Введение к работе
Актуальность проблемы. Создание новых высокопроизводительных машин и механизмов неразрывно связано с повышением их точности, быстроходности, надежности и долговечности. Эти характеристики машин невозможно обеспечить без корректного учета неконсервативных сил, которые возникают при взаимодействии упругой системы машин с неконсервативными гисторезисными процессами в контактных соединениях.
Контактные динамические взаимодействия упругих систем представляют ссбой очень широкий класс взаимодействий, к которому относятся системы с подвижными контактными соединениями, системы механической обработки материалов, системы с неподвижными контактными элементами и ряд других. Для многих типов машин характеристики неконсервативных сил а контактных соединениях являются наиболее значимыми в вопросах устойчивости, уровня амплитуд колебаний, точности отработки заданных режимов движения и других динамических параметров машины. Укажем хотя бы на проблему фрикционных автоколебаний для систем с трением, изучение которой ведется уже несколько десятилетий с неослабевающим вниманием. Аналогичнные проблемы существуют и для систем с неконсарвативиым процессом в контактной паре стужка - резец при резании и ряд других.
Существующая сегодня методология учета взаимодействия упругой системы с неконсервативными гистерезисными силами сформировалась в 50 - 60-х годах и имеет ряд существенных недостатков, среди которых назовем следующие:
признается независимость закономерностей формирования неконсервативных гистерезисных сил в динамике, их математического описания от упругой системы;
отсутствует единый механизм, лежащий в основе динамических проявлений неконсервативных гистерезисных сил;
существует разрыв между статическим и динамическим описанием неконсервативных сип, что противоречит общим представлениям о физических закономерностях формирования этих сил в динамике;
исследования и анализ динамических процессов в машинах с контактными фрикционными парами выполняется на базе экспериментальной методики не обеспечивающей определения фактических значений неконсервативных сил гистерезисного типа в контактных соединениях.
Это положение не соотвествует ни современным запросам практики, ни тем возможностям, которые открывает использование современных экспериментальных методов.
В связи с изложенным, тема диссертационной работы является весьма актуальной в научном и прикладном аспектах.
Цель работы. Разработка методологии анализа и исследования динамических процессов в машинах с учетом нехонсервативных гистерезисных сил в контактных соединениях. Создание теории взаимодействия упругоинерционной подсистмы и не-
консервативного процесса (трение, резание, демпфирование), на основе разработки физических и математических моделей.
Объекты исследования. Натурные (физические) модели упругих систем с неконсервативными процессами контактного взаимодействия различной структуры и их компьютерные аналоги. Основным методом исследования является метод натурного динамического моделирования.
Научная новизна. Решение поставленной цели определило научную новизну полученных результатов и экспериментально-методологический характер работы:
предложены новые методологические принципы учета неконсервативных сил гистерезисного типа в задачах динамики машин;
разработан оригинальный комплекс натурных динамических моделей, реализующих различные схемы взаимодействия упругих систем с неконсерва-тивными процессами в контактных соединениях;
получены истинные значения неконсервативных сил в динамике и выявлена релаксационная сущность физических процессов в контактном соединении;
установлено, что адгезия ( молекулярное взаимодействие ) имеет динамический характер, ее постоянная времени соизмерима с постоянными времени упругой системы, что и определяет взаимное влияние трибологических процессов и процессов в динамической системе;
выдвинуто предположение, подтвержденое экспериментально, о существовании единого механизма, лежащего в основе динамических проявлений неконсервативных гистерезисных сил (трения, резания, демпфирования );
предложено описание для физических процессов контактного взаимодействия;
разработаны компьютерные модели упругих систем с контактными взаимодействиями в качестве основы для выполнения моделирования систем.
На защиту выносятся:
новые методологические принципы исследования динамических процессов в машинах с учетом неконсервативных сил гистерезисного типа в контактных соединениях, позволяющие получать их иіЛинньїе значения в любых режимах движения;
результаты натурного динамического моделирования систем, содержащих контактный неконсервативный элемент;
установление релаксационной сущности физических процессов в контактном соединении и определяющая роль адгезии в их динамическом проявлении;
концепция существования единого механизма, лежащего в основе динамических проя,_,ений неконсервативных гистерезисных сил (трение, резание, демп-. фирование );
построение релаксационной модели контактных взаимодействий;
математическое (компьютерное) моделирование систем с контактными взаимодействиями.
Практическая ценность результатов работы.
В научном плане состоит а том, что:
-
Устаноаление единого (релаксационного) механизма динамических проявлений неконсераатиеных сил в контактных соединениях позволяет критически проанализировать огромный теоретический и экспериментальный материал, полученный за прошедшие десятилетия и объяснить многие наблюдаемые протипоречия.
-
Позволяет на современном научно-техническом уровне получить силовое описание процессов а контактной паре, адекватное (в этом смысле) фактическим атомно-молекулярным взаимодействиям.
-
Включать характеристики контактных соединений в общюю модель упругоинерци-онной систейы.
В работе на частных примерах представлены лишь основные напрвления возможных технических приложений результатов, хотя спектр практического применения результатов работы может быть существенно расширен.
1. В области трибодинамических испытаний материалов:
Разработана методика входного контроля и создан стенд для определения -характеристик антифрикционных материалов.
» Получены характеристики "антискачковах" свойств ряда современных материалов.
2. В области целенаправленного воздействия на неконеераативный процесс:
» Реализована техническая система низкочастотного воздействия на нокон-сервативный процесс резания с целью повышения эффективнрети обработки.
3. В облзсти получения и обработки вибрационной информации о протекании не-
консерватизного процесса:
о Методика и аппаратное обеспечение использовано для диагностики устойчивости технологической системы в процесса резания, а также для диагностики состояния режущего инструмента. Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на всесоюзных (СНГ) научно - технических конференциях и семинарах: 1. Всесоюзный научно-технический семинар "Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства подвижных сопряжений машин".Москва,1979 г. 2. Всесоюзное совещание по методам расчета машин - автоматов. Львов, 1979 г. 3. Всесоюзная научно-техническая конференция "Динамика станков". СамзрЗг^ЗЗО г- 4 Всесоюзная конференция по вибрационной технике. Тбилиси, 1980 г. 5. Всесоюзная конференция по вибрационной технике. Кутаиси, 1981 г. 6. Научно-техническая конференция "Механические управляемые системы". Иркутск,1982 г. 7. Всесоюзная техническая конференция "Прогрессивная технология и автоматизация технологических процессов машиностроения". Санкт-Петербург, 1982 г. 8. II Всесоюзная конференция "Динамика станков". Самара, 1984 г. 9. Всесоюзная научно-техническая конференция "Новые методы диагностики и технического состояния машин". Каунас, 19S6 г. 10. Всесоюзная конференция "Нелинейные колебания механических систем". Нижний Ноагород,1987 г. 11.11 Всесоюзная научно-техническая конфіренция "Вибро-
диагностика. Вибрация". Нижний Новгород, 1988 г. 12. всесоюзная конференция "Волновые и вибрационные процессы в машиностроении". Нижний Новгород, 1989 г. 13. Научный семинар по ТММ (доклад). Санкт-Петербург,1990 г. 14. Ill Всесоюзная конференция "Вибрация и вибродиагностика". Нижний Новгород, 1991 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 30 работ, включая участие в двух монографиях, авторских свидетельствах.
Стуктура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, изложенных на 149 страницах типографского текста, содержит 60 рисунков, 4 таблицы, список литературы, включающий 168 наименований.