Исследование динамики и разработка методов расчета вибропривода зачистной машины тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Введение.

1. Изучение состояния вопроса.

1.1 .Анализ и классификация механизированного инструмента используемого для зачистных операций.

1.2.Технология обработки поверхностей зачистными устройствами.

1.3. Анализ методов расчета электромагнитных виброприводов.

1.4. Цели и задачи исследования.

2. Математическая модель вибрационной зачистной машины.

2.1.Основные принципы построения расчетной модели.

2.2. Разработка алгоритма интегрирования дифференциальных уравнений описывающих электромагнитное поле в виброприводе рассматриваемой конструкции зачистной машины.

2.3.Дифференциальные уравнения движения элементов зачистной машины.

2.4.Выводы по главе.

3. Расчет параметров вибропривода зачистной машины.

3.1 .Обоснование подхода к решению поставленной задачи.

3.2.Расчет параметров электромаг нитного поля привода зачистной машины.

3.3.Численный анализ динамики вибропривода.

3.4.Выводы по главе.

4. Экспериментальное исследование динамики электромагнитного привода.

4.1.Разработка экспериментальной установки.

4.2.Методика проведения экспериментов.

4.3.Результаты эксперимента и их анализ.

4.4.Выводы по главе.

5. Практическая реализация полученных результатов.

5.1.Описание конструкции электропривода технического устройства.

5.2.Описание конструкции зачистной машины с симметричными магнитопр оводами.

5.3 Выводы по главе.

В современном машиностроении используются различные по конструкции и принципу действия машины и механизмы. Наибольшее распространение получили машины с приводом от электродвигателей вращательного действия. Этот тип привода исследован достаточно хорошо.

Практически ни осталось, ни одного аспекта этой проблемы, которой не был бы описан в технической и научной литературе. Вопросы оптимизации этого типа приводов в основном решены.

Как известно, основным недостатком этого типа привода является наличие между двигателем и рабочим органом механических, гидравлических и пневматических преобразователей движения. А они не только удорожают и усложняют конструкцию машины, но нередко, являются непреодолимым препятствием на пути повышения эффективности и надежности машины и не позволяют внедрять новые, более прогрессивные способы воздействия инструмента на обрабатываемый объект. Это объясняется использованием традиционной кинематической схемы, при которой вращательное движение привода преобразуется в тот вид движения, который обусловлен назначением рассматриваемой машины. Устранение указанного противоречия возможно путем применения принципиально иных видов приводов.

Как показывает практика, к таким приводам можно отнести уже хорошо известный в промышленности электромагнитный вибропривод. Согласованное движение в нем привода и рабочего органа упрощает кинематическую цепь, уменьшат массу, габариты, энергопотребление; повышает надежность, безопасность и долговечность за счет исключения преобразовательных механизмов и простоты осуществления заданных законов движения рабочих органов.

Машины и механизмы с электромагнитным виброприводом просты по конструкции, однако процессы, происходящие в них, сложны. Поэтому, как показывает отечественный и зарубежный опыт, исследователи, поставившие перед собой задачу использования в машинах и механизмах электромагнитного вибропривода, столкнулись с трудностями расчетного, конструкторского и исследовательского характера. Это связано с тем, что в электромагнитных виброприводах наблюдается глубокая взаимосвязь между электромагнитной и механической подсистемами. В связи с этим, к таким машинам неприменимы ранее созданные методы их раздельного расчета и проектирования, а методы их комплексного синтеза, конструирования и исследования в настоящее время недостаточно еще отработаны.

Несовершенство методов синтеза и исследования механизмов и машин с электромагнитным приводом возвратно-поступательного движения привело к тому, что они имеют низкий коэффициент полезного действия. Это является главной причиной, тормозящей создание и широкое применение этого типа привода.

Все это в равной мере относиться и к электромагнитному виброприводу зачистной машины исследованию которого и посвящена данная диссертация.

Целью настоящей работы является повышение эффективности работы ручной электрифицированной зачистной машины за счет разработки уточненной методики расчета основанной на комплексном анализе сложной электромеханической системы включающей в себя электромагнитный вибровозбудитель, трансмиссию, рабочий орган и технологическую нагрузку.

Для достижения данной цели в настоящей работе решаются следующие задачи:

- разработка расчетной схемы зачистной машины учитывающей особенности конструкции и способ энергопреобразования в устройстве;

- разработка системы дифференциальных уравнений для анализа электромагнитного поля вибровозбудителя и проведение численного эксперимента с целью получения точных данных о распределении электромагнитного поля в магнигопроводе устройства;

- разработка дифференциальных уравнений динамики вибропривода учитывающих сложное взаимовлияние элементов электромеханической системы;

- проведение экспериментальных исследований с целью исследования особенности динамики рассматриваемой конструкции привода в реальных условиях эксплуатации и проверки адекватности разработанной математической модели реальному устройству;

- разработка рекомендаций по совершенствованию данного устройства с целью улучшения его эксплуатационных характеристик и создание принципиально новой схемы магнитопровода вибровозбудителя позволяющей улучшить его потребительские свойства.

Научное содержание диссертации составляет теоретическое обоснование технических решений использованных при создании рассматриваемой конструкции зачистной машины посредством разработки уточненной методики расчета сложной электромеханической системы рассматриваемого вибропривода, включающей в себя электромагнитный вибровозбудитель, трансмиссию, рабочий орган и технологическую нагрузку.

Практическая реализация данной работы нашла отражение в выработке рекомендации по совершенствованию конструкции электромагнитного виброустройства с целью повышения его эксплуатационных характеристик и разработке принципиально новой конструкции зачистной машины позволяющей снизить вибрации инструмента и повысить надежность его работы.

В первой главе приведен анализ литературных источников посвященных современным способам механизированной отделочно-зачисгной обработки поверхностей деталей от загрязнений, рассмотрены особенности технологии обработки зачистными устройствами, проведена классификация известных устройств возвратно-поступательного действия и рассмотрены различные варианты конструкций низкочастотных машин с непосредственным преобразованием электрической энергии в механическую. Рассмотрены существующие методики расчета электромагнитных виброустройств. Сделан вывод о перспективности применения для механизации операций зачистки устройств возвратно-поступательного действия с электромагнитным приводом и использование для их анализа эффективных численных методов.

Во второй главе, предложена расчетная схема низкочастотной электровибрационной зачистной машины. Подробно изложена методика точного математического моделирования магнитной подсистемы зачистной машины. Расчет электромагнитных параметров проводился с использованием дифференциальных уравнений Максвелла записанных совместно с соответствующими граничными и краевыми условиями относительно векторного магнитного потенциала. Разработан алгоритм их интегрирования с использованием современных численных методов.

Разработана математическая модель динамики вибропривода основанная на теории нелинейных колебаний электромеханической системы с учетом конструктивных особенностей и особенностей работы зачистной машины.

В третьей главе приведены результаты расчета электромагнитной и механической подсистем установки. В результате были получены уточненные данные по распределению плотности тока и плотности магнитного потока в различных областях магнитопровода вибровозбудителя и характере распределения линий магнитной индукции при различной величине воздушного зазора и положении якоря электромагнита.

Расчет динамических параметров вибропривода производился эффективным методом Рунге-Кутта. Получены временные зависимости основных динамических характеристик вибропривода: ускорения, скорости и перемещения задающего движение узла - якоря электромагнита.

При расчете электромагнитного поля и динамических параметров вибропривода использовались современные программные продукты MathCAD 2000 м. ANSYS 5.5.

В четвертой главе приводиться описание экспериментальной установки, описана методика испытаний и приведены результаты исследования динамики рассматриваемой модели зачистного устройства при различных режимах эксплуатации. Полученные данные приводиться в виде графиков виброперемещения, виброскорости и виброускорения. Приведен анализ полученных результатов.

В пятой главе приводиться описание конструкции зачистного устройства возвратно-поступательного действия с электромагнитным приводом разработанного на основании полученных в данной работе результатов. Приводиться оригинальная конструкция зачистной машины в которой реализовано техническое решение позволяющее снизить вибрации и повысить надежность его работы.

К новым научным и практическим результатам, полученным в данной работе, относятся:

- более совершенная математическая модель и методика анализа работы рассматриваемой модели зачистной машины учитывающая сложный характер взаимодействия электромагнитной и механической подсистем установки, особенности трансмиссии и влияние технологической нагрузки;

- значения параметров электромеханической системы обеспечивающие устойчивый режим работы устройства;

- рекомендации по совершенствованию конструкции данного устройства с целью повышения его эксплуатационных характеристик:

- принципиально новая конструкция зачистной машины позволяющая значительно снизить вибрации устройства и повысить надежность его работы.

Положения выносимые на защиту:

- методы расчета зачистной машины позволяющие определить основные параметры системы по технологическим критериям качества;

- результаты исследования динамики привода зачистной машины полученные в результате численного расчета и эксперимента и их анализ;

- разработанные на основе проведенного анализа рекомендации по совершенствованию конструкции данного устройства с целью повышения экс плутацио иных характеристик его работы;

- принципиально новая конструкция зачистного устройства

5.3.Выводы по главе:

1.Предложена модель принципиально нового ручного электрифицированного инструмента возвратно-поступательного действия с электромагнитным приводом призванного удовлетворить спрос на такой вид механизированного инструмента для слесарной зачистки поверхностей перед нанесением качественного лакокрасочного и антикоррозионного покрытий.

2.Предложенная конструкция инструмента является приспособлением к существующему базовому агрегату - краскораспылителю «Мастер КР-260» которая позволит увеличить коэффициент его использования и потребительские свойства.

3.Параметры зачистной машины предмету изучения которой посвящена диссертация получены на основании методики разработанной в гл. 2 и гл.З настоящей работы.

4.По результатам исследований выполненных в гл.2 и гл.З настоящей работы подготовлена заявка на изобретение в которой предложена оригинальная конструкция зачистной машины с симметричными магнитопроводами позволяющая снизить вибрации в инструменте и повысить надежность его работы.