Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы гидродинамической очистки изделий и задачи исследований 13
1.1. Общие сведения 13
1.2. Обзор существующих погружных моечных машин 19
1.2.1. Моечные машины без гидродинамических активаторов 22
1.2.2. Статические активаторы 22
1.2.3. Динамические активаторы 26
1.2.4. Комбинированные активаторы 36
1.3. Теория очистных процессов 37
1.4. Анализ преимуществ и недостатков активаторов погружных моечных машин 40
1.5. Цели и задачи исследований 43
1.6. Выводы 45
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование трёхмерного гидродинамического способа очистки изделий и его устройств 46
2.1. Обоснование трёхмерного гидродинамического способа очистки изделий 46
2.2. Новые технические средства для осуществления трёхмерного гидродинамического способа очистки изделий 59
2.2.1. Использование четырехзвенных механизмов 61
2.2.2. Использование пятизвенных механизмов 77
2.2.3. Использование шестизвенных механизмов 81
2.3. Теоретические исследования структуры базовых механизмов 85
2.4. Выводы 92
ГЛАВА 3. Теоретические основы трёхмерной гидродинамической очистки 94
3.1. Математическая модель для кинематических исследований моечных машин с пространственными активаторами 95
3.1.1. Расчетная схема моечной машины для кинематических исследований 96
3.1.2. Определение направляющих косинусов 98
3.1.3. Кинематика ведомого звена моечной машины 105
3.1.4. Кинематика платформы моечной машины 108
3.1.5. Кинематика характерных точек платформы и объекта
очистки 110
3.1.6. Универсальная программа "UPKAMM" для кинематических исследований активаторов моечных машин на базе
пространственных механизмов 115
3.2. Математическая модель для гидродинамических исследований моечных машин 121
3.2..1. Предварительные сведения 121
3.2.2. Поверхностные гидродинамические силы и моменты 124
3.2.2.1. Определение поверхностной гидродинамической силы 124
3.2.2.2. Определение поверхностного гидродинамического
момента 128
' 3.2.3. Инерционные гидродинамические силы и моменты 133
3.2.3.1. Определение кинетической энергии жидкости 136
3.2.3.2. Определение составляющих инерционных гидродинамических сил и моментов 140
3.2.4. Определение режима движения жидкости в моечной
машине с пространственным движением платформы 144
3.3. Математическая модель для силового и энергетического анализов моечных машин 145
3.3.1. Определение реакций шарниров 147
3.3.2. Определение проверочного (уравновешивающего) момента 157
3.3.3. Определение потребной мощности привода активатора моечных машин 161
3.3.4. Описание программы "SAMM" для гидродинамического и силового анализов моечных машин 164
3.3.5. Исследование энергетических показателей моечной машины с колеблющейся платформой 167
3.4. Выводы 171
Глава 4. Методика экспериментальных исследований 173
4.1. Цель, задачи и общая методика экспериментальных исследований 173
4.2. Методика и технология экспериментов по исследованию качества очистки 175
4.3. Лабораторная установка и исследования по обоснованию конструктивных параметров моечных машин 180
4.4. Методика и стенд для определения КПД
механизмов активаторов моечных машин 186
4.5. Опытно- промышленная установка и исследования по обоснованию её эксплуатационных параметров 188
4.5.1. Экспериментальные исследования качества очистки 193
4.5.2. Экспериментальные исследования энергозатрат 201
4.5.3. Определение оптимальных эксплуатационных
параметров и производительности моечной машины 206
4.6. Методика сравнительной оценки способов интенсификации погружной очистки 208
4.7. Выводы 211
ГЛАВА 5. Результаты исследований и их анализ 213
5.1. Результаты теоретических исследований и их анализ 213
5.1.1. Анализ результатов аналитических исследований кинематических параметров 215
5.1.2. Результаты исследований влияния кинематических параметров на качество очистки изделий 222
5.1.3. Анализ результатов аналитических исследований гидродинамических параметров 225
5.1.4. Анализ результатов аналитических исследований силовых и энергетических параметров 233
5.1.5. Результаты экспериментальной проверки теоретических исследований 245
5.1.5.1. Результаты экспериментальной проверки теоретических исследований кинематики звеньев устройств 245
5.1.5.2. Результаты экспериментальной проверки теоретических исследований давлений в звеньях механизмов 246
5.2. Результаты экспериментальных исследований на лабораторной установке 249
5.2.1. Обоснование выбора конструктивных параметров моечных машин 249
5.2.2. Результаты сравнительных лабораторных
экспериментов 253
5.2.3. Результаты экспериментального исследования КПД базового механизма активатора моечных машин 255
5.3. Результаты экспериментальных исследований на опытно-промышленной установке 260
5.3.1. Результаты исследований качества очистки 260
5.3.2. Энергетические исследования. Сравнение экспериментальных и теоретических результатов 270
6
5.3.3. Определение оптимальных эксплуатационных параметров и производительности моечной машины 282
5.4. Результаты сравнительных исследований 294
5.4.1. Сравнение расчетных технических показателей 294
5.4.2. Результаты сравнительных производственных экспериментов 296
5.5. Сравнительный анализ и оценка способов гидродинамической интенсификации погружной очистки 299
5.5.1. Сравнительный анализ способов гидродинамической интенсификации погружной очистки 299
5.5. Сравнительная оценка способов гидродинамической интенсификации погружной очистки 308
5.6. Практические рекомендации по изготовлению моечных машин 315
5.6.1. Технология изготовления пространственных кривошипов механизма активатора моечных машин 315
5.6.2. Технология сборки механизма моечной машины 319
5.7. Типовые моечные машины на базе пространственных механизмов 322
5.8. Выводы 328
ГЛАВА 6. Эффективность результатов исследований 333
6.1. Определение технико-экономических показателей моечной машины 333
6.2. Практические рекомендации по проектированию и использованию моечной машины 342
Общие выводы 346
Литература
- Обзор существующих погружных моечных машин
- Обоснование трёхмерного гидродинамического способа очистки изделий
- Математическая модель для кинематических исследований моечных машин с пространственными активаторами
- Лабораторная установка и исследования по обоснованию конструктивных параметров моечных машин
Введение к работе
Для решения задач надежного обеспечения страны продуктами питания и сырьем, наряду с укреплением материально-технической базы сельского хозяйства необходимо улучшить качество ремонта и поднять уровень технической готовности машин и оборудования, не допускать их преждевременного списания.
Повышение качества ремонта и обслуживания техники зависит от множества факторов, среди которых важное место принадлежит очистке агрегатов, сборочных единиц и отдельных деталей. Хорошая очистка поверхностей деталей предотвращает их преждевременный износ, повышает срок службы, позволяет сэкономить материалы. От качества очистки зависит правильность дефектовочных работ, производительность труда и общая культура производства. Плохая очистка деталей перед их сборкой снижает послеремонтный ресурс машин до 30%, производительность труда - до 8 %. Процесс очистки весьма трудоемкий, составляет до 10% трудоемкости изготовления машин [22,37,85].
По данным ГОСНИТИ в СССР количество моечных машин, в ремонтно-обслуживающих предприятиях составляло около 50 тысяч единиц, их стоимость 132,6 миллион рублей (1990 год), масса оборудования 163,9 тысяч тонн, занимаемая площадь 460 тысяч м . Установленная мощность электродвигателей моечных машин составляет 840 тысяч кВт, или 20 % общей установленной мощности на ремонтно-технических предприятиях (РТП). Ежегодно для очистки расходуется 20,0 тысяч тонн моющих средств, очисткой машин занято около 25,0 тысяч рабочих. Однако в настоящее время из-за распада СССР и известных трудностей в Российской Федерации используется только менее 30 % перечисленных ресурсов.
В РТП Республики Татарстан сейчас насчитывается более тысячи моечных машин и оборудования, расходуется до 50 тонн моющих средств в год. За ремонтный сезон 2000 - 2001 годов только на предприятиях ОАО ХК "Татсельхозтехника" отремонтировано более пяти тысяч тракторов и комбайнов. Техническая оснащенность АПК Татарстана к концу 2001 года составляет: тракторов 31178 единиц (из них приобретено в 2001 году 760 единиц), зерноуборочные комбайны - 8976 (737), кормоуборочные комбайны - 2579 (202), свеклоуборочные и картофелеуборочные - 937 (113), грузовые автомобили - 16194 (312), автомобили КАМАЗ - 5065 (300), сеялки 13290 (170), культиваторы - 12090 (195). Парк машин интенсивно стареет и требует постоянного ремонта. Ежегодно готовность техники к полевым работам снижается па 5... 10 %.
Поэтому необходимо изыскать новых технологических процессов, обеспечивающих повышение работоспособности машин. Разработка новых эффективных и совершенствование существующих способов очистки являются большим резервом по снижению расхода энергии и материалов. Это подтверждает, что проблема очистки изделий является весьма актуальной и имеет важное народнохозяйственное значение.
К сожалению, проблема высококачественной очистки изделий из-за чрезвычайной сложности видов и степени загрязнений, а также конфигурации и габаритов изделий не решена окончательно. Основными направлениями по снижению энергозатрат и материалов на очистку машин и их составных частей является внедрение малоэнергоемких способов очистки. По критерию удельных затрат энергии на единицу очищаемой поверхности установлено, что они составляют для высоконапорной струйной очистки 0,1...0,3 кВт.ч/м2, для низконапорной струйной очистки 2,2...6 кВт.ч/м2 и погружной 0,2...1,8 кВт.ч/м . Перспективным является применение высоконапорной и погружной очистки как наименее энергоемких [182,183]. Указанные направления работ были учтены нами при разработке моечных машин с пространственными активаторами.
Для качественной очистки изделий необходимо создавать сильнодействующие моющие средства и эффективные активаторы процесса. В настоящее время созданы и производятся высокоэффективные моющие средства [27,72,189,191]. Их лучшие свойства (растворение, эмульгирование и т.д.) эффективнее используются при погружном способе очистки. Однако доля этого способа, несмотря на его перспективность, в общем объеме очистных работ мала - около 10% [87,182,183]. Причиной этого является отсутствие высокоэффективных активаторов процесса очистки. В существующих моечных машинах погружного типа гидромеханическое воздействие моющих жидкостей на объект очистки достигается либо за счет простых возвратно - вращательных или возвратно - поступательных (в лучшем случае плоскопараллельных или планетарных) движений объекта, либо направленных возмущений жидкости отдельными рабочими органами (лопастные винты, вибраторы и др.). К сожалению, эффективное гидромеханическое воздействие жидкости на загрязненные поверхности, непосредственно осуществляющие очистку изделий, в этих моечных машинах получается неодинаковое. Поэтому различным образом ориентированные относительно направлению движения очищаемые участки сложной конфигурации объекта очистки моются неоднородно. Хуже очищаются заэкранированные участки, углубления и т.п., где чаще всего и накапливаются загрязнения.
Для качественной очистки изделий сложной конфигурации и интенсификации процесса при погружном способе необходимо создавать многонаправленные мощные турбулентные потоки моющей жидкости относительно всех очищаемых плоскостей.
Создание возмущения жидкости установкой множества различных органов вокруг объекта очистки усложняет конструкцию машин, увеличивает энергоемкость и себестоимость очистки изделий. Однако такие потоки моющей жидкости вокруг объекта очистки можно создавать проще и эффективнее, сообщив самому объекту очистки пространственное неравномерное движение. На таком принципе работают погружные моечные машины на базе пространственных механизмов особой структуры,Л созданные в Казанской государственной сельскохозяйственной академии. Еще в 1903 году английский математик Д.Беннетт получил экспериментальным путем четырехзвенный механизм с вращательными парами и дал графическую интерпретацию [112], однако из-за несоответствия к известной структурной формуле такие механизмы назывались «парадоксальными». Несмотря на возросший интерес к ним во всем мире [114 -180], до семидесятых годов реальных успехов не было. Лишь в середине семидесятых годов в нашей стране профессором Б.В.Шитиковым и его учеником профессором П.Г.Мудровым получены несколько десятков работоспособных моделей пространственных механизмов с вращательными парами. В дальнейшем автору данной работы, продолжая исследования своих учителей, удалось найти использование этих механизмов на практике.
Настоящая работа посвящена изучению моечных машин, позволяющих совершенствовать технологию очистных процессов сельскохозяйственной техники при их ремонте и разработке технических средств для осуществления трёхмерного гидродинамического способа интенсификации очистки изделий. Полученные математические модели, результаты расчетов и их анализы, экспериментальные исследования, рекомендации и выводы легли в основу конструкторско-технической документации, по которым созданы несколько вариантов моечных машин, внедренные в производство. Они защищены авторскими свидетельствами на изобретение [6,7,8]. Действующие модели этих моечных машин демонстрировались на Всероссийской выставке HTTM-XI, на научно-технической выставке XII Всемирного фестиваля молодежи и студентов в г. Москве [26], на выставке работ изобретателей и рационализаторов Госагропрома СССР, на ВДНХ СССР и на различных выставках Российской Федерации и Республики Татарстан-Объективность и достоверность полученных результатов, научных положений и выводов, сформулированных в данной работе, подтверждается проектированием и созданием моечных машин, экспериментальными исследованиями их в лабораторных и производственных условиях, проверкой конечных результатов различными способами и перечисленными выше фактами. Цель исследований. Обосновать применение трехмерного гидродинамического способа интенсификации погружной очистки изделий при ремонте сельскохозяйственной техники, повышающего качество очистки изделий и уменьшающего энергоемкость процесса.
Разработать погружные моечные машины с активаторами на базе пространственных механизмов для осуществления этого способа, обосновать их структурные, конструктивные и эксплуатационные параметры.
Объект исследования - изделия (детали и узлы сельскохозяйственной техники), подвергающиеся очистке при ремонте и техническом обслуживании, и погружные моечные машины с активаторами на базе пространственных механизмов.
Методы исследований. В основу теоретических исследований положены законы гидромеханики о движении жидкости и процессы её взаимодействия с твердым телом, законы механики, основные положения теории механизмов и машин. В работе использованы методы математического моделирования, проектирования, векторных исчислений, теории колебаний. Экспериментальные исследования проведены с применением теории планирования экспериментов и теории вероятности, использованием современных приборов и оборудования, математической статистики, включая использование ПК.
Научная новизна работы заключается в получении математических моделей механического воздействия моющего раствора на загрязненные поверхности объекта очистки при его сложном пространственном движении с учетом гидродинамических сил и моментов инерционного типа от присоединенной массы жидкости и подтверждается:
- разработкой погружных моечных машин с активаторами на базе пространственных механизмов особой структуры (ах. СССР № 1011416 и № 1330182);
- получением аналитических зависимостей для кинематического, гидродинамического, силового и энергетического анализов этих машин; - установлением экспериментальных зависимостей качества очистки изделий и энергоемкости процесса от конструктивных параметров базовых механизмов активаторов и факторов режима эксплуатации моечных машин и определением их оптимальных значений.
В соответствии с поставленной целью и основным содержанием работы определены следующие основные задачи исследований На защиту выносятся:
1. Трехмерный гидродинамический способ интенсификации погружной очистки изделий в моечных машинах с активаторами на базе пространственных механизмов.
2. Математические модели механического воздействия моющего раствора на загрязненные поверхности объекта очистки при его сложном пространственном движении с учетом гидродинамических сил и моментов инерционного типа присоединенной массы жидкости. Аналитические зависимости для кинематического, гидродинамического, силового и энергетического анализов моечных машин, результаты расчетов и анализов этих показателей.
3. Результаты влияния конструктивных параметров пространственных механизмов как активаторов моечных машин и значений факторов режима эксплуатации моечных машин на качество очистки изделий и энергоемкость процесса.
4. Моечные машины с активаторами на базе пространственных механизмов, осуществляющие трёхмерный гидродинамический способ интенсификации погружной очистки изделий, новизна которых признана изобретениями, и их обоснованные структурные, конструктивные и эксплуатационные параметры.
5. Рекомендации по проектированию, технологии изготовления, сборке и эксплуатации моечных машин с учетом результатов сравнительного анализа и оценки существующих способов интенсификации погружной очистки.
Результаты внедрения исследований в производство и их технико экономическая эффективность.
Обзор существующих погружных моечных машин
Погружной способ очистки является наиболее прогрессивным и перспективным среди рассмотренных способов. Его широко применяют для удаления лакокрасочных покрытий, асфальтосмолистых отложений и других загрязнений с деталей сложной конфигурации, когда струйный способ не обеспечивает требуемое качество очистки или когда необходимо очищать поверхности моющими средствами, которые нельзя использовать в струйных. Погружные машины в будущем останутся основным оборудованием ремонтных предприятий для очистки деталей от прочных асфальтосмолистых отложений, остатков лакокрасочных покрытий и продуктов коррозии [37]. Однако этот способ не исключает струйный, а практически сводит его к финишному ополаскиванию.
Преимущества погружного способа [42] по сравнению со струйным следующие: 1) возможность использования эффективных моющих средств с высоким содержанием поверхностно-активных веществ; 2) возможность использования высокоэффективных растворяюще эмульгирующих моющих средств на основе углеводородных и галоген содержащих органических растворителей, других агрессивных, вредных и легко испаряющихся очищающих агентов; 3) возможность использования моющих жидкостей при любых высоких температурах, вплоть до температуры кипения, в то время как при струйном способе рабочая температура ограничивается кавитационными явлениями в перекачивающих и напорных насосах; 4) простота конструкции оборудования, удобство неэкономичность его эксплуатации; 5) широкий выбор способов интенсификации.
Первые два преимущества погружного способа связаны с тем, что благодаря широким исследованиям, проводимым в МГАУ, ГОСНИТИ и в других организациях, созданы новые высокоэффективные моющие средства.
Очистка погружением объектов в ванны с невозбуждаемыми растворами занимает сравнительно много времени, в связи с чем в настоящее время применяют различные методы интенсификации процесса очистки: затопленными струями, вибрацией, барботированием, пропусканием электрического тока (электрохимическое обезжиривание) и др. [42]. Однако именно это последнее, весьма перспективное преимущество погружного способа - широкая возможность интенсификации процесса очистки -используется пока недостаточно.
Рассмотрим более конкретно способы интенсификации процесса очистки у существующих погружных моечных машин. Для наглядности и удобства анализа преимуществ и недостатков этих способов, их можно обобщить, на наш взгляд, в представленной на рис. 1.1 классификации. Гидромеханические способы интенсификации процесса очистки в погружных моечных машинах подразделяются на следующие основные типы : 1) возбуждение моющей жидкости вокруг неподвижного объекта очистки - статические активаторы; 2) сообщение объекту очистки движения в моющем растворе динамические активаторы; 3) возбуждение моющей жидкости вокруг подвижного объекта очистки (совместное действие двух первых типов) - комбинированные активаторы.
Во всех случаях суть процесса очистки заключается в том, что создается относительное движение потоков жидкости и загрязненных изделий.
В моечных машинах такого типа нет относительного движения между моечной жидкостью и объектом очистки. Здесь гидромеханическое воздействие моющей жидкости на загрязнения полностью отсутствует. Очистка изделий от загрязнений происходит исключительно только за счет физико-химических свойств моющей жидкости. При такой очистке (выварке) загрязнения разрыхляются, переводятся в объем моющего раствора в виде эмульсий и дисперсий. По сути, выварка является подготовительной операцией перед основной очисткой. К тому же здесь загрязнения и объект очистки нагреваются.
Для возбуждения моющей жидкости вокруг неподвижного объекта очистки применяются следующие устройства.
1. Гребные винты [31,65,85], лопастные мешалки [72] и другие рабочие органы, создающие затопленные струи. Эти рабочие органы, находящиеся в ванне с моющей жидкостью, приводятся во вращение от находящегося вне ванны электродвигателя. Обычно рабочие органы заключаются в кожух (диффузор) или напротив них устанавливаются рассекатели, что способствует направлению турбулентного (вихревого) потока моющей жидкости на объект очистки. Для получения равномерной очистки изделий со всех сторон либо устанавливают несколько винтов, либо дополнительно дают вращательное движение объекту очистки.
2. На рис. 1.2д представлена принципиальная схема наиболее типичных моечных машин данного класса. Однако эти установки, как видно из схемы, из-за однонаправленности турбулентных потоков не обеспечивают равномерной очистки, а использование нескольких рабочих органов с разных сторон увеличивает потребную мощность, усложняет конструкцию и снижает работоспособность. В настоящее время разрабатываются более эффективные моечные машины для интенсификации погружной очистки затопленными струями [10,75,85] как постоянными, так и пульсирующими.
З.Барботирование. Суть этого способа заключается в том, что и-возбуждение моющей жидкости вокруг объекта очистки достигается подачей сжатого воздуха в барботажную систему [18]. Однако это не создает нужной турбулентности жидкости вокруг очищаемых деталей, а лишь взбалтывает осадок загрязнений. Кроме того, пропускание воздуха через раствор приводит к разложению щелочи и снижению эффективности раствора, вызывает обильное пенообразование [37].
4. Ультразвук. В настоящее время ультразвуковая очистка находит широкое применение как на промышленных, так и на ремонтных предприятиях. Ультразвуковая моечная установка состоит из ванны с моющим раствором для погружения объекта очистки, генератора высокочастотных (ультразвуковых) электрических колебаний и преобразователя их в упругие механические колебания диафрагмы. Колебания диафрагмы с частотой 20 кГц и выше передаются моющей жидкости, вызывая в ней кавитацию, которая создает комплекс явлений, приводящих к очистке деталей от загрязнений. Ультразвуковая очистка в основном применяется для очистки мелких прецизионных деталей. Однако на эффективность ультразвуковой очистки большое влияние оказывает расположение деталей относительно источника ультразвуковых колебаний и наличие экранов [37]. Для ультразвуковой очистки применяют как органические растворители, так и CMC. Каждый из них имеет свою оптимальную температуру. Отклонение ее в любую сторону резко увеличивает время очистки [85].
Обоснование трёхмерного гидродинамического способа очистки изделий
В погружных моечных машинах воздействие моющей жидкости на объект очистки имеет очень сложный характер.
Удаление загрязнений с поверхности очищаемых изделий за счет физико-химической активности моющих растворов происходит благодаря смачивающему, эмульгирующему и диспергирующему действию моющих растворов на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ). Процессу удаления загрязнений способствуют также пептизация (повышение раздробленности твердых веществ) и солюбилизация (свойство моющего раствора удерживать отделенные частицы). Синтезируя комплекс свойств растворов ПАВ, профессор Н.Ф.Тельнов процесс отмывки загрязнений делит на три стадии: 1 - молекулы ПАВ адсорбируются на твердой частице грязи и омываемой поверхности, 2 - молекулы ПАВ отделяют грязевую частицу от омываемой поверхности, 3 - твердая и жидкая грязевые частицы переводятся в моющий раствор. При проникновении моющего раствора в тончайшие щели, трещинки, поры загрязнения и смачивании металлической поверхности нарушается связь между загрязнением и деталью, ослабляются эти связи (см. рис.2.1) [85,86]. Однако без механического воздействия этот процесс достаточно длителен.
Интенсификации процесса очистки способствует создание мощных турбулентных потоков моющей жидкости вблизи очищаемой поверхности. Отрыв и транспортировка частиц загрязнений от очищаемой поверхности при гидромеханической интенсификации процесса происходит как за счет физико-химической активности моющего раствора, так и за счет гидродинамических сил. По данным исследований ГОСНИТИ при использовании различных методов гидродинамической интенсификации погружной очистки время процесса сокращается в 10 - 100 раз.
Однако сравнительную оценку методов гидромеханической интенсификации погружной очистки большинство исследователей проводят, оценивая только силы трения и на основе анализа зависимости касательного напряжения трения на очищаемой поверхности изделия.
По нашим исследованиям этот процесс гораздо сложнее.
Сначала рассмотрим, какие же силы действуют на загрязнения в процессе очистки. Необходимо отметить, что практически все эти силы являются распределенными. С целью упрощения изображения схемы воздействующих сил и из-за малости размеров загрязнений покажем все эти силы сосредоточенными. На рис.2.2 показаны следующие силы, которые действуют в процессе очистки на загрязнение: G - сила тяжести загрязнения (направлена всегда вертикально вниз), Радг - сила адгезии (прилипания) загрязнения на поверхности (направлена перпендикулярно к поверхности), Ртр — сила трения загрязнений о поверхность (направлена параллельно к поверхности и противоположно направлению движения), Рмр - отрывающая сила моющего раствора, связанная с его физико-химическими свойствами (направлена перпендикулярно от поверхности), Рплг - поверхностная гидродинамическая сила лобового сопротивления моющего раствора, возникающая при относительном движении (знакопеременная, направлена перпендикулярно к поверхности), Рпг " поверхностная гидродинамическая касательная сила трения моющего раствора, возникающая при относительном движении (знакопеременная, направлена параллельно к поверхности), Рэф — эффективная (отрывающая загрязнения от поверхности) сила. Баланс этих сил определяется выражениями G + Радг +Ртр + Рмр + Р + С6 + РЭф = 0 (2.1) и, Рэф = - m -ао= - m f " (х), (2.2) где m - масса отрываемой частицы загрязнений, ао - ускорение частицы.
Рассмотрим более подробно методы интенсификации в зависимости от видов движений объектов очистки в моющем растворе.
В зависимости от типа движения объекта в моющей жидкости (простое, плоское, планетарное, пространственное) или от способа активации самой жидкости различным образом ориентированные участки объекта очистки сложной конфигурации испытывают весьма отличные как по величине, так и по направлению гидродинамические воздействия жидкости. Так, например, при возвратно-поступательном (по прямой траектории) движении объекта в жидкости перпендикулярные к направлению движения участки испытывают воздействие распределенной силы лобового сопротивления жидкости, а параллельные движению участки испытывают касательные силы трения жидкости относительно объекта.
Рассмотрим возможные случаи технологического процесса воздействия жидкости на загрязненные поверхности в зависимости от видов движения объекта на активаторе погружной моечной машины.
Математическая модель для кинематических исследований моечных машин с пространственными активаторами
Исследование кинематики погружных моечных машин с пространственными активаторами, предназначенных для очистки деталей сложной конфигурации и узлов сельскохозяйственной техники при их ремонте, представляет определенный интерес:
во-первых, с точки зрения кинематического анализа - определения траектории, скоростей и ускорений звеньев механизма и различных точек платформы (характерных точек загрязнений изделий) в зависимости от угла поворота и частоты вращения ведущего кривошипа;
во-вторых, с точки зрения исследования процесса очистки в различных участках сложной конфигурации очищаемых изделий, закрепленных на платформу моечной машины, так как траектории, величины и направления скоростей и ускорений исследуемых точек являются факторами, влияющими на качество очистки детали на этих же точках и на энергетику процесса. Кроме того, они служат справочным материалом для определения гидродинамических давлений на объект очистки. в-третьих, кинематический анализ моечных машин необходим в дальнейшем для их силового и энергетического анализа, т.е. для определения реакций в шарнирах, а также потребной мощности привода активаторов.
За исследуемые точки приняты центры блоков пластин с модельными загрязнениями, установленных в характерные места загрязнений очищаемых изделий, а также центр масс платформы и закрепленных на ней указанных деталей.
Для кинематических и динамических исследований звенья и шарниры механизма свяжем с прямоугольными системами координат так, как показано на рис.3.1. Начала их возьмем в центрах шарниров. Кроме того, положения этих систем координат свяжем также и с направлениями движения звеньев.
Пусть (р- угол поворота ведущего кривошипа, у - угол поворота ведомого кривошипа. Примем правые неподвижные прямоугольные системы координат XAYAZA и X DY DZ D так, чтобы оси ZA и Z D совпали о осями шарниров А и D соответственно, причем, если смотреть с конца этих векторов, а вращение кривошипов АВ и DC было против хода часовой стрелки. Кроме того, ось YA должна совпадать со звеном AD, а ось Y D должна совпадать по направлению с осью YA- Оси Хд и Х о направлены перпендикулярно первым двум осям соответствующей координаты так, чтобы вместе они составили правые координатные системы.
Также условимся отсчитать углы скрещивания осей шарниров каждого из звеньев против хода часовой стрелки, приняв за начало отсчета ось шарнира, обращенную к наблюдателю. Например, если смотреть с конца векторов YA Y D, угол между осями Z D и ZA равен 90. Здесь за начало отсчета принята ось Z D , а за направление отсчета - направление против хода ч часовой стрелки.
Кроме того, примем правые прямоугольные подвижные системы координат X AY AZ A, XBYBZB, X BY BZ B, XCYCZC, X CY CZ C И XDYDZD, жестко связанные с соответствующими звеньями машины. Во всех указанных координатных системах ось Z направлена по оси шарнира, индекс которой (как и у других осей) показывает на соответствующий шарнир. Остальные оси направлены так: Х д и Х в направлены по звену АВ, оси YB И YC - по звену ВС, оси Х с и XD - ПО звену DC, как показано на рис.3 Л.
Принятые таким образом системы координат легко позволяют получать уравнения движения исследуемых точек и звеньев механизма в векторной форме, а также преобразовать проекции вектора с одной координатной системой в другую.
При составлении уравнений положений, скоростей и ускорений различных исследуемых точек платформы моечной машины, а также при определении гидродинамических воздействий и силовом анализе для нахождения проекций векторов в различных координатных системах использованы направляющие косинусы.
Лабораторная установка и исследования по обоснованию конструктивных параметров моечных машин
Кинематика платформы моечной машины [34,105] характеризуется ее угловой скоростью и угловым ускорением. Угловая скорость платформы (звена 2 на рис.3.3) определяется уравнением йГ2 = щ + йГ2/1, (3.28) где а у1 угловая скорость платформы относительно ведущего кривошипа. Проекции этого уравнения на неподвижные оси Хд, Уд и ZA (с учетом рис.3.За и«)2/, = (Из) имеют вид Ф2ХА = оъ эшц cos# , й 2А - -ъ sina, sinp, Й 22А =оз1 + бзі-cosa,. (3.29) Они же на оси Хв, YB И ZB (СМ. рис.3.36) а?2Ъ = 0)} БІПЦ cosj, a? = -ft , sinar, sin j, U 2ZB - ax cosa, + &г. (3.30) Модуль вектора угловой скорости находится по формуле . г = Ff + KYA )2 + (lk f - (3.31) Продифференцировав по времени выражения (3.29) и (3.30) и учитывая, что Щ = const, — = щ, — = тъ и —- = ff3, получим проекции углового ускорения платформы на те же оси
Полученные уравнения угловой скорости и углового ускорения платформы показывают, что она совершает сложное пространственное движение с переменной скоростью. Эти уравнения, наряду с другими, включены в одну обшую универсальную программу расчетов кинематических параметров на ЭВМ.
Кинематика характерных точек платформы и объекта очистки
В силу того, что объект очистки (например, корпуса трансмиссии тракторов) устанавливается на платформу моечной машины [34,105] определенным образом (рис.3.4а), исследуемые характерные точки всегда занимают строго фиксируемые положения (рис.3.4б). Координаты этих точек обозначим по оси Хв - h(l), по оси YB - 1{,, по оси ZB - 1(,). Здесь индекс і указывает на исследуемую точку. Для примера рассмотрим кинематику точки L, как наиболее общую. Ее положение определяется проекциями радиус-вектора AL на оси систем координат XAYAZA. ИЗ векторного контура ABMNL имеем
Представленная программа по вводным параметрам cti, І2 , 1 вычисляет положения, скорости и ускорения любых точек платформы, их экстремальные и средние значения в заданных пределах угла поворота ведущего кривошипа ф (от фг до фз шагом фД Координаты исследуемых точек вводятся (запрашиваются) отдельно. Кроме того, программа вычисляет кинематические параметры самой платформы - её угловую скорость и угловое ускорение. Результаты в виде проекций параметров на координатные оси и модуля в зависимости от угла р можно вывести на бумагу или экран. Эти данные выводятся как в виде таблицы, так и в виде графиков. Программа написана на языках "Бейсик" и "Паскаль" для ПК.
Принятые обозначения W1 = і - угловая скорость ведущего кривошипа, A, U = щ - угол скрещивания осей шарниров кривошипов, L2 = 12- длина платформы (шатуна), L1 = // - длина кривошипа, LO = ft} о - координата точки по оси YB, Н = h(l) - координата точки по оси ХВ) L = fl) - координата точки по оси ZB, F,F 1 = ф - угол поворота ведущего кривошипа, W3 = j - угловая скорость ведомого кривошипа, Е = е3 - угловое ускорение ведомого кривошипа, К1, К2...К9 - направляющие косинусы, Т1,Т2...Т9 и R1,R2...R9 - первые и вторые производные от значений направляющих косинусов, Q0(I,N) - проекции параметра на ось X, Q1(I,N) - проекции параметра на ось У, Q2(I,N) - проекции параметра на ось Z, Q3(I,N) - модуль параметра, I - индекс характерной точки, N - индекс положения (угла ср) ведущего кривошипа, J - индекс, определяющий принадлежность параметра типа QU(I,N): J =0 -положение, J =1 - скорость, J =2 - ускорение точки. Точность определения потребной мощности привода, а также сил и моментов, действующих на шарниры и звенья машины, в значительной степени зависит от того, насколько правильно рассчитаны гидродинамические давления. Как показано выше, кинематика платформы моечной машины (значит и установленного на нее объекта очистки) весьма сложная - движение пространственное (трехмерное), как линейные, так и угловые скорости и ускорения являются переменными и по величине, и по направлению. Поэтому гидродинамические давления со стороны моющей жидкости при таком движении объекта очистки чрезвычайно сложны. Уместно отметить, что именно это сложное воздействие моющей жидкости на объект его и хорошо очищает.
Сложное пространственное движение объекта очистки можно рассматривать как состоящую из шести простых движений, а именно - трех поступательных движений по осям координатной системы и трех вращательных движений относительно осей координат (рис.3.5). Координатную систему выберем жестко связанной с объектом, начало которой совпадает с центром масс объекта, а оси направлены параллельно горизонтальной, вертикальной и фронтальной граням (плоскостям) объекта.
