Введение к работе
Актуальность работы. В текстильной промышленности для выполнения процессов кручения и наматывания используются разнообразные конструкции веретен, центрифуг, прядильных камер, вьюрков, бобинодержателей, и др. Эти механизмы относятся к классу высокоскоростных роторных систем и от стабильности их работы во многом зависят качество пряжи, производительность оборудования, его надежность и долговечность. Повышение технического уровня технологических роторных систем является актуальной задачей текстильного машиностроения, для решения которой необходимо развитие методов моделирования и анализа динамических характеристик быстровращающихся роторов.
Рабочие скорости текстильных роторов постоянно растут и в настоящее время частоты вращения веретен могут превышать 15000 мин-1, а прядильных камер -100000 мин-1. В этих условиях важное значение приобретают вопросы обеспечения долговечности подшипниковых опор, для чего необходимо решить задачи уменьшения относительных скоростей вращения элементов в опорных узлах и снизить уровень вибраций роторной системы в целом. Задача уменьшения относительных скоростей вращения в настоящее время успешно решается за счет применения дисковых опор, а для снижения уровня вибраций необходимы разработка рациональных конструктивных схем роторов и эффективных методов их динамического анализа.
В связи с этим в настоящей диссертации решались задачи динамического анализа текстильных роторов в условиях стационарных и нестационарных режимов движения с использованием линейных и нелинейных математических моделей. Для практической реализации теоретических методик разработано программной обеспечение, способствующее сокращению сроков и повышению технического уровня проектно-конструкторских работ.
Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка и динамический анализ конструктивных схем текстильных роторов, обеспечивающих снижение виброактивности и улучшение эксплуатационных характеристик крутильно-формирующих органов текстильных машин.
Основными задачами исследования являются:
-
Анализ существующих конструкций веретен и прядильных камер, определение направлений развития конструкций текстильных роторных систем и методов их расчета.
-
Разработка (на примере ротора со сферической опорой) алгоритмов и выделение основных этапов динамического анализа роторных систем численными методами.
-
Оценка возможности использования динамической модели жесткого ротора с упругими опорами для исследования динамических характеристик веретен. Математическое и численное моделирование стационарных и нестационарных режимов движения веретен.
-
Разработка и динамический анализ конструктивной схемы роторной системы (прядильной камеры), содержащей приводной ротор с упругими опорами и рабочий ротор, соединенный с приводным посредством упругого сферического шарнира.
Методы исследований. В работе используются методы теоретической механики, теории колебаний и динамики машин. Математический анализ динамических моделей основан на теории линейных и нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, при решении которых используются численные методы компьютерного анализа.
Достоверность полученных результатов подтверждается научным обоснованием разработанных динамических моделей, машинными экспериментами и сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, имеющимися в специальной технической литературе.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
Для описания стационарного и нестационарного движения ротора, произвольно ориентированного в пространстве, получена система нелинейных дифференциальных уравнений, на основе которой численными методами могут быть изучены все необходимые динамические характеристики ротора. Показано, что для ротора, свободно вращающегося вокруг неподвижной точки, линеаризация уравнений движения допустима только в случаях малых начальных отклонений и при скоростях собственного вращения, значительно превышающих минимальную скорость вращения, при которой движение ротора становится устойчивым.
-
Расчетным путем установлено, что наличие в роторной системе упругих связей (например, опоры веретен и прядильных камер) позволяет без существенной потери точности использовать линеаризованные уравнения движения.
-
Показана эквивалентность моделей веретен типа ВТK , составленных с учетом и без учета упругих свойств шпинделя веретена, что подтверждено сопоставлением результатов теоретического и экспериментального определения критических скоростей вращения веретен с упругими опорами
-
Разработана конструктивная схема прядильной камеры, состоящая из приводного и рабочего роторов, соединенных между собой упругим сферическим шарниром, движение которых описывалось системой шести дифференциальных уравнений второго порядка. На основе динамического анализа для данной роторной системы определены значения параметров, при которых достигается существенное снижение нагрузок в опорах приводного ротора.
Практическая значимость результатов работы. Теоретические положения диссертации реализованы в виде отлаженных на ПЭВМ программ, использование которых позволяет снизить затраты труда и времени на проектирование текстильных роторных систем.
Практическую ценность представляют также разработанная новая конструктивная схема роторной системы, содержащая упруго связанные приводной и рабочий роторы.
Методы расчета динамических характеристик и соответствующие программы для ПЭВМ используются в учебном процессе на кафедре «Машиноведения» Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна при подготовке студентов специальности 170700 «Машины и аппараты текстильной и легкой промышленности» и направления 551800 «Технологические машины и оборудование». (Курсы «Динамика машин отрасли», «Проектирование машин отрасли», курсовое и дипломное проектирование).
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Дни науки», СПГУТД (2005-2007 г.г.), на научных семинарах кафедры «Машиноведение» СПГУТД (С-Петербург, 2005-2008 г.г.).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 3 печатные работы, из них 1 статья опубликована в журнале, входящем в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 126 страниц, 49 рисунков, список литературы из 47 источников. В приложении приведены тексты программ, разработанных в среде Matlab.
