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

На правах рукопна

РГо ОД

2 2 ДЕК ?о

Шебанов Алексей Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВИБРОПРИВОДА ЗАЧИСТНОЙ МАШИНЫ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск 2000

Работа выполнена на кафедре "Теоретическая механика и ТММ" Курского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор, Яцун С.Ф.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

профессор Нагаев Р.Ф., кандидат технических наук Гапонов Ю.А.

Ведущая организация: ОАО «Спецэлеватормельмаш»

Защита состоится « 19 » декабря 2000 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 064.50.01 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, г.Курск, ул.50 лет Октября, д.94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан « »_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Качественная обработка поверхностей деталей :ред нанесением декоративных и защитных покрытий является важным ловием полумения конкурентоспособных изделий, гарантией надежности и ютельности их эксплуатации.

Одним из эффективных путей сокращения ручного труда и повышения овня комплексной механизации при проведении зачистных работ является фокое внедрение механизированного инструмента, что позволит повысить оизводигельность труда в 4*10 раз.

Использование в качестве ручного механизированного инструмента гройств возвратно-поступательного действия с электромагнитным броприводом является перспективным и часто, единственно возможным эсобом решения данной задачи, кроме того такой тип инструмента является «более перспективным с экологической точки зрения и обладает высокой :пеньк> безопасности.

При изготовлении ручного механизированного инструмента малой и :дней мощности, широкое распространение, ввиду своей эффективности, 1учили разнообразные по конструкции однотактные вибраторы. Несмотря на »спективность данного направления в создании ручного механизированного ггрумента широкое внедрение его в производство сдерживается из-за утствия единой и эффективной методики его расчета и проектирования.

Задача создания методики анализа и расчета электромагнитных >роустройств является актуальным направлением в работах по разработке ей совершенствования ручного электрифицированного инструмента.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является ышение эффективности работы ручной электрифицированной зачистной пины за счет разработки уточненной методики расчета основанной на шексном анализе сложной электромеханической системы включающей в

себя электромагнитный вибровозбудитель, трансмиссию, рабочий орг технологическую нагрузку.

Для достижения данной цели в настоящей работе решаются следу! задачи:

1.Разработка расчетной схемы зачистной машины учитывш особенности конструкции и способ энергопреобразования в устройстве.

2.Разработка системы дифференциальных уравнений для ан электромагнитного поля вибровозбудителя и проведение числе! эксперимента с целью получения точных данных о распреды электромагнитного поля в магнитопроводе устройства

3.Разработка дифференциальных уравнений динамики виброгр учитывающих сложное взаимовлияние элементов электромеханич< системы.

4.Проведение экспериментальных исследований с целью исследга особенности динамики рассматриваемой конструкции привода в реал условиях эксплуатации и проверки адекватности разработа математической модели реальному устройству.

5.Разработка рекомендаций по совершенствованию данного устройств с целью улучшения их эксплуатационных характеристик и соз,л принципиально новой конструкции вибровозбудителя позволяющей улуч] его потребительские свойства

Направление исследований. В настоящей работе проводилось углубле исследование динамических процессов происходящих в слог электромеханической системе зачистной машины с учетом тес взаимодействия электромагнитной и механической подсистем устройсг целью уточнения параметров обеспечивающих устойчивый режим еб работ

Методы исследований. Результаты исследований полу» теоретическим и экспериментальным методами. При этом использова детерминированные методы нелинейных колебаний, электродинамиче потенциалов, численные метопы пешения пиАА«гн»штияш.ич* тя»ир

математические методы планирования эксперимента и методы статической обработки экспериментальных данных.

Достоверность и обоснованность. Достоверность полученных результатов подтверждается согласованностью теоретических и экспериментальных выводов, математической моделью созданной на основе теории электромагнитного поля и теории нелинейных колебаний, экспериментами в условиях лаборатории и испытаниями серийных образцов в реальных условиях эксплуатации.

На защиту выносятся:

- методы расчета ручного электрифицированного виброинструмента позволяющие выбрать основные параметры системы по технологическим критериям качества;

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

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

- принципиально новая конструкция зачистного устройства позволяющая снизить вибрации и повысить надежность его работы.

Научная новизна:

- разработана методика анализа электромагнитного поля, дающая точную картину распределения плотности магнитного потока, плотности тока и распределения линий магнитной индукции в магнитопроводе вибровозбудителя позволяющая учесть особенности конструкции реального устройства с целью получения данных для корректировки значения плотности магнитного потока в уравнениях динамики устройства и максимизации величины тягового усилия электромагнита;

- построена математическая модель зачистной машины учитывающая сложный характер взаимодействия электромагнитной и механической

подсистем устройства, позволяющая выявить область параметров системы обеспечивающую устойчивый режим её работы;

- установлены оптимальные значения параметров электромагнита, в частности: количество витков катушки электромагнита вибровозбудителя и диаметр провода, обеспечивающие длительный режим работы при максимальной технологической нагрузке;

- на основании динамического расчета предложено техническое решение о создании трансмиссии позволившей увеличить силу резания в два раза;

- разработана методика инженерного расчета зачистной машины и пакет прикладных программ в среде MathCAD 2000 и ANSYS 5.5.

Практическая полезность:

- предложена технология вибрационной очистки поверхностей деталей перед покраской и нанесением антикоррозионных покрытий и технические решения, реализованные в конструкции зачистной насадки "Мастер НЗА";

- разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции зачистной машины с целью повышения эксплуатационных характеристик;

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

Реализаиия результатов. Разработанная методика расчета параметров ручного механизированного инструмента с электромагнитным приводом может быть использована при создании механизированного виброинструмента выпускаемого на предприятиях промышленности и, в частности, в научно-производственном объединении "ВМТ".

Апообаиия работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на III Международной научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии" (г.Курск-1997г.), Втором Всероссийском семинаре "Моделирование неравновесных систем-99" ■г.Красноярск-1999г.) и Международном симпозиуме "Машины и механизмы

ударного, периодического и вибрационного действия" (г.0рел-2000г.).

Пубпикащи. Основные положения диссертации изложены в 5 публикациях. По результатам работы подготовлена заявка на изобретение.

Структура и объем диссертаиии. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложения. Текст диссертации изложен на 137 страницах, иллюстрирован 63 рисунками, 2 таблицами, библиографический список содержит 143 наименования, имеется приложение на I странице.

Автор выражает благодарность к.т.н., доценту Мищенко В,Я. за ценные замечания, высказанные при выполнении данной работы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, кратко изложено основное содержание работы и показана ее практическая ценность.

В первой главе дается анализ состояния проблемы и рассмотрены различные методы отделочно-зачистной обработки деталей перед нанесением лакокрасочного и антикоррозионного покрытий. Показана перспективность применения с этой целью ручного механизированного инструмента. Проведена :истематизация существующего инструмента Отмечено, что вопрос выбора гипа механизированного инструмента в каждом конкретном случае должен >ассматриваться отдельно.

Отмечено, что большой вклад в разработку и исследование лектромеханических машин внесли П.М. Алабужев, Е.В. Александров, О.Д. Климов, И.М. Батуев, А.К. Зуев, А.И. Москвитин, H.H. Никишин, Н.П. 'яшенцев, Б.В. Суднишников, К.Н. Шмаргунов, Г.И. Штурман, A.C. Япольский ; другие ученые.

Проведенный обзор и анализ конструкций показал, что инструмент с вигателем возвратно-поступательного действия является наиболее j

предпочтительным видом механизированного инструмента ввиду возможнс передачи движения непосредственно на рабочий орган без дополнитель: передаточных механизмов. Такой инструмент является наиболее надежны недорогим ввиду наличия меньшего количества деталей, прост конструкции, возможности одноосного приложения возмущающей сшп более полного подавления вибраций.

Обзор литературных источников по инструменту с двигател возвратно-поступательного действия показывает отсутствие машин подоб} типа для проведения зачистки поверхностей деталей от загрязнений помощи лезвийного слесарного инструмента.

Показано, что применение этого инструмента лишено мне недостатков свойственных другим способам зачистной обработки, таких наличие высокого пылеобразования, высокого уровня шума и вибраций проведении работ, он удобен и безопасен в применении, позволяет произвол обработку в труднодоступных местах. Благодаря особенностям коиструк: процесс обработки легко контролировать. Совпадение рабочего возврэт поступательного движения инструмента и движения подачи позвол регулировать силу прижима инструмента к поверхности детали, что повыш точность обработки и улучшает параметры шероховатости обрабатывай поверхности.

Отмечено, что теория и методы расчета электромагнитного прив возвратно-поступательного движения по различным причинам не получ: широкого развития.

Показано, что процесс оптимизации и синтеза электромеханичес устройств неотделим от процесса оптимизации и синтеза их магнитной чаш связи с этим при анализе такого типа устройств целесообразно проводить только их динамический расчет, но и исследование закономерное распределения электромагнитного поля в магнитопроводе устройства.

Существует ряд методов исследования электромагнитного поля, кото]

для уточненного расчета и анализа электромагнитной подсистемы рассматриваемого устройства является обоснованным использование эффективных численных методов расчета, таких как метод конечных разностей и метод конечных элементов.

На основании выполненного анализа сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе предложена расчетная схема низкочастотной электровибрационной зачистной машины. Подробно изложена методика математического моделирования динамических процессов происходящих в ней.

Учитывая особенности энергопреобразования в данном устройстве при построении расчетной схемы и создании математической модели, использовался метод, согласно которого, сложная электромеханическая система рассматривалась как совокупность механической и электромагнитной подсистем. Это позволило провести моделирование процессов происходящих в механической подсистеме на макроуровне, а анализ электромагнитной части проводить на более точном микроуровне.

Схематично устройство зачистной машины предлагаемой конструкции можно представить в следующем виде:

1 - электромагнит; 2 - качающийся якорь; 3 - толкатель; 4 - передающие движение звенья механизма; 5 - возвратная пружина; 6 - рабочий узел

В работе для преобразования дифференциальных уравн электромагнитного поля использовался метод электродинамиче потенциалов согласно которого уравнения решались относительно вектор магнитного потенциала.

Теоретический анализ динамики устройства возможен только исследовании уравнений движения всей электромеханической систем целом, поэтому для анализа механической подсистемы устро! использовались уравнения механических колебаний и баланса магни-напряжений.

Рис.2. Расчетная схема для динамического расчета зачистной машины

Для решения задачи была составлена система дифференциал! уравнений в следующем виде:

к Фг

где д: - перемещение якоря вибровозбудителя; т„ - приведенная масса;

с - коэффициент диссипативного сопротивления в трансмиссии;

Ф - величина магнитного потока;

кк - корректирующий коэффициент;

fi0 - магнитная проницаемость воздуха;

5 - сечение магнитного потока;

Fp - технологическая нагрузка;

Un - амплитудное значение питающего напряжения;

w - число витков провода;

г - активное сопротивление обмотки;

со - круговая частота.

Особенностью данных уравнений является учет изменения технологической нагрузки в зависимости от направления движения рабочего органа (Fp) и изменения приведенной массы в зависимости от положения инструмента (т„).

Приведенная масса в уравнениях (1) определяется из кинематического анализа трансмиссии устройства (рис.3).

Рис.3. Кинематическая схема трансмиссии зачистной машины

В третьей главе приведены результаты расчета электромагнитной и механической подсистем установки. В итоге были получены уточненные данные по распределению плотности тока и плотности магнитного потока в различных областях магннтпппппппя тлКпгштйчши,«». .. -------

♦ У

распределения линий магнитной индукции в зависимости от положения электромагнита 1г (рис.4).

V Л

О X

Рис.4. Распределение линий магнитной индукции в магнитопроводе вибропривода

Расчет динамических параметров вибропривода произв< эффективным методом Рунге-Кутга. Получены временные завис! основных динамических характеристик вибропривода: ускорения, скор( перемещения задающего движение узла устройства - якоря электром (рис.5).

Расчет электромагнитного поля и динамических пара; вибропривода проводился с использованием современных програ; продуктов MathCAD 2000 и ANSYS S.S.

Разработанная программа позволила произвести моделир! процессов происходящих в зачистном устройстве, исследовать дш

Рис.5. Относительное расположение кривых динамических (5, V, а),

и электрических (I/) параметров установки при работе без нагрузки: 1 - кривая виброперемещения, 2 - виброскорости, 3 - виброускорения, 4 - синусоида напряжения

элементов трансмиссии.

Установлено, что:

1. Характер движения якоря электромагнита вибровозбудип существенно зависит от упруго-вязких свойств элементов трансмисс рабочего воздушного зазора и приведенной массы привода.

2. Фазовый портрет колебаний при установившемся режиме рабе представляет собой замкнутую симметричную относительно оси ОХ крив; характеризующую нелинейные свойства системы.

3. При соударении якоря электромагнита с упруго-вязю ограничителями всплески амплитуд кривой виброускорения свидетельствую возникающих при соударении усилиях, что предъявляет к ограничите; особые требования по их механической прочности.

4. Кривые динамических, магнитных и электрических парамег установки имеют сдвиг по фазе у, С,;

динамических характеристик привода зачистной машины, исследо динамику виброударных режимов ей работы в зависимости от варьируе параметров устройства.

В четвертой главе приводятся результаты эксперименталь исследований. Здесь подробно описывается экспериментальная установи методика испытаний, приводятся результаты исследования динам рассматриваемой модели зачистного устройства при различных режн эксплуатации. Полученные данные представлены в виде граф! динамических параметров устройства (рис.6). Дается анализ получен! результатов.

Для решения поставленной задачи была спроектирована и изготовь экспериментальная установка позволяющая измерить диагностичес параметры вибрации рабочего органа зачистной машины.

Основным параметром, характеризующим рассматриваемое годе] является производительность, которая в свою очередь зависит от велич» хода, импульса силы и кинетической энергии исполнительного органа. ! указывает на то, что измеряемыми в процессе эксперимента величин! должны быть параметры линейной вибрации: перемещение, скорость ускорение.

Данная установка состояла из осциллографа С8-/3, виброизмерительн прибора ПИ-19, пьезоэлектрического виброизмерительного преобразоват Д14 и непосредственно самой зачистной машины.

Технические характеристики используемых в эксперименте приборо состоянии обеспечить достоверность проводимых испытаний вибродиагностики изучаемого объекта, соответствуют требован! технических условий на изучаемый объект и условиям его эксплуатации. Выбор метода вибродиагностики обусловлен структурным, функциональны! вибрационным состоянием объекта. Геометрия установки, взаимосвязь мех ее составными частями, периодический характер происходящих в устано процессов является адекватным избранному методу исследования.

5, м-1(Н

/ /

/ V /

г N { Ч N к/

О 4 8 12 16 20 24 28 32 36 1,с !0

Рис.6. Осциллограммы динамических параметров якоря зачистной машины для режима работы без технологической нагрузки/= 100 Гц

Эксперимент показал:

1. Устойчивый периодический характер работы устройства с периодо! 74),01 с.

О Яяпнипр «тпиима о

электромагнита и рабочего органа инструмента ввиду сложного хараю взаимодействия инструмента с поверхностью обрабатываемой детали.

3. Различие величины динамических параметров якоря электромагнит рабочего органа инструмента ввиду особенностей устройства трансмис зачистной машины.

4, Анализ характера полученных в эксперименте кривых динамичеа параметров устройства подтверждает справедливость реализованного в даш работе подхода к созданию расчетной схемы, математической мод< установки и алгоритма решения задачи.

В пятой главе приводиться описание конструкции зачистной машиш которой использованы результаты данных исследований.

Разработана конструкция ручного электрифицированного инструме! ударно-вибрационного действия с электромагнитным виброприводом кото; дает возможность решить задачу механизации трудоемких зачистных раб Данный инструмент имеет главное возвратно-поступательное движем рабочего органа от электромагнитного вибровозбудителя и движение пода1 осуществляемое за счет ручного перемещения инструмента вдс обрабатываемой поверхности. Практически эта разработка была реализован; создании зачистной насадки "Мастер ЯЗЛ ".

Зачистная насадка предназначена для эффективной очистки слесарт способом поверхности из металла и других материалов от стар! лакокрасочных покрытий, коррозии и других загрязнений перед покраской к нанесением антикоррозионного покрытия.

В промышленности уже известны модели ручного электромеханическо инструмента предназначенного для механизации трудоемких работ 1 шабрению поверхностей (электрошаберы моделей Э-5302, КН-12 и др.). Но этих моделях для преобразования вращательного движения электродвигателя возвратно-поступательное движение инструмента используется специальнь механизм. Данный же инструменгг впервые реализует в своей конструкт принцип непосредственного преобразования электрической энергии

кинетическую энергию движения рабочего органа без дополнительны* передаточных звеньев, где в качестве привода используется электромагнит с качающимся якорем.

Зачистная насадка «Мастер НЗА» является приставкой к базовом) агрегату - краскораспылителю «Мастер КР-260». Она входит в набор насадок для комплексного проведения работ по подготовке поверхностей к окраске, подготовке лакокрасочных материалов и нанесению декоративных н антикоррозионных покрытий на детали машин.

Насадка зачистная представляет собой отдельно поставляемый узел состоящий из пластмассового корпуса с размещенным в нем механизмом преобразования и передачи движения на рабочий орган инструмента (рис.7).

Рис.7. Электровибрационная зачистная машинка «Мастер НЗА»: 1 - корпус элекгровибрационного устройства; 2 - насадка зачистная; 3 - узел крепления насадки; 4 - электрический кабель; 5 -толкатель; 6 - рабочий орган (шабер)

Принцип действия машины при обработке поверхности основан на механическом воздействии инструмента (шабера) на поверхность обрабатываемой детали.

единое целое с линейным электромагнитным двигателем возвра поступательного движения, зачистной насадки 2, узла крепления насад* корпусу электровибрационного устройства 3 и подводящего электричеа кабеля 4.

В настоящем устройстве осуществляется жесткая кинематическая а между приводным механизмом и рабочим органом, в результате « траектории всех точек обрабатываемой поверхности рабочего ор1 одинаковы, что существенно улучшает качество обрабатываемой поверхно» Кроме того, предложенная кинематическая схема передачи усилия на рабо орган позволяет в несколько раз увеличить усилие на инструмент и тем сал достичь высокой эффективности процесса обработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных исследований и обобщений в диссерта получены следующие научные и практические результаты:

1.Выявлено перспективное направление в создании ручш электрифицированного инструмента на базе привода обеспечивающ< непосредственное преобразование электрической энергии в кинетическ энергию рабочего органа для проведения работ по очистке поверхност деталей перед нанесением качественного лакокрасочного и антикоррозионно покрытий.

2.Дано теоретическое обоснование вибрационной технологии очист поверхностей деталей перед нанесением лакокрасочного и антикоррозионю покрытий и предложены технические решения по созданию ручно электрифицированного виброинструмента возвратно-поступательного действ с электромагнитным приводом для проведения зачисгных работ.

3 .Создана математическая модель установки и разработан алгорип решения дифференциальных уравнений для комплексного анализа сложи« электромеханической системы, включающей в себя электромагнита!

ювозбудитель, трансмиссию, рабочий орган и технологическую нагрузку.

4.Проведен динамический анализ системы с использованием раммных продуктов МмИСАВ 2000 и ЛЫБУБ 5.5, выявлено существенное [ние ряда параметров, в частности жесткости упругих связей, на закон кения рабочего органа и установлены значения основных параметров емы обеспечивающих устойчивый режим работы.

5.Разработана методика экспериментальных исследований динамического ¡есса в приводе и трансмиссии позволившая получить на основе натурных .1таний действительную картину происходящих в системе динамических дессов при различных режимах работы устройства.

6.Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей (ещения, скорости и ускорения позволили сделать вывод об адекватности матической модели реальному устройству, что позволило осуществить ег основных параметров системы в т.ч. числа витков обмотки, диаметр юда и других, обеспечивающих оптимальную работу устройства по ологичеким критериям качества.

7. Предложены технические решения, улучшающие эксплуатационные ктеристики работы устройства, выразившиеся в создании трансмиссии печивающей увеличение силы резания в два раза по сравнению с громагнитной силой привода.

8. Разработана оригинальная конструкция зачистной машины печивающая высокопроизводительный режим очистки поверхностей пей при низком уровне вибраций и высокой надежности работы румента. По результатам разрабтки подана заявка на изобретение.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих икациях:

1 .Шебанов А.Н. Моделирование электродинамических процессов в громагнитных вибровозбудителях.// Вибрационные машины и технологии: >ник докладов Ш Международной научно-технической конференции. -:к, 1997. -с.55-61.

2.Яцун С.Ф., Локтионова 0.1'., Шебанов А.Н. Математиче моделирование нестационарного электромагнитного поля.//Моделиров неравновесных систем - 99: Сборник докладов Второго Всероссийс семинара. - Красноярск, 1999. -С. 135-136.

3.Яцун С.Ф., Локтионова О.Г., Шебанов А.Н. Исследование дина!\ вибропривода зачистной машины.//Машины и механизмы ударь периодического и вибрационного действия - 2000: Сборник докл Международного симпозиума. - Орел, 2000. - С.76-80.

4.Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Шебанов А.Н. Экспериментал исследование механизма зачистной машины./Мзвестия Курс государственного технического университета. №5 - Курск, 2000. - С.44-53.

5.Яцун С.Ф., Мищенко В.Я., Шебанов А.Н. Машина зачистная. Заявк полезную модель №2000125/80 от 5.10.2000.

6.Яцун С.Ф., Сафаров Д.И., Шебанов А.Н. Расчет парше электромагнитного поля вибропривода зачистной машины.//Материал! упрочняющие технологии: Сб. научных трудов,- Курск, 2000. - С.34-40.