Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение мощности привода, являющегося одним из важнейших структурных элементов большинства технологических машин, и скорости движения рабочих органов приводит к постоянному увеличению значения динамических процессов, протекающих в механической системе технологических машин, и, в частности, в её приводе. Без исследования динамических процессов, протекающих в приводе, невозможно оценить реальные нагрузки, действующие на элементы машины, ресурс работы и эксплуатационную надежность.
Первым шагом динамического исследования любой машины является составление расчетной схемы и математической модели исследуемой системы. Очевидно, что чем полнее расчетная схема отображает действительные свойства исследуемой системы, тем точнее расчетные динамические характеристики будут соответствовать реальным. По полноте отражения реальных динамических свойств исследуемых механических систем все расчетные схемы и, соответственно, математические модели можно разделить на две большие группы: линейные и нелинейные. Методика составления линейных математических моделей, исследования на их основе динамических процессов и соответствующие программные средства разработаны достаточно полно. Для нелинейных динамических моделей приводов технологических машин большое число задач остается нерешенным. Это объясняется, с одной стороны, сравнительно незначительным влиянием нелинейных свойств машин при небольших скоростях и мощностях привода на динамические характеристики, с другой стороны – отсутствием готовых расчетных и математических моделей и инструментальных средств для их исследования. В то же время практически все технологические машины являются нелинейными системами. Нелинейность механических систем указанных машин обуславливается нелинейностью механических характеристик используемых асинхронных электродвигателей, передаточных механизмов и механических характеристик рабочих машин.
Исследования динамических процессов в приводах технологических машин, описываемых нелинейными математическими моделями, ведутся в двух направлениях. Первое направление связано с исследованием влияния переходных электромагнитных процессов в асинхронных электродвигателях на динамику системы. Механическая часть системы в этом случае представляется упрощенно, как правило, в виде одномассной системы, с параметрами, приведенными к валу двигателя. Момент сил сопротивления считается постоянным или задается в виде некоторой известной функции времени.
Работы, выполненные во втором направлении, достаточно полно учитывают инерционные и упругие свойства механической части рассматриваемой системы, однако механическая характеристика двигателя принимается упрощенной.
Очевидно, что процессы, происходящие в механической части системы и приводном асинхронном электродвигателе, оказывают значительное влияние друг на друга и получить достоверные и точные характеристики динамических процессов, происходящих в системе можно только при построении математической модели, одновременно учитывающий нелинейность электромагнитных процессов, происходящих в асинхронном электродвигателе, нелинейность передаточных механизмов и механических характеристик рабочих машин. Появившиеся в последнее десятилетие мощные программные продукты создают необходимую базу для проведения таких исследований.
Таким образом, задача разработки математической модели приводов технологических машин, одновременно учитывающей нелинейность электромагнитных процессов, происходящих в асинхронном электродвигателе, нелинейность передаточных механизмов и механических характеристик рабочих машин, и соответствующих инструментальных средств для расчета динамических характеристик привода на её основе является актуальной.
В качестве объекта исследования выбран привод с асинхронным электродвигателем, одним или несколькими червячными редукторами автоматических роторных линий с пространственным кривошипно-ползунным механизмом для осуществления рабочих движений исполнительных органов, обладающий нелинейностями всех указанных видов.
Предметом исследования являются динамические процессы в указанном приводе, происходящие в режимах разгона и загрузки линии предметами обработки.
Такой выбор объекта и предмета исследования объясняется тем, что: рассматриваемый привод в общем случае содержит несколько червячных редукторов; пуск линии может осуществляться как вхолостую, так и при технологических роторах, заполненных предметами обработки; использование технологических роторов с механическим приводом исполнительных органов приводит к появлению значительных переменных моментов на валах рабочих машин. Следовательно, рассматриваемые режимы движения будут являться наиболее тяжелыми, а влияние нелинейностей на динамические характеристики будет проявляется наиболее сильно
Цель работы: Повышение достоверности и точности расчетов динамических характеристик приводов автоматических роторных линий в режимах разгона и загрузки.
Методы исследования. В работе были использованы методы теории механизмов и машин, динамики машин, прикладной теории линейных и нелинейных колебаний, линейной алгебры, матричного исчисления, системы имитационного моделирования.
Научная новизна работы. Впервые проведено исследование динамических процессов, протекающих в червячном приводе автоматических роторных линий, на основе математической модели, одновременно учитывающей электромагнитные переходные процессы, происходящие в асинхронном электродвигателе, нелинейность передаточных механизмов и механических характеристик рабочих машин.
Практическая значимость работы заключается в возможности оперативного и точного расчета динамических и кинематических характеристик привода в режимах разгона и загрузки линии. Результаты работы могут быть использованы для исследования машин другого отраслевого назначения, обладающих аналогичной структурой.
Реализация результатов работы. Имитационные модели червячного привода и методика их использования переданы в ООО «РОТОР» (г. Тула) для практического использования. Результаты диссертации используются в учебном процессе на кафедре проектирования механизмов и деталей машин Тульского государственного университета в курсах «Теория механизмов и машин», «Динамика, прочность и управление машинами», «Современные методы математического моделирования сложных механических систем».
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель червячной кинематической пары, учитывающая нелинейность её силовой передаточной функции, составленная на основе расчетной модели с вращательным движением звеньев передачи, и разработанная на её основе имитационная модель червячной кинематической пары;
2. Нелинейная механическая характеристика рабочей роторной машины с пространственным кривошипно-ползунным механизмом для осуществления рабочих движений исполнительных органов;
3. Математическая модель привода автоматических роторных линий, состоящего из асинхронного электродвигателя, одного или нескольких червячных редукторов с пространственным кривошипно-ползунным механизмом для осуществления рабочих движений исполнительных органов, отличающаяся одновременным учетом нелинейных характеристик основных элементов рассматриваемого машинного агрегата;
4. Имитационные модели для исследования динамических процессов в червячных приводах автоматических роторных линий.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета (2005-2009 г.), на международной конференции «Машиностроение и техносфера XXI век» (Севастополь, 2006 г.), на международной конференции «Вибрация 2008», (Курск, 2008 г.), региональной научно-технической конференции «ИНЖИНИ–РИНГ-2009» (Орел, 2009 г.), международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (Тула, 2009 г.).
Полностью диссертация была доложена на расширенном заседании кафедры «Проектирование механизмов и деталей машин» Тульского государственного университета (2009 г.).
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 работы – в сборниках, включенных в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 119 страниц, в том числе 40 рисунков и 5 таблиц, включает в себя введение, четыре раздела, основные результаты и выводы, список литературы из 141 наименования. Объем приложений - 50 страниц.
