Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ исследований по динамике и конструкциям вибрационных машин для обработки длинномерных деталей . 9
1.1. Краткий обзор исследований в области синхронизации вибрационных машин 9
1.2. Краткий обзор исследований по динамике вибрационных станков с загрузкой 15
1.3. Обзор существующих способов и устройств для вибрационной обработки длинномерных изделий 24
1.4. Протяженные станки с цельнометаллическим контейнером 35
1.5. Секционированные вибростанки 44
1.6. Выводы и основные задачи исследований 52
2. Теоретические исследования устойчивости синфазных движений рабочих органов секционированных вибрационных машин 54
2.1. Динамическая схема и дифференциальные уравнения движения 54
2.2. Собственные частоты и формы колебаний системы 62
2.3. Условия существования и устойчивости синхронных движений 65
2.4. О влиянии упругой связи между вибровозбудителями на устойчивость синфазных движений секций 80
2.5. Выводы 85
3. Исследование устойчивости работы секционированных вибромашин средствами ЭВМ 86
3.1. Блок-схемы и структура алгоритмов подпрограмм, используемых в основных программах 86
3.2, Программы расчета устойчивости движения секций 90
3.3 Программа исследований устойчивости движения секций с учетом упругой связи между вибраторами 99
3.4, Выводы 101
4. Влияние среды загрузки на устойчивость синфазных дви жений рабочих органов секционированных вибростанков 103
4.1. Динамическая схема и уравнения движения рабочего органа с загрузкой 103
4.2. Применение фазовой плоскости для исследования устойчивости вибрационных станков с загрузкой 114
4.3. Выводы 12?
5. Экспериментальные исследования и проверка основных выводов теории 129
5.1. Экспериментальные исследования устойчивости движения секционированных вибромашин 129
5.2. Экспериментальные исследования устойчивости движения секционированных вибростанков с U -образными соединительными элементами секций 138
5.3. Особенности движения среды загрузки в секционированных вибростанках 142
5.4. Выводы 148
6. Методика расчета секционированных вибростанков 153
6.1. Порядок расчета секционированных вибростанков 153
6.2. Пример расчета секционированного вибростанка . 160
Основные выводы и практические рекомендации 171
Литература 174
Приложение
- Обзор существующих способов и устройств для вибрационной обработки длинномерных изделий
- О влиянии упругой связи между вибровозбудителями на устойчивость синфазных движений секций
- Программа исследований устойчивости движения секций с учетом упругой связи между вибраторами
- Применение фазовой плоскости для исследования устойчивости вибрационных станков с загрузкой
Введение к работе
Поставленные ХХУІ съездом КПСС задачи по дальнейшему повышению производительности труда и качества продукции, экономии материальных ресурсов вызывают необходимость дальнейшей механизации и автоматизации процессов производства, совершенствования средств и методов обработки.
В настоящее время большинство завершающих операций из-за разнообразия форм и размеров обрабатываемых изделий относятся к числу малопроизводительных операций, в которых значительная доля общей трудоемкости приходится на ручную обработку. Это приводит к тому что финишные операции зачастую создают определенные трудности в технологическом процессе изготовления отдельных деталей машин и приборов, снижая тем самым производительность труда в целом.
Среди новых и перспективных методов финишной обработки, разработанных за последнее время, все большее распространение получает принципиально новый вид - вибрационная обработка. Большие технологические возможности этого метода в сочетании с высокой производительностью открывают широкие перспективы для его применения на таких операциях, как очистка, зачистка, полирование, шлифование, подготовка поверхности деталей под покрытие и др. В этой части вибрационная обработка способна полностью заменить такой малопроизводительный применяемый до сих пор вид финишной операции, как обработка во вращающихся барабанах.
С особой остротой в "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" поставлена задача экономии металла, снижения массы машин и конструкций, повышения их надежности и долговечности /6/. Среди технологических средств, с помощью которых можно добиться увеличения срока службы, повышения надежности и снижения металлоемкости за счет повышения несущей способности деталей машин широко применяемым является поверхностное пластическое деформирование (ПЦД). Этой упрочняющей технологии посвящено значительное количество исследований. Поверхностный наклеп аффективен прежде всего как средство повышения усталостной прочности деталей машин. В ряде случаев с помощью ППД удается повысить контактную выносливость и износостойкость деталей. Особенно эффективно применение поверхностного наклепа для деталей с концентраторами напряжений. Пределы выносливости таких деталей могут быть повышены за счет ПЦД в 1,5-2 раза и более. Во многих случаях применением ППД удается полностью нейтрализовать неблагоприятное проявление концентраторов напряжений.
Многочисленные исследования, проводимые в нашей стране и за рубежом, показывают возможность применения вибрационной обработки как эффективного средства ППД обрабатываемых деталей. Преимущества вибрационной обработки перед другими методами финишной обработки деталей определяются также возможностью сочетания в одном технологическом процессе операций зачистки, снижение шероховатости, улучшения товарного вида с одновременным позитивным изменением физико-механических свойств поверхностного слоя обрабатываемых деталей.
Одним из главных путей создания и совершенствования оборудования для вибрационной обработки является разработка крупногабаритных установок для предприятий авиационной и автотракторной промышленности, сельскохозяйственного машиностроения, энергомашиностроения и судостроения 111•
Значительное количество трудоемких технологических операций по очистке отдельных поверхностей длинномерных деталей выполняется в настоящее время средствами малой механизации или вручную. Применение для этих целей вибрационной обработки способствует интенсификации различных процессов, повышает качество обработки, уровень механизации и автоматизации эхих трудоемких рабох, повышает экономическую эффективность и производительность труда. Вибрационная обработка нашла также успешное применение на операциях упрочнения длинномерных, крупногабаритных деталей. При эхом эффект упрочнения с увеличением размеров детали не только не снижается, но в ряде случаев повышается.
Однако к настоящему времени неизученными являются вопросы определения парамехров станка, которые бы обеспечивали устойчивые синфазные движения его рабочего органа, не исследованы также особенности поведения обрабатывающей среды в секционированных вибростанках, методика расчета таких станков.
Целью настоящей работы является разработка и обоснование основ расчета и практических рекомендаций к конструированию секционированных вибростанков.
Обзор существующих способов и устройств для вибрационной обработки длинномерных изделий
Среди многообразия вибрационных видов обработки длинномерных деталей условно можно выделихь обрабохку в конхейнере и без кон-хейнера. Последний вид можно расчленихь на два подвида: I) устройства для обработки плоских поверхностей; 2) устройства для обработки деталей сложной геометрической формы.
Устройства первого подвида целесообразно применять в тех случаях, когда из-за больших габаритных размеров нет возможности поместить изделие в контейнер, или же, когда необходимо обработать часть поверхности изделия. Пример конструктивного исполнения такого устройства показан на рис. 1.3 /61/. Устройство состоит из резервуара I, заполненного обрабатывающей средой, пневматического вибратора 2, электромагнита 3 и пневматической шины 4, на которой упруго установлена вся система. Устанавливают устройство на поверхность, подлежащую обработке, включают электромагнит 3 и обрабатывающая среда прижимается к обрабатываемой поверхности 5 с давлением 0,1-0,4 МПа. Затем включают пневматический шариковый вибратор 2, возбуждающий высокочастотные колебания резервуара I, а с ним и обрабатывающей среды относительно обрабатываемой поверхности. Поверхность очищается, шлифуется или полируется и упрочняется. Вид обработки зависит от состава обрабатывающей среды, а также от времени обработки.
Для обработки внутренних поверхностей, преимущественно крупногабаритных деталей сложной конфигурации, разработаны устройства, в которых в качестве контейнера используется полость самой детали (рис. 1.4) /62/. Обрабатываемую деталь I устанавливают открытой полостью на стол 2 вибрационной установки и снизу подают обрабатывающую среду вместе с промывочной жидкостью посредством системы сообщающихся сосудов до тех пор, пока в воронке загрузочного усхройсхва 3 не усхановихся схабильный уровень обрабахывающей среды, превышающий верхний уровень обрабатываемой полости.
Под действием вибрации обрабахывающая среда приобрехаех реологические свойсхва и через U -образный загрузочный пахрубок, образующий вместе с обрабатываемой полостью дехали сообщающийся сосуд, полностью заполняет обрабатываемую деталь. После окончания цикла обрабохки вибраторы выключают, перекрывают подачу промывочной жидкости в зону обрабохки, открывают задвижку и высыпают абразивные гранулы в емкость 4.
К недостаткам установок хакого хила следует охнесхи сложносхь установки дехали на вибрационный схол, в часхносхи уплохнения стыка между столом и сложной конфигурацией поверхности дехали Наибольшее распросхранение получила вибрационная обрабохка длинномерных деталей с применением конхейнера, получающего колебания ох инерционного возбудителя вибраций. Различные требования к обрабохке деталей, широкий ассортимент обрабатываемых деталей привели к появлению большого количества хипов и разновидностей вибрационных станков. Классификационными признаками их могух быть: способ обрабохки, вид очистки среды и форма конхейнера.
Можно выделить чехыре основных способа обрабохки длинномерных деталей в конхейнерах: I) с закреплением дехали в контейнере; 2) без закрепления дехали в конхейнере; 3) движением дехали относительно конхейнера; 4) движением конхейнера охносихельно дехали. Закрепление дехали в конхейнере может быхь жесткое, упругое и с возможносхью вращения охносихельно конхейнера.
Вибрационная обрабохка деталей особо большой длины хипа прух-ков, хруб, проволоки, ленхы и др. предсхавляех определенные хруд-носхи. Создание и применение для эхой цели вибрационных установок большой прохяженносхи не всегда можех быхь приемлемо и целееооб -разно. В эхих случаях можно применить вибрационную обработку спо- . собом движения детали относительно контейнера (рис. 1.5а). Деталь проталкивают через вибрационную установку обычного типа в торцовых стенках которой прорезаны специальные проходные окна /66, 67, 69/. При сообщении обрабатываемой детали дополнительного вращения вокруг своей оси можно ускорить процесс обработки. Этим способом одновременно можно обрабатывать не одну, а несколько деталей, что повышает производительность установки. Осевая подача деталей может быть как непрерывной, так и периодической, дополнительные движения, сообщаемые обрабатываемым деталям, могут быть круговые и осевые. Скорость очистки также может быть увеличена путем удлинения рабочей камеры, так как при этом возрастает время пребывания детали в зоне обработки.
Отметим, что этот метод пригоден только для обработки деталей цилиндрической формы, так как при обработке деталей сложной геометрической формы трудно осуществить уплотнение между торцами стенки контейнера и обрабатываемой деталью. Другим недостатком этого способа является неравномерность обработки деталей из-за разной скорости вращения обрабатывающей среды в верхних и нижних слоях контейнера.
К этому же способу следует отнести приспособление для обработки ленты /68/ (рис. 1.56). Металлическую ленту I укладывают по внутреннему контуру виброкамеры 2, огибают каждой ее ветвью ролики 3, 4 и пропускают каждую ветвь между парами роликов 5, 6. Затем заполняют контейнер абразивной средой, после чего концы ленты I скрепляют, повернув один конец относительно другого на 180. Ленте сообщают непрерывные перемещения через виброкамеру 2. Контактируя поочередно, т.е. через один оборот ленты, с обеими ее поверхиостно-стями абразивная среда равномерно их обрабатывает. Скорость и направление движения ленты регулируется.
О влиянии упругой связи между вибровозбудителями на устойчивость синфазных движений секций
Полученные в предыдущем параграфе необходимые условия устойчивости синфазных движений базируются на использовании явления самосинхронизации. Однако в ряде случаев при конструировании секционированных вибромашин может оказаться, что соответствующими принципиальными или конструктивными решениями нецелесообразно или даже невозможно добиться необходимых условий существования устойчивых движений. В таких случаях можно прибегнуть к принудительной синхронизации. Существует несколько таких способов /13/: 1) использование упругих элементов (валов, пружин, муфт и т.п.) для связи между валами вибровозбудителей; 2) использование для привода вибровозбудителей асинхронных нереактивных электродвигателей; 3) использование для согласования вращения валов следящих систем типа электрического вала. Для каждого из указанных способов желательно ограничиваться установлением минимально возможного числа связей между вибровозбудителями и стремиться к тому, чтобы "жесткости" этих связей были минимально допустимы. Аналитическое исследование влияния связей между вибровозбудителями, даже относительно простых систем, задача достаточно сложная. Поэтому результаты исследований доведем до алгоритмов с условием, что выводы будут сделаны после расчета соответствующего процесса на ЭВМ.
Вопрос синхронизации механических вибраторов путем применения для привода синхронных электродвигателей рассмотрен в работах /2, 19/. В работе /20/ изложены результаты исследований принудительной синхронизации вибраторов с абсолютно жесткими связями между ними. В настоящем разделе рассмотрен способ обеспечения синхронного движения секций путем введения дополнительной жесткости между валами вибровозбудителей. Допустим, что между двумя смежными секциями секционированной вибромашины установлены электродвигатели асинхронного типа, кото рые передают крутящий момент на валы вибровозбудителей посредством упругих элементов жесткостей Си (рис. 2.2а), или же двигатели размещены по торцам машины, а валы вибраторов двух смежных секций соединены между собой и валы вибраторов крайних секций с двигате лями через упругие элементы жесткостей С i (рис. 2.26). Упругий элемент находится в недеформированном состоянии, когда углы пово рота вибратов oLz равны между собой. Тогда согласно /13/, за потенциальную функцию ІМОЖНО принять следующее выражение: где Д - усредненное значение функции Лагранжа колебательной части системы (в зависимости от координат в направлении которых рассматривается движение А принимает значение (2.36) или (2.49); J\ - средняя за период потенциальная энергия упругих элементов (несомых связей), связывающих валы вибровозбудителей между собой или с двигателями Потенциальная энергия несомых связей Ц определяется выражением Подставляя (2.53) в (2.52) получаем Тогда подстановка (2.54) и (2.36) в (2.51) приводит к выражению В отличие от случаяэ когда валы вибровозбудителей не связаны упругими элементами, из условия ?c-r = О получается, что возможен s ными оказываются только синфазные синхронные движения вибровозбудителей, т.е. d, d.i , ... - сп 0. Согласно интегральному критерию, устойчивые синхронные движения вибраторов отвечают тем значениям Ls , которые сообщают минимум функции (2.55). Согласно правилу исследования на экстремумы функций Двух и большего числа переменных /14/, функция (2.55) будет иметь минимум в некоторой точке (а,,си,... , (Хк ), если она в этой точке имеет непрерывные вторые частные производные и когда второй дифференциал есть положительно определенная квадратичная форма; если же второй дифференциал в точке (G.ifGU,... CLn ) есть отрицательно определенная квадратичная форма, то в этой точке функция Л имеет максимум. Иными словами, для устойчивости движения необходимо, чтобы алгебраическое уравнение Осі- символы Крон екера, имело fc i положительный корень. Один из корней уравнения, вследствие автономности исходной системы, равен 0. Таким образом, получены выражения, с помощью которых можно определить минимальную жесткость упругой связи между валами вибраторов, обеспечивающую устойчивые синфазные движения секций. Результаты данного раздела служили исходной базой для дальнейшего решения задачи средствами ЭВМ.
Программа исследований устойчивости движения секций с учетом упругой связи между вибраторами
Блок-схема алгоритма программы исследований представлена на рис. 3.9. Программа предусматривала вычисление постоянных Tcys ( L=i,...,n-i;S=2r..,n-) по описанному в разделе 3,2 алгоритму и решение уравнения (2.57) с целью определения его корнейД . Так как для трехсекционного вибростанка уравнение (2.57) является уравнением третьей степени относительно неизвестных Д , то для его решения используем стандартную подпрограмму QUВІК Движения будут устойчивы при условии, что все корни уравнения (2.57) будут положительны за исключением одного, равного нулю, вследствие автономности исходной системы. В таблице 3.1 приведены значения коэффициентов жесткости упругих элементов между вибраторами, при которых будут устойчивыми синфазные движения секций в зоне неустойчивого движения. 1. Реализованы найденные во втором разделе условия устойчивости движения секций и проведен анализ полученных результатов. Установлена взаимосвязь между устойчивостью движения секций и жесткостью соединительных элементов.
Показано, что с увеличением жесткости соединительных элементов секций область устойчивого движения сдвигается в сторону более высоких частот. 2. Установлено, что минимальная частота вращения вибраторов, при которой сохраняются устойчивыми синфазные движения секций по горизонтальным и поперечно-угловым координатам, лежит ниже чем аналогичная частота при движении секций по вертикальным и продольно-угловым координатам; при этом разность между этими частотами возрастает с увеличением жесткости соединительного элемента секций. 3. Установлено, что с увеличением числа секций вибромашины область устойчивого движения сдвигается в сторону более высоких частот, однако интенсивность этого сдвига резко убывает с увеличением числа секций. Полученные результаты исследований явились основанием для заключения о том, что при проектировании многосекционных вибромашин расчет области устойчивых движений достаточно вести для трехсекционной вибромашины, полагая, что увеличение числа секций не приведет к потере устойчивости. Экспериментальные исследования (см. раздел 5) подтвердили правомерность заключения. 4. Показано, что с увеличением коэффициента жесткости соединительного элемента секций минимальная частота, соответствующая устойчивым синфазным движениям секций, становится более чувствительной к числу секций и растет с увеличением числа секций. 5. Установлено, что выбором необходимого коэффициента жесткости упругой связи между вибраторами можно добиться устойчивого движения секций при любом сочетании параметров вибромашины. 6. Разработаны программы определения зон устойчивого синфазного движения секций с помощью ЭВМ EC-I022, которые могут быть использованы в инженерных расчетах при проектировании секционированных вибромашин. В работах /26, 58/ при исследовании влияния среды загрузки на движение рабочего органа ее действие иммитировалось демпфирующими элементами в упругой подвеске контейнеров При объемной вибрационной обработке загрузка, отдельные частицы загрузки и контейнер совершают сложное движение и такое упрощение не отражает реальной картины исследуемых процессов» Однако все особенности движения контейнера с загрузкой описать математически затруднительно, поэтому приходится рассматривать упрощенную математическую модель загрузки, отображающую наиболее существенные ее свойства. Динамическая схема секционированного вибростанка с загруженным рабочей средой контейнером изображена на рис. 4.1, 4.3 и 4.4. Секции станка с помощью упругих элементов жесткостей Су и С г. устанавливаются на неподвижном основании и соединяются между собой соединительными элементами. Рассчетная схема соединительного элемента представлена на рис. 4.2.
Применение фазовой плоскости для исследования устойчивости вибрационных станков с загрузкой
Помимо упругих и демпфирующих свойств соединительные элементы секций обладают еще одной важной характеристикой - центром изгиба, т.е. точкой, перемещение которой не вызывает ее поворота (на рис. 4.2 0 ). Координаты этой точки предполагается получить экспериментальным путем, о котором будет упомянуто в пятом разделе. Допускаем, что центр изгиба соединительного элемента не совпадает с центром масс секций.
Положение статического равновесия колебательной части станка определяется неподвижной системой координат и XV Z- , начало отсчета которой совпадает с центром масс незагруженного контейнера. Считаем, что при неподвижном контейнере загрузка размещена симметрично относительно оси U 2 , а модель загрузки занимает положение, показанное на рис. 4.3. Точка О г соответствует центру тяжести загрузки, а точка из, - приведенному центру тяжести контейнера и массы загрузки.
В работах /16, 27, 36/ исследования динамики рабочего органа вибрационного станка с загрузкой проведены при условии, что приведенный центр тяжести контейнера и загрузки в положении покоя и в рабочем состоянии находятся на одной оси. Однако, ввиду действия на контейнер большого количества динамических факторов, приведенный центр тяжести контейнера и массы загрузки в рабочем состоянии смещается и не находится на оси симметрии контейнера (рис. 4.4). Несовпадение центра тяжести с центром изгиба соединительного элемента является причиной возникновения в последнем дополнительных моментов, нагружающих секции, и игнорирование смещением приведенного центра тяжести в рабочем состоянии в секционированных машинах может привести к неправильным выводам.
Известно, что при объемной вибрационной обработке в результате трения сухих или смоченных поверхностей частиц друг о друга, сопротивления движению твердых частиц в жидкой или газовой фазе, наличия различных сил сцепления и др. происходит диссипация энергии. Наличие диссипативных сил обусловливает появление нелинейных эффектов в исследуемых объектах. Динамическая модель контейнера с загрузкой, учитывающая все свойства среды, представляет собой колебательную систему, состоящую из ограниченного числа автоколебательных систем, соединенных линиями связи. Такие колебательные системы описываются сложными системаш дифференциальных уравнений, в которые входят уравнения в частных производных гиперболического типа и обыкновенные нелинейные дифференциальные уравнения. Поэтому исследование взаимной синхронизации является задачей достаточно сложной. В работе /30/ показано, что при решении задач о взаимодействии колебательных систем, соединенных неограниченными волновыми связями, последнее можно заменить простыми запаздывающими связями, а сопротивления сложного вида с достаточной для практических целей точностью свести к вязкому трению.
Учитывая вышеизложенное, а также сказанное в п.1.2, принимаем следующую модель загрузки. В каждой секции имеется h яел, которые взаимодействуют с ней при помощи упругих и демпфирующих элементов, коэффициенты жесткости которых равны Саг , Сьч , а коэффициенты демпфирования \U ,R ІЧ приняты в виде вязкого сопротивления, пропорционального скорости. Взаимные сдвиги между телами имитируют силы сухого трения, возникающие между обрабатывающей средой и деталями и между обрабатывающей средой и стенками контейнера. Вязкие демпферы k моделируют энергию соударений между частицами и загрузкой. Предполагаем, что демпферы содержат элементы, " передающие воздействие массы загрузки на контейнер и обратное воздействие с некоторым запаздыванием по времени Т-г-л.
Б состоянии покоя суммарная масса всех тел равна массе загрузки Мь. В рабочем состоянии масса загрузки равна Кроме обобщенных координат, определяющих положение секций пустого контейнера (см.п.2.1), приняты еще обобщенные координаты, описывающие движение модели загрузки Zij и y j t где L -номер секции, -номер отдельного тела в секции; Zij соответствует вертикальным перемещениям тел модели загрузки, a Xvj - их горизонтальным перемещениям.
Перейдем к составлению уравнений движения. Уравнение Лагран-жа для нашего случая можно представить в форме где s= i,...,Rn - количество обобщенных координат; Ти.ъ. ГК. . Фк.ъ. - выражения для кинетической и потенциальной энергий контейнера с загрузкой и диссипатив-ной функции Рэлея соответственно. Кинетическая энергия контейнера с загрузкой состоит из кинетической энергии пустого контейнера Т , которая была определена в где тъ = .—-" " масса отдельного тела модели загрузки.
Выражение для определения потенциальной энергии данной систе-? мы состоит из потенциальной энергии пустого контейнера П (см. п.2.1), потенциальной энергии загрузки Пь и дополнительной потенциальной энергии П%- соединительных элементов, так как секции станка колеблются относительно приведенных центров тяжести, которые не совпадают с центрами изгибов соединительных элементов (рис. 4.4)
