Введение к работе
Актуальность работы. Современные машины и агрегаты являются сложными техническими системами, содержащими силовые передачи, исполнительные механизмы и вспомогательные устройства. Повышение требований к динамическому качеству машин, точности исполнения рабочих движений, обеспечению надежности работы деталей, узлов и сопряжений при знакопеременных нагрузках приводит к необходимости оценки, контроля и управления динамическим состоянием технической системы в целом и ее отдельных узлов, в частности, обеспечение надежности и безопасности функционирования машин закладывается в предпроектных исследованиях и должно обеспечиваться на всех стадиях проектирования, производства и эксплуатации машин. Создание современных машин опирается на соответствующую научную основу, создаваемую в области машиноведения, теоретической механики, теории механизмов, динамики и прочности машин.
В решении задач современного машиноведения, в том числе и тех его направлений, которые связаны с вибрацией машин и колебательными движениями их отдельных элементов и узлов. Известность получили работы отечественных и зарубежных ученых: Артоболевского И.И., Фролова К.В., Ганиева Р.Ф, Махутова Н.А., Ген-кина М.Д., Блехмана И.И., Колесникова С.Н., Коловского М.З., Болотина В.В., Бирге-ра И.А., Бидермана В.Ф., Пановко Л.Г., Бессонова А.П., Кобринского А.Е., Вейца В.Л., Вульфсона И.И., Левитского Н.И., Алабужева П.М., Елисеева С.В., Бело-кобыльского С.В., Тимошенко С.П., Крендела С.С., Дж. П. Ден-Гартога , Цзе Ф., Тонга К.Н. и др.
Вместе с тем, многие вопросы динамики колебательных систем, особенно тех, которые связаны с упругими взаимодействиями элементов систем и механизмов в колебательных структурах, еще не получили должного внимания.
Обеспечение надежности и безопасной эксплуатации машин и механизмов в условиях повышения энергоемкости и производительности технологических процессов, увеличения скоростей и нагрузок промышленного оборудования и транспортных машин, делает особо актуальными проблемы анализа их технического состояния, прогнозирования остаточного ресурса и безопасности эксплуатации.
Решение задач вибрационной защиты все чаще рассматривается как разработка способов и средств управления динамическим состоянием технических объектов, в структуру которых входят многочисленные узлы и механизмы, взаимодействующие между собой в условиях интенсивных внутренних и внешних периодических и ударных возмущений.
Структурные методы исследования механических колебательных систем, получившие развитие в последние десятилетия, создают возможности с единых позиций рассматривать динамические взаимодействия механизмов и устройств различной физической природы. Механические цепи в различных формах проявления, в том числе, и как механизмы, состоящие из взаимодействующих между собой звеньев в виде твердых тел и элементов, обладающих упругими и диссипативными свойствами, позволяют создавать адекватные расчетные схемы, отражающие динамику современных машин.
В этом плане возникает ряд научных проблем, решение которых связано с необходимостью учета особенностей построения виброзащитных систем и конструктивно-технических форм реализации объектов защиты от вибрационных внешних воздействий и снижения нагрузок на узлы и детали машин. Насыщение современных машин исполнительными механизмами различной физической природы, требования к регламентации параметров динамического состояния предопределяют актуальность
научных исследований, направленных на поиск и разработку способов и средств обеспечения динамического качества технических объектов.
Объектом исследования являются технические системы в виде машин и механизмов, расчетные схемы которых представляют собой механические колебательные системы, находящиеся под действием внешних и внутренних силовых и кинематических возмущений.
Предметом исследований являются динамические процессы, происходящие в виброзащитных системах, в структуре которых, кроме обычных упруго-диссипативных и массоинерционных элементов используются различные механизмы и устройства для преобразования движения.
Цель диссертационной работы заключается в разработке метода построения математических моделей виброзащитных систем, имеющих в своем составе различные механизмы, позволяющие решать задачи оценки динамических свойств и возможностей динамических взаимодействий и использования их для разработки новых конструкторско-технических решений.
Задачи исследования. Для достижения цели предполагается решение ряда задач:
-
Изучить возможности и особенности построения математических моделей механических колебательных систем, имеющих в своем составе механические цепи, в том числе различные механизмы, а также закономерности динамических взаимодействий между элементами системы.
-
Предложить и разработать метод построения математических моделей виброзащитных систем, имеющих механизмы в качестве составных элементов.
-
Разработать научные основы теории динамических взаимодействий элементов виброзащитных систем для обеспечения методических подходов в определении динамических свойств систем и их динамических реакций в частности.
-
Разработать научно-методическую базу для поиска и разработки новых конструктивно-технических решений в задачах вибрационной защиты технических объектов.
Методика исследования и решения поставленных задач. Поставленные задачи решаются на основе применения методов теоретической и прикладной механики, а также использования аналитического аппарата теории колебаний, теории автоматического управления и теории механических цепей.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Метод построения математических моделей виброзащитных систем, основанный на развитии структурных представлений механических колебательных систем с дополнительными связями.
-
Научные результаты исследований, определяющие новые динамические свойства виброзащитных систем с дополнительными связями, реализуемые различными механизмами.
-
Научно обоснованная методика определения статических и динамических реакций в механических колебательных системах вращательного, поступательного и комбинированного типов.
Научная новизна работы заключается в разработке метода построения математических моделей механических колебательных систем, в частности, виброзащитных систем, содержащих в своем составе различные механизмы, обеспечивающие определение динамических свойств систем при различных видах объектов защиты и учете возникающих динамических реакций в контактах с опорными поверхностями и элементов между собой.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные результаты диссертации получены на основе фундаментальных положений и методов теоретической механики, теории колебаний, динамики машин, экспериментальных методов исследования.
Теоретическая и практическая значимость результатов исследования. Предложена методологическая основа решения задач динамики технических объектов сложной структуры, что характерно для современных направлений машиностроения, связанных с развитием транспортных средств, мобильной и промышленной робототехники, мехатроникой и системами управления динамическим состоянием. Основой для решения задач динамики являются структурные методы, в рамках которых используются возможности аналитического аппарата теории автоматического управления, что обеспечивает в задачах динамического синтеза виброзащитных систем условия учета особенностей элементарных звеньев различной физической природы и особенностей их соединений и взаимодействия. Предложена и разработана методологическая основа построения математических моделей различных колебательных систем, отражающих специфику работы механических систем с учетом геометрических особенностей расположения элементов и многообразных форм их взаимодействия. Ряд предложений выполнен на уровне изобретений, получены два патента на изобретения и один патент на полезную модель.
Результаты исследований представляют интерес для решения задач динамики механизмов и машин различного назначения, работа которых регламентируется требованиями к ограничению уровня вибрации и динамических сил, возникающих на объекте защиты, выделяемыми в технической системе.
Практическое использование результатов диссертации. Результаты работы использованы при выполнении исследований по гранту в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (номер 14.132.21.362), а также вошли в отчетные документы по программе фундаментальных госбюджетных исследований по проблеме «Мехатронные подходы в задачах вибрационной защиты высокотехнологичного оборудования и машин», выполняемых в Иркутском государственном университете путей сообщения (номер гос. регистрации 01201352793). Результаты научных нашли применение в разработках ряда предприятий и организаций региона. В частности, результаты научных разработок нашли применение в ОАО «Улан-Удэнский лопастной завод» (г. Улан-Удэ).
Материалы разработок используются в учебных программах кафедр Иркутского государственного университета путей сообщения и «Строительные и дорожные машины» Братского государственного университета.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: международной конференции «Математика и ее приложения» (г. Улан-Удэ, 2010, 2012); Байкальская Всероссийская конференция «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск, 2009, 2011, 2013); VII Международная научно-практическая конференция «Техника и технология: новые перспективы развития» - Москва: (26 ноября, 2012); Международная научно-практическая конференция «Транспорт – 2013» - г.Ростов-на-Дону (24-26 апреля, 2013 г.); Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы создания и эксплуатации тепловых двигателей в условиях Дальневосточного региона России» - г. Хабаровск (2013 г.); Международная научная конференция «Решетнев-ские чтения» - г. Красноярск (2009), Всероссийская научно-практическая конференция «Кулагинские чтения» (г. Чита) (2009-2011 г.г.).
Публикации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 18 печатных работах, из них 5 в реферируемых журналах из перечня ВАК РФ; получено два российских патента на изобретения и один патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 130 наименований, приложения. Основной текст диссертации изложен на 168 страницах и содержит 78 рисунков.
Автор диссертации благодарит к.т.н., доцента В.Б. Кашубу за помощь в организации и проведении эксперимента.
