Исследование и проектирование подвесок высокоскоростных бобинодержателей намоточных механизмов машин для производства химических волокон

В соответствии с постановлением ХХУ1 съезда КПСС «Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I1985 годы и на период до 1990 года» перед машиностроителями ставится задача значительного повышения надежности и производительности оборудования, качества конструкторских разработок и расширения автоматизации проектирования с применением электронно-вычислительной техники [l.l]. Указанные задачи стоят и перед машиностроением для производства химических волокон. Наиболее перспективными направлениями в создании оборудования для производства синтетических нитей в волокон являются: повышение рабочих скоростей, уменьшение массы и габаритов машин, увеличение массы выходных паковок, совмещение технологических процессов в одном агрегате Гзл]. Решение задач создания машин совмещенного формования и вытягивания, формования, вытягивания и текстурирования и др. невозможно без разработки соответотвущих приемно-намоточных (в дальнейшем изложении — намоточных) механизмов, ПОЗВОЛЯЕЩИХ осуществить прием нити на высоких скоростях. В перспективе перед машиностроителями стоит задача создания высокоскоростных намоточных механизмов со скоростью наматывания до 100 м/с и выше [s.Ij.Повышение скоростей намоточных механизмов приводит к резкому увеличению интенсивности колебаний их узлов и обусловленных ими динамических нагрузок в элементах машин, что снижает надежность и долговечность оборудования. Существенное влияние вибрации на качество выпускаемой продукции и отрицательный социально-гигиенический эффект шумового излучения делают проблему борьбы с вибрацией настолько острой и актуальной, что без ее решения невозможно выполнить задачи, поставленные перед машиностроением для производства химических волокон. Следовательно, вопросы снижения интенсивности колебаний систем подвеска-бобинодержатель, подвеска-фрикционный (укатывающий) цилиндр (в дальнейшем изложении — подвеска-ротор), вопросы оптимального расчета и проектирования подвесок высокоскоростных роторов имеют важное и актуальное народнохозяйственное и социальное значение, Директивным документом по данному вопросу явилось Постановление ГК Совета Министров, СССР по науке и технике № Н О от 29.03.78 г. «О развитии научных исследований и технических разработок в области виброзащиты машин и оборудования, обеспечивающих повышение качества, надежности и долговечности». В соответствии с упомянутым документом был издан приказ по Минлегпищемащу J& 265 от 30.05.78 г. и опубликован «Сводный план НИР и ОКР в области виброзащиты и снижения щума машин и оборудования на 19 791 985 гг.» Сводный план предусматривает, в частности, разработку методов расчета виброактивности намоточных механизмов на стадии проектирования. При проектировании высокоскоростных намоточных механизмов неучет ряда динамических факторов, касающихся подвесок высокоскоростных роторов, приводит к значительным материальным потерям вследствие создания эксплуатационно ненадежных машин. В настоящее время разработка высокоскоростных намоточных механизмов, в частности, подвесок высокоскоростных роторов, недостаточно оснащена научно-обоснованной и экспериментально проверенной методикой расчета и проектирования. Настоящая работа выполнена в соответствии с пунктом 2.9 «Комплексной программы проведения научно-исследовательских работ и разработки методических материалов, необходимых при расчете, проектировании, изготовленр и испытании машин для производства химических волокон и нитей», утвержденной Первым заместителем Министра машностроения для легкой и пищевой промышленности и бытовых приборов 15 декабря 1980 года, в котором поставлена задача «Разработать методику расчета и проектирования высокоскоростных намоточных механизмов при скорости приема нити 25−100 ы/с (1500−6000 Ш/Ш1Е) И выше» .При этом, с учетом вышеизложенных директивных документов, упор делается на широкое внедрение математического моделирования на ЭВМ с целью автоматизации инженерных расчетов, что даст возможность уже на стадии проектирования проводить оптимизацию конструкций подвесок высокоскоростных роторов, оптимально удовлетворяющих конкретным техническим условиям (скорость намотки, масса паковки, габаритные размеры, допустимые уровни вибрации и шума).Минимизация динамических характеристик подвесок высокоскоростных роторов на основе рационального выбора геометрических, жесткостннх, инерционных и других конструктивных параметров позволит создать работоспособные конструкции подвесок, обеспечивающие устойчивую работу роторов на высоких скоростях. Цель данной диссертационной работы состоит в разработке методики расчета, методов анализа и синтеза подвесок высокоскоростных бобинодержателей на стадии проектирования намоточных механизмов. Методика расчета ориентирована на широкое применение ЭВМ для оптимального проектирования систем прижима и автоматизированный поиск оптимальных жесткостных, инерционных и геометрических параметров подвесок, ведущих к минимизации динамической составляющей усилия прижима бобинодержателя к фрикционному цилиндру и к снижению интенсивности колебаний систем подвеска-ротор.Научная новизна работы состоит в следующем: — разработана методика расчета оптимальных геометрических параметров систем прижима бобинодержателя к фрикционному цилиндру, содержащих различные типы силовых элементов (груз, пружину или гидро-пневмоцилиндр), способных реализовать ряд заданных законов изменения усилия прижима- - разработаны и исследованы математические модели намоточного механизма с жесткими роторами с учетом упругого крепления их к подвескам и сложного характера инерционного и кинематического возбуждений, позволяющие наиболее полно выявить влияние параметров механизма на условия формирования паковок- - разработана методика расчета оптимальных жесткостных и инерционных параметров подвесок, использующая многокритериальный синтез механизма с помощью ЛП-поиска- - разработана методика определения потерь на трение в подвесках с пневматическим устройством прижима по геометрическим параметрам петли гистерезисных потерь- - разработана методика приближенной теоретической оценки оптимального коэффициента демпфирования подвески, исходя из допустимой амплитуды ее колебания- - разработано устройство и метод определения погрешностей геометрических размеров поверхности тела намотки с целью уточнения характера кинематического возбуждения систем подвеска-ротор.Работа состоит из пяти глав, результатов и выводов, приложений. В первой главе дан обзор и анализ конструкций подвесок ротор, приведена их классификация. Показаны основные направления совершенствования конструкций подвесок. Дан краткий обзор методов расчета намоточных механизмов. в результате обзора и анализа литературных источников и состояния вопроса определена цель работы и задачи исследования. Во второй главе проведены исследования системы прижима, обладающей расширенными технологическими возможностями в плане реализации ряда заданных законов изменения усилия прижима. В третьей главе исследуются основные параметры тела намотки и подвески бобинодержателя, определяювде динамику намоточного механизма. В четвертой главе разработана методика расчета оптимальных жесткостных и инерционных параметров подвесок роторов, использующая многоьфитериальный синтез намоточного механизма с помощью ЛП-поиска.В пятой главе на пространственной модели исследуется динамика намоточного механизш маятникового типа с учетом его конкретных конструктивных особенностей при сложном характере кинематического возбуждения. Приведены результаты экспериментов, подтверждающие теоретические исследования. В приложении помещены программы вычислений на ЭВМ, таблицы с результатами оптимизации параметров механизма, акт внедрения. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ Задачи, поставленные в данной работе, решались теоретическими и экспериментальными методами. Широко использованы методы динамических моделей, теоретические исследования на математических моделях с применением Э Ш .На этих моделях методами линейной теории колебаний было исследовано влияние на динамику намоточного механизма и величину усилия прижима бобинодержателя к фрикционному цилиндру жесткостных и инерционных параметров систем подвеска-ротор, Оценка величины и характера некруглости поверхностей тела намотки и фрикционного цилиндра проводилась экспериментально с использованием для исследования полученных профилей метода Фурьеанализа. На основании проведенных исследований и в соответствии с «Комплексной программой…» автором разработана методика расчета и проектирования подвесок высокоскоростных бобинодержателей намоточных механизмов машин для производства химических волокон. Методика расчета состоит из самостоятельных разделов, которые приведены в конце соответствующих глав, где помещены теоретические исследования, предшествующие их разработке. Методика апробирована и применяется при создании намоточных механизмов во ВНйИМСВе. Практическая ценность.Методика расчета и проектирования подвесок высокоскоростных бобинодержателей намоточных механизмов позволяет: — определить на стадии проектирования конструктивные параметры систем прижима, обладающих расширенными технологическими возможностями в плане реализации заданных законов изменения усилия прижима при использовании различных силовых элементов (груза, пружины или пневмоцилиндра) — - исходя из конкретных технологических условий наматывания, автоматически подобрать необходимые жесткостные и инерционные параметры подвесок бобинодержателя и фрикционного цилиндра, обеспечивающие устойчивую работу системы подвеска-ротор на высоких скоростях наматывания- - определить величину и характер динамической составляющей усилия прижима с учетом изменяющихся в процессе наматывания параметров бобинодержателя- - учесть влияние на динамику намоточного механизма сложного характера кинематического возбуждения бобинодержателя и фрикционII ного цилиндра. Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы во ВНИИМСВе составил 39 тыс. руб.Настоящая работа проводилась на кафедре проектирования маш и для производства химических волокон и красильно-отделочного оборудования Московского ордена Трудового Красного Знамени текстильного института им. А. Н. Косыгина и во ВНИИ машин для производства синтетических волокон (ВНИИМСВ, г. Чернигов).Основное содержание работы обсуждалось и докладывалось: — на Всесоюзной научно-технической кон (|)еренции «Создание прогрессивного оборудования даш производства синтетических волокон», г. Чернигов, 1982 г.- - на Всесоюзной научно-технической конференции «Теория и практика формования химических волокон», г. Мытищи, 1983 г.- - на республиканской научно-технической конференции «Пути совершенствования техники и технологии текстильного производства», г. Тбилиси, 1983 г.- - на научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московского текстильного института, г. Москва, 1982, 1983 гг.- - на областной научно-технической конференции «Творческий союз высшей школы и производства — на службу пятилетке», г. Чернигов, 1983 г.- - на заседаниях научно-технического Совета ВНИИМСВа, г. Чернигов, I98I, 1983 гг.- - на заседании кафедры проектирования машин для производства химических волокон и красильно-отделочного оборудования Московского текстильного инстиоута, ноябрь 1983 г.

ОБЩЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Разработана методика расчета оптимальных геометрических параметров систем прижима, обладающих расширенными технологическими возможностями в плане реализации разных заданных законов изменения усилия прижима и обеспечения необходимой точности их выполнения. Проведенная, согласно разработанной методики, оптимизация геометрических параметров существующей системы прижима, позволила увеличить точность выполнения заданного закона более чем в четыре раза.

2. Предложенная конструкция системы прижима, выполненная на основе шарнирного четырехзвенника, с оптимизированными геометрическими параметрами позволяет дополнительно увеличить (почти в три раза) точность выполнения заданных законов по сравнению с оптимизированной базовой схемой существующей системы прижима.

3. Для повышения точности выдерживания заданных законов изменения усилия прижима, целесообразно создавать конструкцию намоточного механизма с системой подвеска-ротор, имеющей минимально возможный вес и располагать рычаг с удерживаемым ротором вблизи вертикали, что уменьшает отрицательное воздействие моментов от веса подвески и тела намотки на точность выполнения заданных законов.

4. Целесообразно располагать силовой элемент системы прижима и рычаг с удерживаемым ротором по разные стороны относительно оси его поворота, что позволяет увеличить точность выполнения заданных законов.

5. Предложенное техническое решение системы прижима, выполненной на основе шарнирного четырехзвенника и обладающей расширенными технологическими возможностями с точки зрения реализации разных заданных законов изменения усилия прижима, признано изобретением (заявка 354 000/28−12, положительное решение от I8.08.83r),.

6. Разработанные методика и устройство для определения геометрических параметров тела намотки позволили представить погрешность его геометрии некруглостыо поверхности и углом наклона ее образующей к оси вращения бобинодержателя. Максимальное биение образующей тела намотки, радиус которого равен 0,150 м, сформированного из капроновой текстильной нити, в условиях эксперимента о составило 0,645*10 м, а максимальное значение угла наклона обо разующей поверхности к оси вращения тела намотки — 52,27−10 рад.

7. Разработанные методика и установка для определения динамических параметров тел намотки позволили определить зависимости динамической жесткости и коэффициента демпфирования тела намотки от величины усилия прижима бобинодержателя к фрикционному цилинДРУ.

Динамическая жесткость тела намотки, сформированного из капроновой текстильной нити, с возрастанием усилия прижима увеличивается с 6,5.105 Н/м при Рпр= 5Н до 8,5 Н/м при Рпр= 100 Н.

Изменения величины коэффициента демпфирования тела намотки в условиях эксперимента было незначительным.

8. Разработана методика определения основных статических характеристик подвески бобинодержателя с пневматической системой прижима, позволяющая по геометрическим параметрам петли гистере-зисных потерь на трение оценить качество ее работы.

9. Разработана методика определения оптимального коэффициента сопротивления демпфера подвески бобинодержателя исходя из допустимых амплитуд ее колебаний. Расчеты показали, что для исследуемой конструкции намоточного механизма маятникового типа при допустимом угле колебаний подвески [^Р] = 0,0672 рад, величина коэффициента сопротивления демпфера при выбранных конструктивных параметрах составляет ^ - 28,35*10^ Н-с"м.

10. Разработаны математические модели намоточных механизмов, учитывающие дисбалансы бобинодержателя и фрикционного цилиндра, жесткостные параметры их опор, а также погрешность формы тела намотки.

11. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика подбора инерционных и жесткостных параметров подвесок роторов в линейных динамических моделях намоточных механизмов, учитывающих основные колебательные режимы, связанные с наличием дисбалансов роторов и геометрическим несовершенством формы тела намотки. Методика использует многокритериальный синтез механизма с помощью ЛЛ-поиска и предусматривает оценку принципиальной конструктивной схемы намоточного механизма.

12. С помощью разработанной методики выбраны базовые варианты и схемы динамических моделей, являющиеся оптимальными для определенных диапазонов рабочих скоростей. Расчеты показали, что до рабочих скоростей порядка 58,6 м/с предпочтительной является схема механизма с бобинодержателем, установленным на подвижной подвеске, и на скоростях выше 58,6 м/с лучшие результаты достигаются при установке бобинодержателя на неподвижной подвеске. В оптимизированных схемах намоточных механизмов для рабочих скоростей наматывания ниже 25 м/с собственные частоты системы находятся выше частот возбуждения, а для скоростей наматывания выше 75 м/с — ниже частот возбуждения.

13. Расчеты показали, что для обеспечения устойчивой работы намоточного механизма необходимо обеспечить оптимальные значения инерционных параметров подвески и роторов, а также жесткостных параметров упругих опор бобинодержателя и фрикционного цилиндра, значения которых существенно отличаются на разных скоростных режимах.

14. Для обеспечения свободного от резонансных зон рабочего диапазона при скоростях наматывания Ун > 75 м/с + 100 м/с следует обеспечить в рассматриваемой конструкции намоточного механизма величины масс подвески, бобинодержателя и фрикционного цилиндра соответственно равными 58,5- 29,8 и 27,7 кг, а жесткост-ные параметры упругих опор бобинодержателя и фрикционного вдлинд д дра — соответственно 3,0−10 и 4,2*10 Н/м.

15. Разработана пространственная математическая модель намоточного механизма маятникового типа с учетом конкретных его конструктивных особенностей. Модель учитывает диссипацию энергии в теле намотки, упругих опорах подвески, бобинодержателя и фрикционного цилиндра, а также сложный характер кинематического возбуждения систем подвеска-ротор.

Математическую модель рекомендуется применять для определения величины и характера динамического усилия прижима, определения вибрационных характеристик узлов намоточного механизма и определения допускаемых погрешностей изготовления бобинодержателя, бобины и фрикционного цилиндра.

16. Расчеты на пространственной математической модели намоточного механизма показали, что динамическая составляющая усилия прижима имеет периодический характер и максимальные ее (пиковые значения) достигают величины — 120 Н.

Эти значения хорошо согласуются с экспериментальными данными, поэтому разработанные математические модели с достаточной точностью описывают динамику контактного взаимодействия и могут быть применены для исследования динамики намоточного механизма на стадии их проектирования.

17. Применение разработанной методики позволяет использовать на стадии проектирования математическое моделирование вместо натурного, эффективно подбирать оптимальные параметры систем подвеска-ротор.

Разработанная методика расчета и проектирования подвесок высокоскоростных бобинодержателей может быть использована на предприятиях отрасли с целью снижения виброактивности систем подвеска-ротор, повышения их надежности и долговечности, снижения себестоимости оборудования и опытно-конструкторских разработок.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ильчук В. П. Формы колебаний оси бобинодержателя на подвесках разных конструкций и демпфирующая способность подвесов прием-но-намоточных механизмов. — В кн.: Создание прогрессивного оборудования для производства химических волокон: Тез.докл. Всесоюз. науч.-техн.конф. Чернигов, 1982, с.134−135.

2. Ильчук В. П. Подвески роторов приемно-намоточных механизмов машин для производства синтетических нитей. — М., 1981.

— 42 с. Рукопись представлена Моск.текстильн.ин-том. Деп. в ЦНИИТЭИлегпшцемаш 26 января 1982 г., № 291 мл — Д82.

3. Ильчук В. П. Оценка качества работы приемно-намоточного механизма по геометрическим параметрам петли гистерезисных потерь на трение в пневмоподвесе бобинодержателя. Изв. ВУЗов Технология текстильной промышленности, 1983, № 5, с.83−86.

4. Ильчук В. П. Устройство для измерения погрешностей формы тела намотки. — Информ. листок о передовом пр.-техн. опыте. Сер. 28, № 13−38: Черниговский ЦЕПИ. — Чернигов, 1983. — 4 с.

5. Ильчук В. П., Акимов A.A. Динамика бобинодержателя рычажного типа при его упругом подвеое. — М., 1983. — 16 с. Рукопись представлена Моск. текстильн. ин-том. Деп. в ЦНИИТЭИлегпищемаш.

28 апреля 1983 г., № 348 мл — Д83.

6. Ильчук В. П. Исследование влияния конструктивных параметров высокоскоростного намоточного механизма на процесс формирования тела намотки. — В кн.: Теория и практика формования химических волокон: Тез.докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. Мытищи, 1983, с.170−172.

7. Ильчук В. П. Исследование динамики приемно-намоточного механизма для контактного наматывания синтетических нитей. — М.,.

1983. — 15 с. Рукопись представлена Моск.текстильн.ин-том. Деп. в ЦНИИТЭИлегпищемаш I сентября 1983 г., № 370 мл — Д83.

8. Ильчук В. П. Исследование влияния динамики фрикционной пары высокоскоростного намоточного механизма на цроцесс формирования тела намотки. — В кн.: Пути совершенствования техники и технологии текстильного производства: Тез.докл. респ. науч.-техн. конф. Тбилиси, 1983, с.26−27.

Получено положительное решение от 18.08.83 г. по заявке на изобретение:

9. Заявка № 3 540 008/28 от 14.01.83 г. Устройство для намотки нити на паковку / В. П. Ильчук, Н. А. Петров.