Анализ условий работы приводов машин текстильной и легкой промышленности с регуляторами натяжения ременных передач

В приводах машин текстильной и легкой промышленности наибольшее распространение получили конструкции, в которых главный (распределительный) вал машины получает вращательное движение от электродвигателя либо непосредственно через клино-ременную передачу, либо через комбинацию клиноременной передачи с управляемой фрикционной муфтой. По таким схемам выполнены приводы ткацких станков, чесальных, ленточных, прядильных, швейных и многих других типов машин. По упрощенным схемам обычно выполняются приводы конвейеров различных типов, широко используемых в производствах текстильной и легкой промышленности. При этом приводы проектируются исходя из условий достижения максимальной простоты и минимальной стоимости их конструкций. Предварительное натяжение ремней, как правило, является постоянным и не может регулироваться при изменении полезной нагрузки в процессе работы машины. Это приводит к возникновению в сечениях ремней избыточных напряжений, быстрому росту остаточных деформаций и необходимости частых регулировок их предварительного натяжения, что увеличивает эксплуатационные расходы и сокращает сроки службы ременных передач.

Одним из наиболее эффективных способов улучшения условий работы приводов с ременными передачами является создание систем автоматического регулирования натяжения в зависимости от величины передаваемого крутящего момента. Практическому использованию подобных систем препятствует их повышенная стоимость и отсутствие надежных методов расчета, позволяющих реализовать все преимущества систем автоматического поддержания натяжения ремней на минимально необходимом уровне.

В связи с этим в настоящей работе основное внимание уделено анализу механических характеристик наиболее простых конструктивных схем регуляторов натяжения ременных передач: планетарных и с шарнирным подвесом двигателя. Рассмотрена также конструкция регулятора натяжения в двухступенчатой ременной передаче. Эти задачи актуальны для текстильного и легкого машиностроения и обеспечивают повышение научного уровня выполнения проектных и конструкторских разработок.

Предложенные расчетные методики основаны на математическом моделировании условий работы регуляторов натяжения и реализации этих методик в виде программного обеспечения для ПЭВМ. Ориентированы они в основном на решение задач, возникающих при проектировании приводов чесальных машин и пневматических ткацких станков.

Целью работы является анализ и разработка на основе использования возможностей современных ЭВМ методик расчета приводов машин текстильной и легкой промышленности с автоматическим регулированием натяжения ременных передач.

При этом решались следующие задачи:

1. Разработка методики анализа условий работы ременных передач в динамических режимах с учетом возможности проскальзывания ремня относительно шкивов.

2. Математическая формулировка условий существования различных режимов работы ременных передач и составление соответствующих им уравнений движения.

3. Математическое моделирование и разработка программного обеспечения для исследования условий работы регуляторов натяжения различных типов.

4. Выявление основных параметров, определяющих характер работы регуляторов натяжения, и разработка рекомендаций для их проектирования.

При решении поставленных выше задач использовались методы и общие положения теоретической механики, теории колебаний, деталей машин и динамики машин. Для математического описания разработанных динамических моделей использовался аппарат кусочно-линейных и нелинейных систем дифференциальных уравнений, решения которых находились численными методами, реализуемыми с помощью современной вычислительной техники.

При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты.

1. Анализ ряда динамических моделей планетарного регулятора натяжения, составленных с различной степенью приближения к реальной конструкции, показал, что в расчетных моделях регуляторов необходимо учитывать упруго-диссипативные свойства ремня и динамическую характеристику электродвигателя. Эти же требования необходимо учитывать и при анализе регуляторов натяжения других типов.

2. В зависимости от наличия или отсутствия проскальзывания ремня относительно ведущего и ведомого шкивов установлена возможность реализации четырех различных режимов работы ременных передач, входящих в состав регуляторов натяжения. Для каждого из этих режимов работы получены математические условия их существования и составлены соответствующие дифференциальные уравнения движения.

3. При частотном анализе регуляторов натяжения установлено, что наличие проскальзывания в ременной передаче приводит к уменьшению количества ненулевых собственных частот на единицу. В использованных моделях это связано с исключением из расчетной схемы колебательного контура, образуемого упругим ремнем и ведомым шкивом.

4. Для достижения максимального быстродействия планетарного регулятора натяжения его начальная конфигурация должна характеризоваться перпендикулярным расположением водила и линии центров ременной передачи. Такой начальной конфигурации соответствуют максимальные значения. собственных частот колебаний регулятора. Аналогичным образом (с поправками на конструктивные отличия) следует выбирать и начальное расположение звеньев регуляторов других типов. В тоже время при необходимости увеличения натяжения ремня и сокращения длительности режимов работы, сопровождающихся проскальзыванием в ременной передаче, можно рекомендовать отклонения от перпендикулярности в пределах примерно 30°.

5. Анализ динамических моделей планетарного регулятора натяжения ремня и регулятора с шарнирным подвесом двигателя показал, что в случае больших приведенных к главному валу моментов инерции масс машины регуляторы натяжения могут выполнять функции пусковых устройств, предохраняющих двигатель от пусковых перегрузок за счет кратковременного проскальзывания в ременной передаче.

6. Предложена и проанализирована схема регулирования натяжения в двухступенчатой ременной передаче. Данная схема является комбинацией двух ранее рассмотренных схем регуляторов и ее математическое описание построено на основе аналогичных систем дифференциальных уравнений.

7. Для всех рассмотренных типов регуляторов натяжения разработаны математические модели, вычислительные алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее исследовать процессы пуска и установившегося движения машин с учетом возможности проскальзывания в ременной передаче.

Разработанные динамические и математические модели, их программная реализация на ПЭВМ являются научной базой и рабочим инструментом для проектирования приводов машин с регулированием натяжения ременных передач. При этом достигается автоматизация выполнения расчетов, сокращается время и трудозатраты на проектирование, доводку и внедрение в производство машин с новыми конструкциями приводов.

В соответствии с поставленными целями и задачами материалы диссертации изложены в следующей последовательности.

В первой главе выполнен обзор конструктивных схем приводов машин текстильной и легкой промышленности, который показал, что наибольшее распространение получили приводы с непосредственной передачей движения от двигателя к главному валу машины с помощью клиновых ремней (трепальные, ленточные, гребнечесальные, прядильные, круглотрикотажные и др. машины), либо приводы, дополнительно содержащие управляемые пусковые фрикционные муфты (чесальные машины, ткацкие станки, швейные машины и др.).В этой же главе дан краткий анализ теоретических методов, используемых при исследовании приводов машин, которые были положены в основу при выполнении данной работы.

Во второй главе исследуются с помощью различных моделей динамические характеристики планетарного регулятора натяжения ременных передач. Установлена возможность работы регулятора в четырех режимах, характеризующихся отсутствием или наличием проскальзывания в ременной передаче, и получены математические условия реализации каждого из отмеченных режимов работы. Дан.

10 ная глава является основной и на базе полученных в ней результатов проводятся исследования в последующих главах диссертации.

Третья глава посвящена анализу характеристик регулятора натяжения ременных передач с помощью шарнирного подвеса двигателя. Выполнено численное моделирование условий его работы, исследованы частотные спектры собственных колебаний и получены основные рекомендации по проектированию натяжных устройств подобного типа.

В четвертой главе результаты предыдущих исследований распространяются на регулятор натяжения двухступенчатой ременной передачи. Выявлены отличительные признаки данной схемы регулирования натяжения и получен ряд практических рекомендаций по проектированию регуляторов этого типа.

В конце диссертации приведены общие выводы, рекомендации, список использованной литературы и приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Вопросы, рассмотренные в диссертации, относятся к одним из наиболее важных в проектировании приводов машин с ременными передачами и позволяют оценить перспективы использования регуляторов натяжения в приводах машин текстильной и легкой промышленности. Этому в значительной степени способствуют разработанные в диссертации алгоритмы и программы для динамического анализа регуляторов различных типов.

В целом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1.Анализ различных расчетных схем показал, что для всех типов регуляторов натяжения ременных передач в динамических и математических моделях необходимо учитывать упругие и диссипа-тивные свойства ремней, а также динамические характеристики двигателей, причем последние должны быть пригодны как для описания установившегося режима работы машины, так и процесса ее пуска.

2. В зависимости от наличия или отсутствия проскальзывания в ременной передаче выделено четыре возможных режима работы регуляторов натяжения, для каждого из которых получены математические условия их существования, позволяющие определять тип текущего режима и осуществлять выбор соответствующих уравнений движения регулятора.

3.Наличие проскальзывания на одном из шкивов ременной передачи делит динамическую модель регулятора натяжения на две отдельные части. При этом существенно изменяется спектр собственных частот колебаний, особенно в регуляторе с двухступенчатой ременной передачей, где возможны различные варианты деления единой динамической модели.

4.При проектировании регуляторов натяжения рассмотренных типов особое внимание следует уделять выбору их начальной конфигурации, поскольку она определяет частотный спектр регулятора и величины крутящих моментов, которые могут быть переданы без проскальзывания в ременной передаче.

5.Исследования планетарного регулятора натяжения ременной передачи показали, что максимальная величина отслеживаемой внешней нагрузки существенно зависит от момента инерции массы сателлитного блока. При этом увеличение значений момента инерции массы сателлитного блока позволяет передавать без проскльзы-вания большие значения крутящих моментов.

6.На основе анализа динамических моделей планетарного регулятора и регулятора с шарнирным подвесом двигателя установлено, что в случае больших приведенных моментов инерции масс машины они могут выполнять функции устройств для плавного пуска машины, предохраняя двигатель от пусковых перегрузок за счет проскальзывания ремня. Решение подобной задачи актуально для чесальных и близких к ним по своим механическим и технологическим параметрам машин.

7.При проектировании регуляторов рассмотренных типов необходимо учитывать, что все они содержат вращающиеся относительно подвижных осей шкивы или зубчатые колеса, в связи с чем требуется повышенная точность их изготовления и тщательная балансировка, поскольку центробежные силы инерции, обусловленные неуравновешенностью, вызывают колебания несущих эти детали конструкций, что отрицательно сказывается на качестве регулирования натяжения.

8.Математическое описание динамических моделей регуляторов натяжения в связи с наличием различных режимов работы строится на базе кусочных линейных и нелинейных систем дифференциальных уравнений, каждая из которых описывает только один определенный режим. Возникающая при этом проблема стыковки уравнений при смене режимов работы регулятора решается за счет включения в вычислительный алгоритм операций по определению типа режима на каждом шаге вычислений.

9.Предложенные расчетные методики, основанные на математическом и численном моделировании условий работы регуляторов натяжения, и реализация этих методик на ПЭВМ с разработкой алгоритмов и программного обеспечения позволяют конструкторам оперативно решать практические задачи, возникающие при проектировании, доводке и внедрении новых конструкций приводов.