Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. ремление России войти в мировое экономическое сообщество с іанением своего научно-технического потенциала требует решения . организационных и технических задач, среди которых техничес-перевооружение предприятий текстильной промышленности с целью шения его производительности, - надежности, долговечности, ъшения материалоемкости, затрат на его изготовление. Оборудо-:е текстильной промышленности должно обеспечить высокотехноло-ские процессы переработки текстильных материалов и гарантиро-| высокое качество выходного продукта с тем, чтобы пряжа и :и российского производства заняли достойное место на мировом ;е. В новых условиях экономической ситуации, когда возникает твительная конкуренция со стороны зарубежных производителей, ъный путь решения этих задач - эффективное использование доений научных исследований в текстильной и легкой промышленнос-что неизбежно приведет к повышению спроса на них на рынке на--технической продукции.
рспективным направлением научных исследований в области текс-ного машиноведения следует считать разработку наиболее общих дов и на их основе - достаточно простых и универсальных алго-:ов для создания систем автоматизированного проектирования тильных машин.Только на этом пути возможно выполнение иссле-.ний по модернизации существующего и созданию нового эффектив-оборудования с более высокой производительностью и качеством .укции.
ли и задачи исследования. Целью исследования является созда-математических моделей для описания рабочих органов текстиль-машин, состоящих из стержневых, пластинчатых и оболочечных :ентов. Разработанные модели применяются для создания алгорит-автоматизированного расчета стержневых и пластинчато-оболо-ых систем сложной структуры при статическом и динамическом ужении. В качестве таких систем исследуются валки текстильно-тделочного оборудования, гарнитура текстильных машин, валы момеханических прядильных машин, фланцевые катушки, коничес-бумажные патроны, рычажные исполнительные механизмы текстиль-машин. Рассмотрение столь разнородных по условиям функциони-ния органов текстильных машин в одной работе является подт-
верждением как общности разработанного подхода, так и возможности его применения для других объектов текстильных машин.
Основными задачами работы являются :
-
анализ существующих методов исследования рабочих органов текстильных машин;
-
анализ существующих методов и алгоритмов исследования кинематики и динамики плоских и пространственных рычажных механизмов с жесткими и упругими звеньями;
-
разработка математических моделей типовых рабочих органов текстильных машин при моделировании их пластинчатыми и оболочеч-ными элементами;
-
разработка методов аналитического, численно-аналитического и численного получения уравнений состояния элементов;
-
разработка алгоритмов автоматизированного получения уравнений состояния стержневых и пластшчато-оболочечных систем произвольной сложной структуры;
-
разработка методов автоматизированного проектирования рабочих органов текстильных машин;
-
разработка методов автоматизированного кинематического и динамического исследования рычажных механизмов.
Методы исследования. Методологической основой работы являются общетеоретические системные исследования Крона Г. применительно к сложным системам различной физической природы. В теоретической части работы применены : теория механизмов и машин, дифференциальное и интегральное исчисление, линейная алгебра и тензорное исчисление, теория графов, прикладная теория упругости, техническая теория стержней, теория колебаний. При разработке алгоритмов и прикладных программ использовались программирование на ЭВМ на алгоритмических языках Фортран, PL/1 и Pascal, численные математические методы и проверка работоспособности алгоритмов и адекватности моделей с помощью вычислительных экспериментов на ЭВМ.
Научная новизна. В диссертации разработаны методы получения уравнений состояния широкого класса разнородных объектов текстильного машиноведения,представляющих собой тензорные уравнения, описывающие в наиболее полной форме закономерности исследуемого явления. С единых методологических позиций рассматриваются задачи, описываемые как алгебраическими, так и дифференциальными уравнениями.
Для задач, описываемых дифференциальными уравнениями, разрабо-ш метод обобщенного представления в аналитическом виде уравне-м состояния различных объектов, являющихся алгебраизированной ірмой точных решений. Для численно-аналитического решения пред-іжен численный аналог аналитического решения уравнения состоя-:я, представляющий собой разложения в матричный ряд матрицы сос-іяния, имеющей аналитическое описание, с оценкой погрешности при [проксимации конечным числом членов ряда. Для дифференциальных авнений, решение которых в замкнутом аналитическом виде подуть затруднительно или невозможно ( например, дифференциальные авнения с переменными коэффициентами, системы дифференциальных авнений высоких порядков ) разработан метод получения уравнения стояния, основанный на численном решении дифференциальных урав-ний и выполнении линейных преобразований.
Впервые предложена тензорная форма уравнений равновесия твердо-тела в виде уравнения состояния его равновесия. Эти уравнения ились основой для создания общего автоматизированного метода нетостатического расчета рычажных механизмов. В задачах кинематики рычажных механизмов предложена тензорная рма уравнений, характеризующих положение и кинематические пара-тры движения звена,- уравнения состояния положений, скоростей и корений звена. Эти уравнения явились основой для создания обще-автоматизированного метода кинематического анализа рычажных ханизмов.
В задачах динамики рычажных механизмов предложена тензорная рма уравнений динамического равновесия абсолютно твердого или ругого звена в виде уравнения состояния динамического равнове-я. Эти уравнения явились основой для создания общего автомати-рованного метода динамического анализа рычажных механизмов. На основе полученных уравнений состояния объектов и топологи-зкого описания их соединения в механической системе разработаны гоматизированные алгоритмы получения уравнений состояния меха-ческих систем произвольной структуры с целью дальнейшего их рения и анализа системы.
Ірактическая ценность и реализация эзультатов работы. Разработанные методы и пакеты жладных программ нашли применение при выполнении научных исс-цований, в практике проектирования НИИ, КБ, в разработке САПР и гбном процессе.
Программа автоматизированного кинематического и кинетостатичес-кого расчета плоских рычажных механизмов использована при исследовании батанных механизмов ткацких станков Шуйского СКБ ткацкого оборудования, для исследования механизма вязально-прошивной машины ВП-9 СКБ трикотажных машин Ленинградского машиностроительного объединения им. К.Маркса. Пакет прикладных программ по кинематическому и кинетостатическому расчету плоских рычажных механизмов внедрен в практику проектирования в СКБ трикотажных машин ЛМО им. К.Маркса. Программа автоматизированного динамического расчета на вынужденные полигармонические колебания червячного.вала пневмомеханической прядильной машины ППМ-240Л внедрена в Костромском СКБ текстильных машин. Программа автоматизированного расчета фланцевых катушек текстильных машин внедрена в ЦНИИМашдетали и СКБ машин для производства химических волокон ЛМО им. К.Маркса. Программа автоматизированного расчета зубьев ворсовальной гарнитуры внедрена в ЦНИИМашдетали и использована для обоснования типоразмеров ножки зуба ворсовальной гарнитуры в технических условиях .ТУоп 17-40-661-84. Программа автоматизированного расчета зубьев гарнитуры гребенных планок льночесальных машин 4-302 Л внедрена в ЦНИИМашдетали и используется для проектирования новых видов гарнитуры с упругим закреплением ножки в планке.
Алгоритм автоматизированного расчета на изгиб и кручение стержневых систем положен в основу программы автоматизированного расчета валков двухвалковых механизмов при разработке подсистемы " Анализ и синтез валковых механизмов текстильного отделочного оборудования " в рамках создания САПР валковых механизмов для Ивановского НИЭКМИ. В той же подсистеме используется алгоритм автоматизированного кинетостатического расчета при проектировании механизма прижима валов.
Для Костромского объединения " Волгольнопром " выполнено кинематическое исследование механизма привода ножевых рам жаккардовой машины Ж-1344.
Для Таллинского объединения " Мистра " выполнен кинематический анализ механизма рабочего движения иглопробивной машины.
Кинематический и силовой анализ батанного механизма с двойным прибоем ковроткацкого станка " Текстима " выполнен для Обуховско-го коврового комбината.
Ряд алгоритмов был использован при проведении исследований в диссертационных работах Рыбакова В.А., Федорова В.П., Журавкова В. М., Колесова Е.В.. Подъячева А. В., Бойко СВ..
-ч -
В учебном процессе в рамках курсового и дипломного проектирова-йя в Костромском технологическом институте используются методики
программы кинематического и силового анализа плоских рычажных зханизмов. В Московском инженерно-строительном институте им. .В.Куйбышева на ФПК используется методика и программа расчета эуглых и кольцевых пластин на осесимметричную нагрузку. Ожидавши экономический эффект от применения программ автоматизирован-зго расчета и эксплуатации разработанных на их основе конструк-їй составляет 626 тысяч руб. в год ( в ценах 1991 г. ).
Апробация работы. Результаты диссертации доклады-ишсь на : - семинаре по теории механизмов и машин Костромского їлиала АН СССР ( г. Кострома, декабрь 1979 г., ноябрь 1986 г. ); конференции по ТММ Северо-Кавказской и Закавказской зон ( г. ;лави, 21-23 мая 1987 г. ); - Всесоюзном совещании механиков Нашого Совета по теории машин и систем машин АН СССР по проблеме Современные методы синтеза машин-автоматов и их систем " ( г. імбов, июнь 1981 г.); - Всесоюзной совещании " Вибродиагностика .шин и приборов " ( г. Иваново, сентябрь 1985 г. ); - третьих рнадосовских чтениях " Состояние и перспективы развитая элект-технологии " ( г. Иваново, 1987 г. ); - VII Республиканской «вузовской научной конференции по математике и механике ( г. :ма-Ата, 1984 г. ); - заседании научно-технического совета Тал-нского НПО " Мистра " ( г. Таллин, октябрь 1987 г. ); - заседа-и кафедры теории механизмов и проектирования текстильных машин стромского технологического института ( г. Кострома, декабрь 86 г. ); - заседании кафедры проектирования текстильных машин нинградского .института текстильной и легкой промышленности им. М.Кирова ( г. Ленинград, янв. 1987 г., февр. 1988 г.);
Основные положения диссертации, в ы-осимые на защиту. На защиту выносится метод 'обоб-яного представления в аналитическом виде уравнений состояния формаций широкого класса объектов текстильного машиноведения л моделировании их стержневыми,пластинчатыми и оболочечными эментами. Для объектов, деформации которых могут быть описаны жновенными дифференциальными уравнениями, метод можно рассмат-зать как преобразование дифференциальных зависимостей для беспечно малого объекта в алгебраизированную зависимость для объ-га конечных размеров. Метод можно представить в виде последова-
- e-
тельных операций : нахождение аналитических ( точных или приближенных ) решений дифференциальных уравнений, последовательное подчинение решений краевым кинематическим и статическим условиям и исключение ( точное или приближенное ) постоянных интегрирования.
Уравнения состояния объекта содержат в себе частные задачи этого класса, отличающиеся нагружением и закреплением, и являются тензорной формой представления'зависимостей .в физических системах координат.
Для объектов,- описываемых или сложными уравнениями или уравнениями высоких порядков ( многовалковый модуль, колебания пластин и т.д. ), разработан численно-аналитический и численный методы получения уравнения состояния, включающих в себя аналитическое или численное получение решений уравнений и численное преобразование решений в уравнения состояния.
На основе метода разработаны универсальные алгоритмы и программное обеспечение методик проектирования рабочих органов текстильных машин : - игольно-планочной гарнитуры и ворсовальной гарнитуры текстильных машин ; - червячного вала прядильной машины ; - многовалковых модулей текстильного отделочного оборудования; -оснований текстильных паковок.
В задачах кинематики, кинетостатики и динамики плоских и пространственных рычажных механизмов, где зависимости между параметрами с самого начала носят алгебраический характер, найдена тензорная форма записи аналитических зависимостей между всеми параметрами в виде уравнений состояния положений, скоростей и ускорений звена и уравнения состояния его динамического равновесия.
На основе предложенных уравнений состояния объектов разработаны алгоритмы получения уравнений состояния систем произвольной структуры, содержащих конечное число взаимосвязанных объектов, и решения уравнений состояния для анализа функционирования этих систем, в результате чего созданы методики проектирования батан-ных механизмов, механизма привода и подъема ножевых рам текстильных машин.
Алгоритмы, объединенные общей методологией, реализованы в виде прикладных программ для решения следующих задач общего и прикладного назначения : - расчет на прочность и жесткость плоских и пространственных стержневых систем при произвольных законах наг-ружения и закрепления; - расчеты на устойчивость, свободные и вынужденные колебания стержневых систем; - расчет на прочность и
- a -
жесткость осесимметричных пластинчато-оболочечных систем, усиленных ребрами, при произвольных законах нагружения и закрепления; -расчет на прочность и жесткость фланцевых катушек текстильных машин; - расчет на прочность и жесткость конических бумажных патронов текстильных машин; - расчет на прочность и жесткость зубьев ворсовальной гарнитуры при больших деформациях; - расчет на прочность и жесткость упруго заделанных зубьев гребенных планок чесальных машин; - расчет на вынужденные полигармонические колебания червячного вала пневмомеханической прядильной машины ППМ-240Л; - кинематический анализ плоских рычажных механизмов произвольной структуры: -силовой анализ плоских рычажных механизмов с жесткими или упругими звеньями; - динамический анализ плоских рычажных механизмов с жесткими или упругими звеньями; - расчет на прочность,жесткость, свободные и вынужденные колебания валов двухвалковых, трехвалковых, четырехвалковых и пятивалковых машин текстильного отделочного оборудования.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 научных работ. Среди них 36 статей в центральных журналах и межвузовских сборниках научных трудов, 8 докладов на конференциях и 9 работ депонировано в ВИНИТИ, ЦНИИТЭИлегпрома, ЦНИИТЗИлегпищемаша.
Объем и структура диссертации. Общий объем диссертации составляет 534 страницы,в том числе 94 страницы занимают рисунки, 57 страницы- список литературы ( 559 наименования ). Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов по главам, общих выводов по диссертации, библиографии. Отдельный том диссертации в объеме 93 страницы содержит приложения, включающие информационно-справочный материал, акты внедрения и расчеты экономической эффективности.
