Введение к работе
Актуальность проблемы. В современном индустриальном обществе развитию машиностроения придается приоритетное значение, что связа: но с ускорением развития этой отрасли и быстрым переходом на выпуск новых поколений машин и оборудования, способных обеспечить внедрение прогрессивных технологий, многократно повысить производительность труда, снизить материалоемкость, увеличить фондоотдачу. Техническое совершенство и технологические возможности рабочих машин в основном определяются функциональными и преобразующими свойствами используемых в них приводов. Поэтому становятся особенно актуальными выполняемые на базе открытий и изобретений НИР и ОКР, способствующие решению важной научно-практической задачи внедрения в машиностроительный комплекс страны приводов с новыми функциональными и преобразующими свойствами, представляющих возможность для повышения эффективности рабочих машин и осуществляемых ими технологических процессов.
Одно из сравнительно новых и быстро развивающихся направлений современного машиностроения связано с внедрением в производство прогрессивных импульсных технологий (использующих для осуществления технологических операций импульсное приложение сил и моментов) на основе создаваемых с применением вибропривода рабочих вибрационных машин. В этой связи зубчатые планетарные инерционно-импульсные механические системы (пл. ИИМС), которые могут составлять основу приводов (виброприводов) многих рабочих машин и придавать им новые функциональные и преобразующие свойства, улучшающие характеристики машин и осуществляемых ими технологических процессов, привлекают к себе постоянный и все возрастающий интерес исследователей и машиностроителей. На перспективность исследований пл. ИИМС н приводов с их использованием указывалось в решениях Всесоюзных научных конференций по инерционно-импульсным приводам и устройствам (Челябинск, 1977, 1982 гг.), Всесоюзных научно-технических конференций по вариаторам и передачам гибкой связью (Одесса, 1976, 1980, 1986 гг.), Международной научно-технической конференции по инерционно-импульсным механизмам, приводам и устройствам (Владимир, 1992 г.). Работы по исследованию пл. ИИМС в пргазодах различных машин включались в координационные планы НИР АН СССР на XI - XII пятилетки и выполнялись по постановлениям ГКНТ № 274 от 28.06.71 и № 310 от 15.07.86.
Известные пл. ИИМС согласно классификации по функциональному назначению делятся на четыре віща: инерционно-импульсные механизмы (ИИМ), инерционные трансформаторы вращающего момента
(НТВМ), инерционно-импульсные вращатели (ИИВ), комбинированные инерционно-импульсные устройства (КИИУ).
Анализ научно-технической литературы и патентной информации показывает, что многообразие условий применения пл. ИИМС и известные их недостатки обусловили широкое проведение исследований не только с целью усовершенствования существующих конструкций в направлении повышения несущей способности и долговечности, но и с целью разработки и изучения новых конструкций, чьи функциональные и преобразующие свойства значительно отличаются от известных. Актуальными являются исследования по определению перспектив практического использования в приводах машин как ранее изученных, так и новых систем.
Развитием указанных НИР является настоящая диссертационная работа, исследования в которой ведутся в двух направлениях, предполагающих изучение функциональных и преобразующих свойств новых и известных пл. ИИМС в перспективных приводах, повышающих качественные характеристики и эффективность использования рабочих машин.
Одно из направлений исследований связано с созданием и изучением новых пл. ИИМС, общим и отличительным признаком которых по сравнению с известными является наличие дополнительной подвижности одного или нескольких звеньев. При этом имеет место такая дополнительная подвижность, с введением которой полное число структурных степеней свободы рассматриваемых систем увеличивается как минимум на единицу. Поэтому с учетом структурного признака известные системы рассматриваются автором как зубчатые планетарные инерционно-импульсные механические системы с нормально-подвижными звеньями (пл. ИИМС с НПЗ), а новые - как зубчатые планетарные инерционно-импульсные механические системы с дополнительно-подвижными звеньями (пл. ИИМС с ДПЗ).
Придание приводам более сложных свойств по саморегулированию своих характеристик в пределах, диктуемых параметрами рабочего процесса; упрощение конструкций регулируемых приводов известных машин; использование при создании приводов новых рабочих машин, позволяющих с положительным для производства эффектом решать известные и новые технологические задачи - вот перечень основных практических результатов, которые могут быть получены при исследовании пл. ИИМС с ДПЗ.
Другое направление исследований связано с реализацией возможности эффективного использования пл. ИИМС в конструкциях резонансных приводов, применяемых, например, в вибрационных машинах для вибрационной обработки деталей в рабочей среде с частотой колебаний рабочих органов более 80 Гц и амплитудой 0,002 ... 0,005 м.
В практике вибрационной обработки деталей частоты колебаний рабочих органов меньше 80 Гц считаются низкими, больше (до определенной величины) - средними. В настоящее время большинство научных и практических разработок направлено на использование для технологических целей низкочастотных колебаний. Вместе с тем известно, что производительность вибрационных машин, используемых, например, для выполнения отделочно-зачистных операций, повышается с увеличением частоты и амплитуды колебаний рабочих органов. Эффект повышения производительности и качественных характеристик вибрационных ма^ шин может быть еще более усилен, если обработку деталей производить в закрытых емкостях (контейнерах) в режиме обычного резонанса.
Создание надежного и долговечного среднечастотного резонансного вибропривода становится объективно возможным с применением в качестве вибровозбудителей инерционно-импульсного механизма с одним нормально-подвижным звеном (ИИМ с ОНПЗ) или инерционно-импульсного механизма с одним дополнительно-подвижным звеном (ИИМ с ОДПЗ). Указанные механизмы надежны в работе и могут быть выполнены без подшипниковых узлов, что выделяет их среди известных вибровозбудителей, долговечность которых при работе на средних частотах ограничивается сроком службы подшипников.
Рассмотренные направления исследований свидетельствуют о том, что научно-прикладные исследовательские задачи, связанные с разработкой конструкций, вопросов теории, эксперимента и предложений по практическому применению пл. ИИМС с ДПЗ и выполненных на основе пл. ИИМС среднечастотных резонансных виброприводов, являются новыми, актуальными и перспективными. Проведенные в указанных направлениях исследования в основном принадлежат сотрудникам Горлов-ского филиала Донецкого государственного технического университета, которые занимаются ими с 1978 г. под научным руководством автора диссертации. Указанные работы, рассматривая частные исследовательские задачи, не дают обобщающих теоретических результатов проводимых в этих направлениях исследований.
Цель исследования. Решение новой, актуальной и крупной научно-технической проблемы создания научной базы для широкого внедрения в машиностроительный комплекс страны пл.ИИМС с ДПЗ и выполненных на основе пл. ИИМС среднечастотных резонансных виброприводов как передаточных устройств, придающих приводам новые функциональные и преобразующие свойства, позволяющие повысить эффективность рабочих машин и осуществляемых ими технологических процессов.
Общие задачи исследования. Создать конструкции пл. ИИМС с ДПЗ и выполненных на основе пл. ИИМС среднечастотных резонансных приводов, уточнить классификацию пл. ИИМС в целом и определить объекты исследований; поставить частные задачи исследования и разра-
4 ботать методику их решения; провести теоретические и экспериментальные исследования пл. ИИМС с ДПЗ н выполненного с использованием пл. ИИМС среднечастотного резонансного привода, определить их основные параметры и характеристики, на основе анализа последних установить функциональные и преобразующие свойства исследуемых систем, особенности их работы; разработать методики расчета основных параметров и характеристик пл. ИИМС с ДПЗ и среднечастотного резонансного вибропривода, установить расчетные режимы для выполнения расчетов на прочность; разработать предложения по практическому использованию пл. ИИМС с ДПЗ и среднечастотного резонансного вибропривода, на их основе создать экспериментальные, опытные образцы отдельных технологических машин и провести их испытания; сформулировать основные научно-технические задачи, решение которых будет способствовать широкому внедрению результатов исследований в народное хозяйство страны.
Объекты исследования. К ним относятся следующие наиболее перспективные в плане получения теоретических и практических результатов конструкции пл. ИИМС: инерционный трансформатор вращающего момента с дополнительно-подвижными звеньями без внутреннего разделения силового потока (ИТВМ с ДПЗ без ВРСП), инерционный трансформатор вращающего момента с дополнительно-подвижными звеньями и внутренним разделением силового потока (ИТВМ с ДПЗ и ВРСП), инерционно-импульсный механизм с несколькими дополнительно-подвижными звеньями (НИМ с НДПЗ), комбинированное ннерцнонно-импульсное устройство (комбинация инерционно-импульсного механизма с несколькими дополнительно-подвижными звеньями и инерционного трансформатора вращающего момента с нормально-подвижными звеньями, комб. ИИМ с НДПЗ и ИТВМ с НПЗ), среднечастотный резонансный вибропривод многоцелевого назначения с использованием в качестве вибровозбудителя ИИМ с ОНПЗ.
На защиту выносятся следующие обладающие научной новизной результаты исследования:
- впервые разработанные конструкции новых перспективных
пл. ИИМС с ДПЗ и резонансных виброприводов с использованием
пл. ИИМС в машинах для виброабразивной обработки детален на сред
них частотах, уточненная классификация пл. ИИМС;
- разработанная на основе методов системного анализа и обобще
ния общая методика исследовании пл. ИИМС с ДПЗ и используемого в
качестве вибровозбудителя в резонансном виброприводе ИИМ с ОНПЗ
как элементов в системе источник энергии (ИЭ) - пл. ИИМС - потреби
тель энергии (ПЭ);
- созданные физические и математические- модели систем ИЭ -
пл. ИИМС с ДПЗ - ПЭ, ИЭ - ИИМ с ОНПЗ - ПЭ, методики определения
5 основных параметров и диссипативных характеристик пл. ИИМС с ДПЗ, предложенные уточненные понятия и графические изображения выходных характеристик систем, характеристик совместной работы ИЭ с пл. ИИМС с ДПЗ и ПЭ, безразмерных характеристик систем;
созданные алгоритмы и программы численного моделирования на ЭВМ работы систем ИЭ - пл. ИИМС с ДПЗ - ПЭ и ИЭ - НИМ с ОНПЗ - ПЭ;
определенные в результате теоретических и экспериментальных исследований диссипативные, выходные, безразмерные характеристики систем, характеристики совместной работы ИЭ, ИИМС с ДПЗ и ПЭ, установленные на их основе функциональные, преобразующие свойства новых систем и области наиболее эффективного использования их в приводах различных рабочих машин;
полученные в результате теоретических и экспериментальных исследований системы ИЭ - ИИМ с ОНПЗ - ПЭ данные для построения ее амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и данные о наличии эффекта Зоммерфельда при работе системы в резонансном режиме, аналитические выражения для определения основных геометрических и массовых параметров ИИМ, параметров ИЭ и ПЭ;
разработанные методики расчета основных параметров и характеристик систем ИЭ - пл. ИИМС с ДПЗ - ПЭ, ПЭ - ИИМ с ОНПЗ - ПЭ, рекомендации по проведению силового анализа и выбору расчетных режимов;
- предложения по конкретному применению систем ИЭ -
пл. ИИМС с ДПЗ - ПЭ, ИЭ - ИИМ с ОНПЗ - ПЭ в качестве приводов ра
бочих машин различного технологического назначения, их схемные ре
шения, данные о испытаниях экспериментальных и опытных образцов
отдельных рабочих машин с использованием указанных систем в ка
честве привода;
- установленные первоочередные научно-практические задачи, ре
шение которых будет способствовать широкому внедрению результатов
диссертационного исследования.
Перечисленные результаты исследования составляют научную базу для широкого применения пл. ИИМС с ДПЗ и разработанных с исполь-зовнием пл. ИИМС среднечастотных резонансных виброприводов в машиностроительном комплексе страны.
Практическая ценность исследования. Выполненное исследование является значительным вкладом в решение комплексной научно-практической задачи внедрения в машиностроительный комплекс страны приводов с новыми функциональными и преобразующими свойствами, способствующих повышению эффективности рабочих машин и осуществляемых ими технологических процессов.
Созданы условия для широкого.внедрения автоматических бесступенчатых передач нового типа - инерционных трансформаторов вращающего момента с двумя ведомыми звеньями, обладающих новыми возможностями по саморегулированию, которые реализуются при использовании передач в приводах рабочих машин с двумя рабочими органами (РО), т.е. имеющих два канала технологических сопротивлений и осуществляющих технологический процесс, задающий определенную (адаптирующую) связь между параметрами этих сопротивлений. В этом случае без использования специальных систем автоматического регулирования решаются, например, такие задачи по саморегулированию, как обеспечение функционирования рабочей машины только на режимах безаварийной работы, максимального использования мощности ИЭ, с высокими значениями КПД. Созданы гидромеханические и электромеханические аналоги исследованных ИТВМ с равными последним возможностями по саморегулированию.
Предлагаемые для применения в качестве передаточных механизмов в приводах рабочих машин новые устройства (НИМ с ДПЗ, КИИУ с ДПЗ) обеспечивают РО машины дополнительные движения в новых направлениях при наличии соответствующих последним технологических сопротивлений с определенной связью между параметрами этих сопротивлений. Все это позволяет упростить конструкции приводов известных машин, придать новым приводам более сложные свойства по саморегулированию своих характеристик в пределах, диктуемых параметрами рабочего процесса, и решать с положительным для производства эффектом известные и новые технологические задачи. При этом ведомые звенья рассматриваемых устройств обладают дополнительной активностью в новых направлениях движения, что способствует увеличению производительности рабочих машин.
Среднечастотный резонансный вибропривод с использованием ИИМ с ОНПЗ позволяет создать надежные, высокопроизводительные, энергосберегающие резонансные вибромашины для виброабразивной обработки деталей с частотой колебаний РО более 80 Гц и амплитудой 0,002. . .0,005 м. Новый вибропривод создает условия для освоения вибротехникой средних частот колебаний. Кроме того, его следует рассматривать как инструмент для исследования возникающих при взаимодействии поверхностей рабочих органов, рабочей среды и обрабатываемых деталей новых физико-технических эффектов с целью использования их при создании новых технологий.
Реализация результатов исследования. Научные результаты работы использованы в процессе выполнения НИР и ОКР при решении задач целевых научно-технических программ, включенных в планы АН СССР на XI - XII пятилетки по проблеме "Теория машин и систем машин", в по-
7 становления ГКНТ и Координационного совета по проблеме "Инерционно-импульсные системы" при MB и ССО СССР (номера государственной регистрации отчетов 76058390, 77075280, 81004331, 0181.8000999, 0184.0007349, 0185.0041918, 0185.0047652, 0186. 0133722, 0188.0022973, 0190.0046627). Решались задачи следующей практической направленности: разработка и исследование вибромашины с использованием ИИМ с ДПЗ для удаления заусенцев пластмассовых деталей и окраски гранулированного полистирола (завод "Прибой", г. Таганрог); повышение производительности вертикально-доводочного полуавтомата за счет введения в привод изделия ИИМ с ОДПЗ (Ярославский моторный завод); разработка экспериментального образца установки для инициирования гидротермальных реакций с использованием в приводе ИИМ с ОДПЗ (ИЭМ при Ногинском научном центре РАН, Московская обл.); разработка и исследование экспериментального образца привода с использованием КИИУ с ДПЗ для удаления заусенцев с реакторных колес гидротрансформаторов ( НИИТавтопром, г. Москва); создание и исследование экспериментальных и опытных образцов резонансных вибромашин для внброабразивной обработки деталей на частоте 100 Гц с амплитудой0,002. . .0,005 м (ПО "Мотор Сич", г. Запорожье); исследование технологических возможностей резонансных вибромашин с улучшенными параметрами в приложение к решению технологических задач на конкретных предприятиях (Горловскнй филиал ДонГТУ, г. Горловка, Донецкая обл.); изучение особенностей функционирования ударно-вращательной головки с использованием ИИМ с ОДПЗ в схеме бурильной установки (Ново-Горловский машиностроительный завод); разработка и испытание выполненного с использованием ИТВМ с ДПЗ и ВРСП экспериментального образца установки для очистки внутренних поверхностей трубопроводов (НПО "Шельф", г. Донецк); разработка и испытание экспериментальных образцов привода рекламного стенда, выполненного с использованием ИТВМ с ДПЗ без ВРПС и сделанного с применением в прюзоде ИИМ с ОДПЗ притирочного одношпиндельного станка (Горловскнй филиал ДонГТУ).
При этом были внедрены следующие оборудование и технологические процессы:
установка для обработки поверхностей деталей с применением в приводе ИТВМ с ДПЗ без ВРСП (Ново-Горловский машиностроительный завод, годовой экономический эффект от внедрения одной установки 8,0 тыс. руб., здесь и дальше цены 1989 г.);
процесс вибрационной шпиндельной обработки деталей со знакопеременным винтовым движением шпинделей и оборудование для его осуществления (завод "Славянск-ферммаш", г. Славянск, Донецкая обл.,
8 годовой экономический эффект от внедрения одной установки 3,7 тыс.
руб.);
установка для очистки внутренних поверхностей трубопровода с использованием в качестве привода системы ИЭ - ИТВМ с ДПЗ и ВРСП -ПЭ (НПО "Шельф", годовой экономический эффект от внедрения одной установки 21,8 тыс. руб.);
процесс виброабразивной обработки деталей в закрытых контейнерах ( с частотой колебаний 100 Гц, амплитудой 0,0035 м) и оборудование для его осуществления с использованием в качестве привода системы ИЭ - ИИМ с ОНПЗ - ПЭ (ПО "Мотор Снч", годовой экономический эффект от внедреши одной установки 11,8 тыс. руб.).
Результаты диссертационного исследования нашли отражение в информационно-технической и справочной литературе.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены, обсуждены и получили одобрение: на Всесоюзных научно-технических конференциях по вариаторам и передачам гибкой связью (Одесса, 1976, 1980, 1986 гг.); Всесоюзных научных конференциях по импульсным механизмам, приводам и устройствам (Челябинск, 1977, 1982 гг.); IV Международной научно-технической конференции по инерционно-импульсным механизмам, приводам и устройствам (Владимир, 1992 г.); V Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата, 1981 г.); филиале семинара ТММ при АН СССР (Киев, 1980 г.); филиале семинара ТММ при АН СССР ( Челябинск, 1981 г.); региональных научно-технических семинарах "Применение низкочастотных колебаний в технологических целях" (Ростов-на-Дону, 1982 г.), "Теоретические основы вибрационной технологии" (Полтава, 1985 г.), "Применение низкочастотных колебаний в технологических целях" (Иркутск, 1988 г.), "Применение низкочастотных колебаний в технологических целях" (Полтава, 1990 г.), "Надежность и ресурс работы оборудования и оснащения" (Воронеж, 1993 г.); научно-технических конференциях Челябинского государственного технического университета (1979, 1980 гг.), Донецкого государственного технического университета (1973 - 1993 г.).
Достоверность результатов. Основные положения, рекомендации и выводы, изложенные в диссертации, находятся в соответствии с современными представлениями теории машин и механизмов, динамики машин циклического действия, переменной структуры и подтверждены результатами экспериментальных исследований на лабораторных моделях, геометрические, массовые параметры и особенности конструкции которых соответствовали принятым при создании математическим моделям. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась путем определения экспериментальной доверительной ошибки, рассчитываемой с помощью критерия Стьюдента. когда
9 средний результат и устанавливаемый интервал определялись с надежностью 0,92.
Основные научные положения получили подтверждение при испытаниях экспериментальных, опытных образцов рабочих машин, выполненных с использованием в качестве привода исследованных систем, что подтверждено соответствующими документами.
Публикации. Основные научные положения и результаты диссертации опубликованы в 96 печатных работах (из них 55 авторские свидетельства на изобретения) и в 10 депонированных научно-технических отчетах.
Структура и объем диссертации. Представленная работа состоит из введения, шести разделов, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 313 наименований и содержит 384 страницы основного текста, 160 страниц рисунков, графиков, фотографий и 92 страницы приложений. Общий объем первой части диссертации - 605 страниц, второй части (приложений) - 92 страницы.