Разработка конструктивных схем и динамический анализ текстильных роторных систем

В текстильной промышленности для выполнения процессов кручения it наматывания используются разнообразные конструкции веретен, центрифуг, прядильных камер, вьюрков, бобинодержателей, и др. Эти механизмы относятся к классу высокоскоростных роторных систем и от стабильности их работы во многом зависят качество пряжи, производительность оборудования, его надежность и долговечность. Повышение технического уровня технологических роторных систем является актуальной задачей текстильного машиностроения, для решения которой необходимо развитие методов моделирования и анализа динамических характеристик быстровращающихся роторов.

Рабочие скорости текстильных роторов постоянно растут и в настоящее время частоты вращения веретен могут превышать 15 000 мин" 1, а прядильных камер -100 000 мин" 1. В этих условиях важное значение приобретают вопросы обеспечения долговечности подшипниковых опор, для чего необходимо решить задачи уменьшения относительных скоростей вращения элементов в опорных узлах и снизить уровень вибраций роторной системы в целом. Задача уменьшения относительных скоростей вращения в настоящее время успешно решается за счет применения дисковых опор, а для снижения уровня вибраций необходимы разработка рациональных конструктивных схем роторов и эффективных методов их динамического анализа.

В связи с этим в настоящей диссертации решались задачи динамического анализа текстильных роторов в условиях стационарных и нестационарных режимов, движения с использованием линейных и нелинейных математических моделей. Для практической реализации теоретических методик разработано программной обеспечение, способствующее сокращению сроков и повышению технического уровня проектно-конструкторских работ.

Целью диссертации является разработка и динамический анализ конструктивных схем текстильных роторов, обеспечивающих снижение виброактивности и улучшение эксплуатационных характеристик крутильно-формирующих органов текстильных машин.

Основными задачами исследования являются:

1. Анализ существующих конструкций веретен и прядильных камер, определение направлений развития конструкций текстильных роторных систем и методов их расчета.

2. Разработка (на примере ротора со сферической опорой) алгоритмов и выделение основных этапов динамического анализа роторных систем численными методами.

3. Оценка возможности использования динамической модели жесткого ротора с упругими опорами для исследования динамических характеристик веретен. Математическое и численное моделирование стационарных и нестационарных режимов движения веретен.

4. Разработка и динамический анализ конструктивной схемы роторной системы (прядильной камеры), содержащей приводной ротор с упругими опорами и рабочий ротор, соединенный с приводным посредством упругого сферического шарнира.

В работе используются методы теоретической механики, теории колебаний и динамики машин. Математический анализ динамических моделей основан на теории линейных и нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, при решении которых используются численные методы компьютерного анализа.

Достоверность полученных результатов подтверждается научным обоснованием разработанных динамических моделей, машинными экспериментами и сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, имеющимися в специальной технической литературе.

В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Для описания стационарного и нестационарного движения ротора, произвольно ориентированного в пространстве, получена система нелинейных дифференциальных уравнений, на основе которой численными методами могут быть изучены все необходимые динамические характеристики ротора. Показано, что для ротора, свободно вращающегося вокруг неподвижной точки, линеаризация уравнений движения допустима только в случаях малых начальных отклонений и при скоростях собственного вращения, значительно превышающих минимальную скорость вращения, при которой движение ротора становится устойчивым.

2. Расчетным путем установлено, что наличие в роторной системе упругих связей (например, опоры веретен и прядильных камер) позволяет без существенной потери точности использовать линеаризованные уравнения движения.

3. Показана эквивалентность моделей веретен типа ВТК, составленных с учетом и без учета упругих свойств шпинделя веретена, что подтверждено сопоставлением результатов теоретического и экспериментального определения критических скоростей вращения веретен с упругими опорами.

4. Разработана конструктивная схема прядильной камеры, состоящая из приводного и рабочего роторов, соединенных между собой упругим сферическим шарниром, движение которых описывалось системой шести дифференциальных уравнений второго порядка. На основе динамического анализа для данной роторной системы определены значения параметров, при которых достигается существенное снижение нагрузок в опорах приводного ротора.

Все теоретические положения диссертации реализованы в виде отлаженных на ПЭВМ программ, использование которых позволяет снизить затраты труда и времени на проектирование текстильных роторных систем. Практическую ценность представляют также разработанная новая конструктивная схема роторной системы, содержащая упруго связанные приводной и рабочий роторы.

В соответствии с поставленными задачами материалы диссертации излагаются в следующей последовательности.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, отмечены научная новизна и практическая значимость, приведено краткое содержание глав диссертации.

В первой главе дан обзор и проведен аналнз существующих конструкций веретен и прядильных камер. Отмечено, что для обеспечения надежности и долговечности роторных систем на высоких рабочих скоростях необходимо решить две главные задачи: во-первых, снизить величины относительных скоростей в подшипниковых опорах, и, во-вторых, ограничить уровень вибраций. Результаты анализа позволили сделать вывод о перспективности использования дисковых опор и необходимости разработки динамических моделей роторов с различными степенями детализации реальных конструкции веретен и прядильных камер.

Вторая глава посвящена исследованию ротора, вращающегося вокруг неподвижной точки. При этом последовательно рассматриваются роторы с вертикальной, горизонтальной и произвольно ориентированной в пространстве осями вращения Данная задача связана с тем, что в текстильном машиностроении применяются роторы, расположенные вертикально, горизонтально или наклонно. Составлены дифференциальные уравнения движения роторов и разработаны методики их численного решения с помощью разложени-ия в ряды Тейлора. Приводится методика определения скоростей прецессии и траекторий центров масс роторов.

В третьей главе рассматриваются схемы роторов с дополнительными упругими связями. На примере анализа динамической модели веретена ВТК-45-IV разработана методика исследования стационарного н нестационарного движения роторов и методика численного построения резонансных кривых и определения критических скоростей веретен и запретных зон их рабочих скоростей. Большое внимание уделено разработке методик определения частот колебаний роторов с учетом скорости их вращения, а также определению критических скоростей вращения различными способами, что способствует повышению степени достоверности получаемых результатов.

Четвертая глава посвящена разработке конструктивной схемы и динамическим исследованиям ротора прядильной камеры. В исследуемой конструкции приводной ротор, установленный в упругих опорах, с помощью упругого сферического шарнира соединен с рабочим ротором. Показано, что разделение роторной системы на две, упруго соединенные части, позволяет существенно снизить нагрузки в опорах приводного ротора и одновременно выровнять величины этих нагрузок. Исследуются также модели, описывемые системами, содержащими восемь дифференциальных уравнений.

В конце диссертации приведены основные результаты и выводы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В диссертационной работе получено научно обоснованное техническое решение важной для текстильного машиностроения задачи, использование которого способствует совершенствованию конструкций и методов расчета текстильных роторных систем. Разработанные динамические и математические модели, а также их программное обеспечение позволяют учесть при проектировании основные факторы, влияющие на динамические характеристики роторных систем (веретен, прядильных камер и т. д.), за счет чего достигается повышение технического уровня и эксплуатационных показателей прядильного оборудования.

Результаты, полученные при проведении исследований, позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Разработана методика численного анализа динамических характеристик роторов, произвольно ориентированных в пространстве, основанная на использовании систем нелинейных дифференциальных уравнений движения, что, в частности, позволяет использовать единое программное обеспечение для исследования роторов с вертикальными и горизонтальными осями вращения.

2. Установлено, что наличие в технологических роторных системах упругих связей (например, упругих опор веретен и прядильных камер) позволяет при выполнении теоретических исследований динамики роторов без существенной потери точности использовать для анализа стационарных и нестационарных режимов движения линеаризованные системы дифференциальных уравнения.

3. Показана эквивалентность моделей веретен типа ВТК, составленных с учетом и без учета упругих свойств шпинделя веретена, что подтверждено сопоставлением результатов теоретического и экспериментального определения критических скоростей вращения веретен с упругими опорами.

4. Разработана конструктивная схема прядильной камеры, состоящая из приводного и рабочего роторов, соединенных между собой упругим сферическим шарниром, движение которых описывается шестью дифференциальными уравнениями второго порядка. Анализ динамики данной роторной системы показал, что она позволяет существенно разгрузить опоры приводного шпинделя от действия нагрузок, обусловленных статической и динамической неуравновешенностями рабочего ротора.

5. С увеличением числа степеней свободы динамических моделей веретен и прядильных камер повышается степень соответствия моделей и реальных конструкций, что позволяет повысить точность теоретических расчетов и дает возможность исследования различных вариантов схем роторных систем.

6. Для снижения уровня нагрузок в опорах быстровращающихся роторов целесообразно соединение приводного и рабочего роторов производить с помощью упругих элементов, обладающих малой жесткостью.

7. Разработанные алгоритмы и пакет вычислительных программ позволяют снизить затраты труда и времени на проектирование текстильных роторных систем с улучшенными динамическими характеристиками.