализации технологических процессов, исключить ошибки в прогнозах поведения систем с трением, повысить надежность и долговечность вибрационного оборудования.

Исследованию поведения механических систем с разрывной характеристикой некулонова трения3^ при дополнительных быстрых х^Дод термином «некулоново трение» понимается трение, скоростная характеристика которого зависит от величины скорости скольжения (в отличие от кулонова трения, когда сила трения считается постоянной независимо от величины скорости скольжения), а при нулевом значении скорости — содержит разрыв (как и при кулоно-вом трении) определяемый предельным значением силы сцепления. воздействиях, а также выработке соответствующих практических рекомендаций по использованию результатов анализа и посвящена тема настоящей диссертации.

Работа проводилась в соответствии с комплексной программой.

0.72.02 ГКНТ СМ СССР (задание 01, этапы HI, Н2, и Н7).

•* *.

Целью исследования является определение основных закономерностей поведения механических систем с трением при дополнительном быстром воздействии (движении) в зависимости от вида характеристики внешнего трения (отличающегося от кулонова), а также разработка практических рекомендаций и мероприятий по применению вибращи для уменьшения усилия сопротивления в различных технологических процессах.

С этой целью в работе были поставлены и решены задачи о движении твердого тела (тяжелой материальной частицы) по шерохо.

•i ватой плоской поверхности при различных условиях наложения дополнительного быстрого движения в случаях, когда скоростная характеристика внешнего трения описывается различными зависимостями от величины скорости скольжения. Теоретический анализ сведен к приближенному исследованию существенно нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих движение рассматриваемых систем.

Кроме того, с целью практической реализации результатов выполненных исследований, в работе определены оптимальные параметры вибрации кристаллизатора машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), при которых усилие сопротивления вытягиванию минимально, а также разработан и создан вибропривод для возбуждения оптимальных режимов вибрации кристаллизатора МНЛЗ.

Научная новизна и практическая значимость работы заключается: а) в установлении качественно новых закономерностей движения механических систем с разрывной характеристикой некулонова трения при наложении дополнительного быстрого движения (колебательного, линейного, вращательного) — б) в выявлении оптимальных параметров дополнительного движенияв) в выявлении наиболее эффективного способа преобразования трения в конкретных механических системах с разрывной характеристикой некулонова тренияг) в определении оптимальных параметров вибрации кристаллизатора МНЛЗ, при которых среднее значение усилия вытягивания минимально при заданной технологической скорости процессад) в разработке нового типа вибропривода для возбуждения вибрации кристаллизатора МНЛЗ,.

Разработанные в диссертаций методы и полученные результаты позволяют обоснованно устанавливать оптимальные режимы колебаний рабочих органов вибрационного технологического оборудования, повысить эффективность и производительность технологических процессов, а также устанавливать оптимальные режимы дополнительного быстрого движения в различных процессах, основанных на эффекте преобразования трения.

Внедрение результатов работы. Методика снижения усилия вытягивания непрерывно литого слитка в системе слиток-МНЛЗ, разработанная на основе проведенных исследований, внедрена на Рустав-ском металлургическом заводе. Методика снижения сил трения с помощью создания дополнительного движения использована в ОКБ технической кибернетики ленинградского политехнического института им. М. И. Калинина.

Разработанный вибропривод использован в УралНИИЧЕРМЕТ для возбувдения вибрации технологического оборудования литейных машин.

Публикашя работы. Основные результаты опубликованы в семи научных работах.

Апробацияработы. Результаты работы доложены и обсуждены на Всесоюзных конференциях по вибрационной технике (г. Кутаиси, ноябрь, 1981 г., г. Телави, ноябрь, 1984 г.), на IX научной конференции молодых ученых ИМАШ АН СССР (март, 1983 г.), на научных семинарах Отдела вибротехники ИМАШ АН СССР (I98I-I984 гг.).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложениясодержит 123 страницы машинописного текста, включает 69 рисунков на 51 стр., I таблицу, список литературы из 91 наименований на 9 стр., приложения на 9 стр.

4.4. Выводы и рекомендации.

К основным выводам по главе следует отнести следующее:

1. Разработана принципиальная схема и конструкция вибратора для возбуждения вибрации кристаллизатора горизонтальной МНЛЗ. Предложенная конструкция обладает рядом достоинств, к которым, в первую очередь относится: простота изготовления, надежность работы, возможность плавной регулировки амплитуды и частоты генерируемых колебаний.

2. Разработанная схема и конструкция вибропривода позволяет возбуждать вибрации объектов самых различных габаритных размеров и масс.

3. Вместе с тем, предложенный вибратор может быть использован для возбуждения колебаний других машин технологического назначения.

4. Выполненные экспериментальные исследования позволили дать практические рекомендации по промышленному использованию вибратора для возбуждения вибраций кристаллизатора установок непрерывного литья заготовок (рабочая документация по проектированию, вибропривода передана в УралНИИчермет).

Заключение

Общие выводы по работе.

В заключение сформулируем основные результаты, полученные в настоящей диссертации:

1. Разработана методика приближенного анализа влияния дополнительного быстрого воздействия на медленное движение механических систем с разрывной характеристикой некулонова трения.

2. Рассмотрено движение твердого тела по шероховатой плоской поверхности, совершающей дополнительное быстрое движение (колебательное или равномерное) в различных направлениях по отношению к исследуемому движениюв частности, при движении плоскости в продольном и поперечном направлениях и по круговым траекториям.

Исследовано преобразование некулонова трения при движении плоского цилиндрического тела с вращением вокруг своей вертикальной оси.

3. Для всех рассмотренных случаев создания дополнительного движения механической системы, рассмотрено влияние различных законов нелинейного трения.

4. При динамическом преобразовании трения исследованы и проанализированы условия устойчивости движения систем с преобразованным некулоновым трением.

5. Разработана методика экспериментального исследования силы преобразованного некулонова трения: I) при движении твердого тела вдоль горизонтального лотка, совершающего продольные гармонические колебания- 2) при движении плоского цилиндрического тела с вращением вокруг своей вертикальной оси.

6. Разработана принципиальная схема вибропривода для возбуждения вибрации кристаллизатора горизонтальной ИЗ. Выполнены экспериментальные исследования влияния основных конструктивных параметров физической модели вибратора на основные параметры генерируемых колебаний.

В соответствии с полученными результатами работы можно сделать следующие выводы:

1. В системах с разрывной характеристикой трения, отличающихся от кулонова, при дополнительных быстрых воздействиях также как и в системах с кулоновым трением происходит преобразование разрывной характеристики сухого трения в гладкую характеристику вязкого тренияпри этом среднее значение силы преобразованного трения нелинейно зависит от средней относительной скорости.

2. Характер изменения силы преобразованного некулонова трения в зависимости от заданной относительной скорости качественно и количественно отличается от случая, когда в системе возникает кулоново трение, в частности, обнаружено, что зависимость силы преобразованного трения от средней скорости носит немонотонный характер.

3. В системах с некулоновым трением возможно существование оптимальных значений параметров дополнительного воздействия, при которых сила преобразованного трения принимает минимальное значение при заданной средней скорости основного движения системы, или средняя скорость основного движения системы максимальна при фиксированной тянущей силе.

4. При оптимальных параметрах дополнительного воздействия минимальные значения силы преобразованного трения в случае возникновения в системе силы трения, описываемой характеристикой вида (I.3I) оказывается меньше, чем в случае возникновения силы трения, описываемой характеристикой вида (1.33) при заданных значениях средней относительной скорости.

5. С точки зрения достижения минимального значения силы преобразованного трения при заданной средней относительной скорости среди рассмотренных случаев наиболее эффективно наложение продольной вибрации (при динамическом преобразовании) или создание дополнительного равномерного прямолинейного движения, направленного поперечно к основному движению.

6, Разработанная конструкция вибропривода позволяет возбуждать вибрации объектов самых различных габаритных размеров ¦ и масс. Тем самым, она может быть использована для возбуждения вибрации различных машин технологического назначения.

Полученные результаты и сделанные выводы позволяют заключить, что при расчетах параметров различных технологических процессов, основанных на использовании эффекта преобразования трения, необходимо учитывать реальные характеристики трения, а не их идеализацию в виде закона Амонтона-Кулона (разумеется в тех случаях, когда отличие имеет явно выраженный характер). В противном случае возможны значительные ошибки в прогнозах эффективности использования дополнительного возбуждения.

Таким образом, разработанные в диссертации методы и полученные результаты позволяют обоснованно устанавливать оптимальные режимы дополнительного воздействия, повысить эффективность и производительность технологических процессов, повысить надежность и долговечность технологического оборудования.