Исследование динамики бронировочных машин с регулярной структурой

Новые возможности резкого повышения технико-экономических показателей кабельных линий связи открылись в 60-х годах прошлого века с изобретением лазерных источников излучения и оптического волокна. Преимущество оптических кабелей оказалось столь очевидным и значительным по сравнению с электрическими кабелями, что, например, за 10 лет с 1988 года, когда началось коммерческое использование первой подводной трансатлантической волоконно-оптической системы передачи ТАТ-8 [22], протяженность волоконно-оптических линий превысила протяженность всех проложенных под водой симметричных и коаксиальных кабелей за все годы применения. В нашей стране первые волоконно-оптические линии начали действовать на городских сетях связи в 1977 году.

Бронировочная машина является агрегатом производства оптоволоконного кабеля, в котором происходит навивка защиты на кабель и намотка его в рулоны. Основным параметром бронировочной машины является скорость движения кабеля. Несмотря на свои внушительные размеры, машина оснащена очень тонкой регулировкой и выполняет работу высокого класса точности при почти полной автоматизации протекающих на ней технологических процессов. Вопросам динамики машинных агрегатов посвящены труды И. И. Артоболевского, В. Л. Вейца, И. И. Вульфсона, Г. В. Крейнина, М. З. Коловского и других выдающихся ученых.

Бронировочная машина (рис.1) состоит из отдающего устройства 1, клети 8, механизма открутки (на рисунке не показан), привода машины 3, тягового 11 и приемного 12 устройства. Клеть состоит из нескольких параллельно расположенных дисков 4 (в данном случае — из девяти), закрепленных на полом металлическом валу 5, проходящем через их центры. Каждый диск, кроме первого опирается на два опорных катка 13. Люльки 6 с отдающими катушками закреплены между дисками в подшипниках. Сходящие с отдающих катушек проволоки 7 проходят через отверстия в дисках. Далее, мимо люлек с катушками следующих по движению изделия секции, они поступают к последнему диску клети, а затем к распределительному диску, который обеспечивает правильное взаимное расположение скручиваемых проволок перед входом их в калибр.

1 — отдающее устройство, 2 — жила, заготовка, 3 — привод машины, 4 — диск, 5 — главный вал, 6 — люлька с отдающей катушкой, 7 — проволока, 8 — клеть, 9 — гидрофобная ванна, 10 — лентообмотчики, 11 — тяговое устройство, 12 — приемное устройство, 13 — опора Рис. 1. Общий вид бронировочной машины.

Открутка на крутильных клетьевых машинах производится с помощью механизма открутки, работающем от собственного привода.

Для непрерывного поступления кабеля внутрь машины с постоянной заданной скоростью и стабильным натяжением применяют отдающее, тяговое и приемное устройства. Во множестве трудов В. Л. Вейца, И. Ш. Бейлина и В. М. Меркина затронуты проблемы непрерывного поступательного движения различных лентопротяжных механизмов. Отдающее устройство предназначено для равномерного сматывания заготовки с барабана при постоянной скорости с постоянным натяжением. Для этого оно снабжено тормозным приспособлением, обеспечивающим постоянное натяжение заготовки. Для крутильных машин с вращающимися тяговым и приемным устройствами используют безынерционные отдатчики. Тяговое устройство обеспечивает поступательное движение изделия в машине с заданной постоянной скоростью. В основном применяют колесные и гусеничные тяговые устройства. Приемное устройство служит для приема изолированной жилы, готового кабеля или заготовки на барабан, катушку, бухту или контейнер.

В современном производстве оптоволоконных кабелей широко используются бронировочные машины зарубежных фирм, таких как «Скет» (Германия), «УНИТЕК Машиненбау — унд Хандвлс» (Австрия), «ГАУДЕР» (Бельгия), «ПРОТОН ПРОДАКТС Лтд» (Англия), «КВАЙНС ЭНД КО» (Германия), «Сикра» (Италия), «Хансон-Робертсон» (Швеция) и предъявляются все большие требования к скоростным характеристикам машин. При увеличении производительности возрастают вибрации, приводящие к снижению качества защитной оплетки волоконно-оптических кабелей и частым поломкам деталей бронировочной машины. Исследованиям колебаний в механизмах и машинах посвящены труды многих ученых, например И. М. Бабакова, В. И. Бабицкого, В. Л. Бидермана, М. З. Коловского, Н. И. Левитского, Я. Г. Пановко, В. А. Щепетильникова и др.

Основной целью работы является выработка и обоснование необходимых изменений и усовершенствований в конструкции машин, увеличивающих производительность и расширяющих технологические возможности, повышающих износоустойчивость и точность отдельных деталей, узлов, механизмов и продлевающих срок их службы, усиливающих слабые звенья агрегата, повышающих эффективность системы управления. Это можно сделать посредством создания адекватной физической модели и на ее основе исследовать математическую модель динамических процессов в бронировочной машине. В зависимости от выбранной дискретизации упруго-инерционных параметров одна и та же система может описываться различными динамическими моделями. Неоднозначность выбора упругой модели, адекватной исследуемым процессам, происходящим в заданных режимах работы, является одной из наиболее сложных проблем динамического анализа. Но более важным является создание методики получения простых и точных моделей, описывающих динамические процессы в широком классе бронировочных машин, используя их специфическую особенность — характерную регулярность структуры. Исследованиям динамических моделей цикловых механизмов и машин разветвленной и кольцевой структуры посвящены множество трудов И. И. Вульфсона. С помощью созданных моделей можно исследовать влияние различных факторов, таких как связь амплитуд усилий и деформаций с погрешностями форм и балансировки, расположение собственных частот машины в спектре возмущений.

В работе была поставлена и сформулирована задача динамического исследования бронировочных машин с регулярной разветвленно-кольцевой структурой. Разработаны типовые динамические и математические модели отдельных узлов и всей машины в целом. Разработана математическая модель положения клети машины на упругом основании и на’этой основе получена методика выставления опор на основе формирования матрицы коэффициентов чувствительности. Была создана методика динамического анализа бронировочных машин с регулярной структурой, включающая расчеты собственных частот и форм колебаний, а так же передаточные функции первого приближения, связывающие усилия в наиболее нагруженных местах с возмущениями. Получены зависимости возмущений от погрешностей балансировки люлек, неточности изготовления клети и выставления опор. Разработан алгоритм наладки и определены критерии точности изготовления узлов и балансировки люлек с целью улучшения динамических характеристик бронировочной машины. Полученные теоретические и практические результаты приблизили возможность создания отечественных высокопроизводительных бронировочных машин.

Выводы по аппроксимации: присутствуют колебания 3-х периодов (см. рис. 4.2.3). Велик шум (около 2.5А по спектру), вследствие чего нет смысла делать точную аппроксимацию (прохождение кривой через все точки). Три гармоники из всех групп максимумов удовлетворительно описывают колебания (среднеквадратичная ошибка, приходящаяся на точку меньше погрешности измерения).

Аналогично рассматривается спектр двигателя открутки. Наблюдаются группы максимумов в спектре: группа 1 — гармоники 21 — 22, группа 2 — гармоники 39 — 43, группа 3 — гармоники 74−81. При этом наблюдается белый шум интенсивности 2А.

Результаты максимальных значений амплитуд, частот и фаз, полученных из программы для двигателя открутки, представлены в таблице 4.2.2. а, Гц 1гш> А Ф, рад 1.

0.36 3.82 1.14 22.

0.66 3.75 1.17 40.

1.32 4.47 -1.33 79.

Для аппроксимации применялись те же два метода. При этом были получены аналогичные результаты. В частности выбраны гармоники 22, 40, 79. При этом среднеквадратичная погрешность на точку равна 2. Выводы касательно точек, колебаний и аппроксимации совпадают с выводами, сделанными для главного двигателя.

Коэффициент пропорциональности между амплитудой колебания момента на валу двигателя и амплитудой колебания тока двигателя Н • м, а = 8-(см. п. 3.1). Таким образом, можно получить график зависимостей, А колебаний амплитуды движущего момента от времени (рис. 4.2.5).

Мт (0=а-1т (0. (4.2.4).

Рис. 4.2.5. Графики зависимости движущего момента на валу главного двигателя и двигателя открутки от времени.

Анализ показал, что эти колебания существенные. Так номинальный момент на валу главного двигателя равен Мн = 200Н • м, а амплитуда колебаний составляет порядка Мт = 20Н • м .

Исследуя переменную составляющую момента приложенного к люльке (3.3.13), можно построить эту зависимость (рис. 4.2.6) и сравнить с моментом на выходе двигателя открутки.

Мл, Н • м.

Рис. 4.2.6. График зависимости переменной составляющей момента, приложенного к люльке со стороны привода открутки.

4.3. Сравнение полученных результатов с теоретическим исследованием.

В ходе диссертационной работы по изучению динамики бронировочных машин с регулярной структурой были созданы несколько динамических моделей. Были получены спектры собственных частот колебаний для конкретной машины, работающей на предприятии ЗАО.

СЕВКАБЕЛЬ-ОПТИК". Так в динамической модели, где рассматривались жесткие валы открутки, были получены следующие собственные частоты машины:

X = (0.038 0.7723 1.3224 14.7)Гц, где нижний индекс показывает количество совпадающих в рамках данной модели частот.

Учет упругостей участков валов открутки, заключенных между дисками, привел к значительному усложнению модели. Решение этой задачи было осуществлено с помощью специально созданной компьютерной программы (приложение Д) и получены следующие собственные частоты (для случая, когда заполнены 24 люльки):

Х=(0, 0. Ц 0.5 0.704 0.74- 0.75, 0.7 $ 0.82} 0.8^ 0.87, 0.8% 1.3² 1.5УГц, где нижний индекс показывает количество частот отличающихся друг от друга не более чем на 1%.

Анализ показал, что оценка собственных частот на основе модели без учета упругости вала несостоятельна. Учет упругости вала открутки привел к расширению зоны сгущения собственных частот до 25%.

Экспериментальное исследование колебаний' токов в* двигателях позволило оценить реальные частоты колебаний машины при рабочей скорости 30 об / мин.

X = (0.36 0.66 1.30)Гц. Сравнивая численные результаты, можно получить следующие погрешности для каждой частоты:

ЭКСП.

117 -X.

ТЕОР.

5,=.

53 =.

0.36−0.48.

0.48 1.30−1.32.

1.32.

5 = |л Л" тах (ЭКСП, ТЕОР).

100% = 25%, 52 = 100% = 1.5%, 54 =.

•100%, 0.66−0.88.

0.88 1.30−1.56.

1.56.

100% = 25%,.

100% = 16.6%.

Для собственных частот погрешность расчетов составляет 25%. Таким образом, созданные динамические модели удовлетворительно описывают сложные процессы, происходящие в бронировочных машинах с регулярной структурой.

Заключение

.

В диссертационной работе была поставлена и сформулирована задача динамического исследования бронировочных машин с регулярной структурой. Разработаны типовые динамические и математические модели отдельных узлов и всей машины в целомразработана математическая модель положения клети машины на упругом основании, учитывающая погрешности изготовления и выставления опор. Создана методика динамического анализа бронировочных машин с регулярной структурой, включающая расчеты собственных частот и влияние * различных конструктивных параметров на деформации звеньев и внутренние усилия. Получены аналитические выражения для нахождения зон сгущения собственных частот роторных машин указанного типа. Определены формы свободных колебаний и передаточные функции, связывающие усилия с возмущениями в наиболее нагруженных местах. Выявлено расположение частот возмущений в собственном спектре машины в зависимости от режима движения. Анализ показал, что машина работает в дорезонансном режиме и ее наименьшая собственная частота близка к рабочей частоте. Для увеличения рабочей скорости машины необходимо повысить ее собственные частоты.

С помощью динамических моделей было исследовано влияние различных факторов на амплитуды усилий и деформаций звеньев, что, например, дает возможность рассчитать силы натяжения в ремнях (которые на конкретной машине часто выходят из строя).

В ходе исследовательской работы были получены следующие критерии совершенства клети с целью улучшения динамических характеристик бронировочной машины:

1) ширина интервала резонансных частот должна быть' как можно меньше, так как рабочий режим машины находится в области близкой к резонансу. Она минимальна, если все люльки хорошо сбалансированы;

2) жесткости валов открутки и приводных ремней люлек следует повысить в 10 и более раз для увеличения низшей собственной частоты машины и рабочей скорости;

3) допустимые неуравновешенности люлек и погрешности выставления опор клети определяются нормированным уровнем вибрации машины. С этой целью в работе была разработана методика выставления опор.

Научные положения, выводы и полученные результаты, содержащиеся в работе, подтверждены положительными результатами экспериментальных исследований, которые хорошо согласуются с расчетами по предложенной методике.