Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее сложной и дорогостоящей частью современных автоматических линий и комплексов различных производств являются цикловые устройства, основное предназначение которых состоит в периодическом перемещении объектов обработки или инструмента. Одним из основных видов нагрузок, определяющих прочностные и вибрационные характеристики работы этих устройств, являются инерционные силы знакопеременного характера, находящиеся в квадратичной зависимости от частоты перемещений рабочего органа. Проблема повышения производительности современного оборудования требует решения задач оценки усилий, действующих на элементы конструкций, определения параметров колебательных процессов и выполнения рационализации характеристик элементов при обеспечении необходимой прочности.
Известно, что динамические нагрузки в значительной степени определяются энергетическими характеристиками конструкции. В то же время многочисленные исследования показали, что большое влияние оказывают такие факторы, как диссипативные свойства конструкции, податливость элементов цикловых устройств и узлов их сопряжения, неидеальность наложенных связей. Исследований, содержащих их комплексный учет с решением задачи определения направлений рационализации конструктивных характеристик, выполнено недостаточно.
В первую очередь это относится к конструкциям, включающим кулачковые узлы. Такие конструкции составляют один из самых многочисленных классов цикловых устройств. Если плоские кулачковые узлы хорошо изучены, то вопросы, касающиеся конструктивных и технологических особенностей проектирования глобоидальных кулачковых узлов, не нашли полного отражения в научной литературе.
Распространено мнение, что при строгом соблюдении конструкторских норм изготовления, кулачковый узел будет в точности обеспечивать заложенный в нем закон движения рабочего органа. Но практика показывает, что движение рабочего органа всегда искажено упругими колебаниями деталей самого кулачкового узла и остальных деталей устройства. Чтобы быть уверенным в нормальной работе проектируемого оборудования, необходимо получить на стадии проектирования достоверные расчетные характеристики колебаний элементов конструкции, позволяющие оценить прочность этих элементов при номинальных режимах функционирования.
Работа выполнена в соответствии с научно-техническим направлением "Актуальные проблемы механики на железнодорожном транспорте", разрабатываемым в РГОТУПС.
Цель работы состоит в рационализации характеристик конструкций цикловых устройств на основе анализа параметров нелинейных колеба-
ний элементов и их контактной прочности, полученных из динамического расчета, учитывающего нелинейный характер взаимодействия элементов.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи :
провести анализ технической литературы, посвященной расчету конструкций цикловых устройств, для установления уровня достигнутых результатов в вопросах динамического моделирования таких устройств;
сформировать на основе анализа сведений, содержащихся в технической литературе, принципы построения динамических моделей цикловых устройств, учитывающих нелинейный характер контактного взаимодействия элементов конструкции;
разработать методику расчета параметров нелинейных колебаний и контактных усилий в элементах конструкций цикловых устройств;
произвести экспериментальную проверку разработанной методики расчета;
выработать рекомендации по рациональному проектированию деталей и узлов конкретных устройств.
Методы исследования. Теоретические исследования динамики цикловых устройств выполнены аналитическими методами с помощью математических моделей, построенных на основе уравнений Рауса (Ла-гранжа 2-го рода с неопределенными множителями). Для численного решения полученной жесткой системы дифференциальных уравнений использована пятистадийная модификация метода Рунге-Кутта-Мерсона с переменным шагом, гарантирующая заданную точность и имеющая расширенную область устойчивости решения. При оценке контактной прочности взаимодействия деталей применена теория Герца-Беляева. Экспериментальные исследования проводились на натурных образцах оборудования с регистрацией показаний датчиков восьмиканальным тен-зоусилителем 9012А фирмы Holtinger (Германия) и виброаппаратуры фирмы Robotron (ГДР), первоначальная обработка результатов испытаний проводилась на ПК Mclntoch Псі с помощью программы Beam.
Научная новизна заключается в следующем :
предложена математическая модель контактного взаимодействия элементов конструкции, позволяющая в единой форме учитывать наряду с идеальной упругостью зазоры и натяги в сопряжениях деталей, куло-нову силу трения, контакт с абсолютно жестким упором и отсутствие контакта;
предложена методика, позволяющая степенную зависимость между нагрузкой и деформацией связи аппроксимировать кусочно-линейной зависимостью с заданной точностью при контроле максимального отклонения;
разработан алгоритм формирования уравнений, описывающих поведение элементов пространственной конструкции с нелинейными упру-
го-диссипативными, неголономными и нёидеальными связями, дано последующее решение этих уравнений, определены динамические нагрузки на элементы конструкции и оценено напряженное состояние этих элементов;
предложена методика оценки контактной прочности глобоидального кулачкового узла;
получено рекуррентное соотношение, позволяющее для разомкнутых одномерных динамических моделей определять значения обобщенных координат в начале движения из состояния покоя и наличии предварительного нагружения конструкции;
- разработан номенклатурный ряд типовых глобоидальных кулачко
вых узлов, гарантирующий работоспособность изделия в установлен
ных условиях и режимах эксплуатации.
Практическая ценность и реализация результатов работы заключены в следующем :
- разработанная методика позволяет выполнять оценку виброактив
ности и нагруженного состояния элементов конструкций цикловых уст
ройств;
результаты исследования динамической контактной прочности глобоидальных кулачковых узлов дают возможность осуществлять рациональное конструирование устройств, содержащих такие узлы;
расчеты, выполненные по предложенной методике, были использованы при модернизации конструкции грейферной подачи, изготовленной ЗАО ТЯЖМЕХПРЕСС, а также делительного механизма, спроектированного ОАО ЭНИКМАШ;
- разработанный номенклатурный ряд глобоидальных узлов положен
в основу гаммы приводов транспортно-подающих систем фасовочно-
упаковочных автоматов, разработанной на воронежском АО УПМАШ.
Достоверность полученных результатов, выводов и рекомендаций обоснована:
корректностью принятых допущений при выполнении теоретических исследований, использующих уравнения Лагранжа 2-го рода с неопределенными множителями;
применением для решения систем дифференциальных уравнений современных модификаций методов Рунге-Кутта, в которых предусмотрен контроль точности и устойчивости решений по всем параметрам колебательных процессов;
проведением вычислительных тестов;
- хорошим совпадением результатов теоретических и эксперимен
тальных исследований.
Апробация и публикация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены :
- на научно-методических семинарах кафедры "Сопротивление мате
риалов и строительная механика" РГОТУПС;
на городском научно-методическом семинаре преподавателей механики в г. Воронеже;
на межвузовских научно-методических конференциях "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта", проводимых в РГОТУПС (г. Москва) в 1999 - 2000 г.г.
По теме диссертации опубликовано 11 научных статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения с основными выводами, приложений. Она содержит 149 страниц машинописного текста, включая 4 таблицы, 39 рисунков, список литературы из 125 наименований.