Влияние жесткости тяг на закон движения желоба инерционного конвейера тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Дьяконова Вера Яковлевеа

ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ ТЯГ НА ЗАКОН ДВИЖЕНИЯ ЖЕЛОБА ИНЕРЦИАЛЬНОГО КОНВЕЙЕРА

01.02.06 - динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2004

Работа выполнена в Государственном университете цветных металлов и золота (г. Красноярск) и Новосибирском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Смелягин А. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Москвичев В. В.

кандидат технических наук,

доцент Мерко М. А.

Ведущая организация: ОАО «Красноярский завод лесного

машиностроения"

Защита состоится 2004 года в Ж. часов в аудитории

Г 2-24 на заседании диссертационного совета Д 212.098.01 в Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. академика Киренского, 26 тел.: 8(3912) 49-79-90, 49-76-19, факс: 8(3912) 49-79-90, 43-06-32

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, с подписью составителя и заверенный печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан « 77 года

Ученый секретарь

доктор технических наук, п р о ф П . Н. Сильченко

(

гсо^-ч 1121-Ч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В стоимости любого изделия значительную часть затрат составляют транспортные расходы, особенно когда транспортируются высокоабразивные насыпные грузы. К таким грузам относится металлическая стружка, составляющая 20—30 % массы обрабатываемых деталей. Транспортировка стружки возможна любым видом непрерывного транспорта, но применение инерционных конвейеров обеспечивает значительную экономию капитальных затрат и эксплуатационных расходов.* По коэффициенту расхода энергии на 1 т. груза в час на расстояние 1 м. инерционный конвейер экономичнее в 3 раза, а по коэффициенту веса в 2,5 раза по сравнению с винтовыми.

Существующие методы расчета инерционных конвейеров не позволяют проектировщикам производить анализ и синтез конструкторских решений в следствие того, что при получении аналитического выражения колебательного закона движения конвейера и других динамических характеристик не учитывается жесткость звеньев, что оказывает значительное влияние на точность получаемых результатов. Учитывая, что желоб инерционного конвейера колеблется со значительной амплитудой (10... 150 мм) и малой частотой (40...400 мин"1), ресурс инерционного конвейера по сравнению с вибрационным и другими выше в 2...3 раза и составляет 12000 часов и более. Но при транспортировании различных грузов в расчетах необходимо учитывать не только конструктивные особенности конвейера и его элементов, а также их динамические характеристики. Это позволит сделать рекомендации по выбору конструктивного решения и оценить жесткостные характеристики элементов, определяющих колебательное движение желоба конвейера, обеспечивающего эффективное перемещение груза (стружки) в нем.

Целью настоящей работы является: Разработка конструктивно-динамических схем инерционных конвейеров с получением динамических и кинематических характеристик привода с тягами переменной жесткости.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1. Разработать новые и эффективные конструктивно-динамические схемы инерционных конвейеров.

2. Разработать конструктивно-динамическую схему привода инерционного конвейера с тягами переменной жесткости.

3. Получить дифференциальное уравнение движения инерционного конвейера с тягой переменной жесткости.

4. Произвести анализ закона движения, а также свободных и вынужденных колебаний желоба конвейера в зависимости от жесткости тяги.

5. Произвести экспериментальные исследования динамики инерционного конвейера с тягой переменной жесткости.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Разработаны новые конструктивно-динамические схемы инерционных конвейеров (а.с. 994364; 1065311; 1154169; 1207920; 1283185; 1276586; 1305086; 1351848; 1350084; 1390137; 1459982;1461700; 1541154; 1634607;1645215; 1787883), позволяющие в зависимости от заданных динамических параметров обеспечить

Расчет экономической эффективности внедрения в ВНИИПТМАШ, 1988,127 с.

IX конвейеров. НИ-2307.

необходимые законы движения вариацией конструктивных и жесткостных характеристик звеньев.

2. Разработана конструктивно-динамическая схема привода инерционного конвейера, состоящая из группы звеньев, одно из которых является тягой с переменной жесткостью, что обеспечивает эффективное перемещение груза.

3. Получено и решено дифференциальное уравнение движения инерционного конвейера с тягой переменной жесткости, позволяющее произвести анализ законов движения, а также фазовых характеристик желоба для эффективной транспортировки груза.

4. Выполнен анализ свободных и вынужденных колебаний желоба инерционного конвейера с тягой переменной жесткости, что позволило установить закономерности изменения жесткости по длине тяги в зависимости от необходимой кинематики движения груза.

5. Выполнены экспериментальные исследования, подтвердившие актуальность принятых теоретических выводов и решений. Установлены значения скоростей грузов для конкретного инерционного конвейера, обеспечивающие эффективность перемещений при использовании тяг переменной и постоянной жесткостей.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны конструктивно-динамические схемы инерционных конвейеров и методология расчета их динамических параметров в зависимости от физико-механических свойств транспортируемых грузов.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием современных методов решения динамических задач и удовлетворительной сходимостью экспериментальных и теоретических результатов.

Личный вклад автора заключается в разработке конструктивно-динамических схем, методологии построения математических моделей и алгоритмов решения. В совместных публикациях более 80 % полученных результатов принадлежат автору. По теме диссертации опубликовано 27 работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на всесоюзной научной конференции «Безотходные технологии» (г.Челябинск, 1987); международной научно-технической конференции «Безотходные технологии» (г. Омск, 1995); научно-технической конференции «Современные проблемы горно-металлургического производства» (г. Красноярск, 1994); на семинарах по ТММ в Новосибирском электротехническом институте (г. Новосибирск, 1988-1991) и семинарах на ОАО «Сибтяжмаш» (г. Красноярск, 1987-1991), а также региональных научно-технических конференциях (г.Красноярск, 1988, 1993гг.); научно-практической конференции «Конвейерные системы и автоматизированные транспортно-складские комплексы» (г. Санкт-Петербург, 1991); 15 межрегиональной научно-технической конференции (г. Красноярск, 1997); на Всероссийских научно-технических конференциях «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика» (1998,2004).

Модель инерционного конвейера с упругой тягой в 1989 г. была представлена на ВДНХ. Получена серебряная медаль.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка используемых литературных источников 105 наименований, изложена на 103 фрацицах включающих 61 рисунок и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность проблемы, поставлена цель и определены задачи исследования. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приведено краткое изложение основного содержания работы.

Первый раздел посвящен анализу объектов исследования и современному состоянию решения задач расчета динамических явлений в вибрационных и инерционных конвейерах при транспортировке различных грузов.

Впервые инерционные конвейеры в виде качающихся желобов были применены в конце 19-ого века для грохочения грузов. Затем в горнорудной промышленности стали использовать качающиеся конвейеры. В настоящее время инерционные конвейеры успешно используются вместо винтовых, скребковых и др. машин непрерывного транспорта.

В большинстве публикаций (Козьмин П. С, Бауман В. А., Быховский И. И., Гулбе А. К., Лавендел Э. Э., Зенков Р. Л., Ивашков И. И., Колобов Л. М., Иванченко Ф. К., Бондарев В. С.) используются различные методы определения скростей, ускорений и законов движения груза и желоба конвейера, которые не учитывает динамические явления, возникающие при эксплуатации этого класса машин непрерывного транспорта.

В работах (Вайнберг Д. В., Писаренко Г. С, ВейцВ. Л., КоловскийМ. 3., КочураА. Е.) приведены примеры прикладных задач динамики, когда элементы конструкций рассматриваются как прямолинейные стержни. При изложении методов теории колебаний (Блехман И. И., Пановко Я. Г., Бессер Я. Р., Артоболевский И. И., Бессонов А. П., Шляхтин А. В., Пальмов В. А., Лавендел Э. Э., Блехман И. И., Джанелидзе Г. Ю., Гончаревич И. Ф., Комаров М. С), которые сопровождаются примерами их применения к анализу ряда прикладных задач, где вибрационное перемещение рассмотрено с точки зрения принципа работы вибротранспортных устройств.

Однако, в большинстве публикаций (Спиваковский И. И., Дьячков В. К., Гончаревич И. Ф., Тимошенко С. П., Черновенко А. Г., Борохович Д. Е.) приводится методика расчета, основанная на публикациях 20...30 годов прошлого столетия, которая не учитывает жесткость звеньев.

Принципиальная разница в процессе транспортирования грузов на инерционных и вибрационных конвейерах заключается в характере движения груза. На инерционном конвейере груз скользит по желобу под действием силы инерции (вертикальная составляющая ускорения желоба меньше ускорения силы тяжести); на вибрационном конвейере груз в той или иной степени отрывается от желоба («подскакивает») и движется микробросками (вертикальная составляющая ускорения желоба больше ускорения силы тяжести).

Если желоб совершает гармонические колебания, то траектория движения частицы груза в вертикальной плоскости будет совпадать с движением плоскости (рис. 1). Движение частицы груза будет состоять из нескольких этапов, выполняемых в различные промежутки времени одного периода колебаний плоскости. Некоторое время // частица груза движется вместе с желобом, затем, по мере увеличения фазового угла, груз отрывается от колеблющейся плоскости

и совершает свободный полет (микробросок) в промежутке времени = — й; затем он опять падает на плоскость конвейера и движется совместно с ней в промежутке времени tз — После этого цикл движения груза повторяется.

Рисунок 1 — Диаграмма движения частицы груза на вибрационном конвейере при различных коэффициентах режима его работы

Задача обеспечения наиболее эффективного движения частиц груза на вибрационном конвейере состоит в том, чтобы выбрать время t2 (время встречи груза с желобом) таким, чтобы груз упал на желоб в момент его переднего хода и движение груза совместно с желобом было бы минимально необходимым для подготовки следующего полета без скольжения, перемешивания, обратного движения и тому подобных ненормальностей, препятствующих рациональному движению частиц груза. С точки зрения оптимального перемещения груза наиболее рациональными (идеальными) режимами работы конвейера следует признать такие, при которых движение частиц груза происходит при непрерывном подбрасывании и время их микрополета равно или кратно целому периоду колебания конвейера то есть:

где p — любое целое число.

Исследованиями Н. Р. Малкина, PL И. Блехмана и Вемейера установлено, что движение с непрерывным подбрасыванием частиц груза будет происходить при определенных условиях, то есть p = 1, когда время микрополета (броска) t„ частицы груза равно одному полному периоду колебания конвейера и при р — 2, когда tn = 2Т, имеем (рис. 1) и т. д.

Исследования показали, что при имеются определенные зоны снижения скорости перемещения груза, то есть не происходит пропорционального ее увеличения и конвейер работает со значительными ускорениями (например, большими обусловливающими большие динамические нагрузки

на привод, подшипники и другие элементы конвейера.

Как видим, закономерности движения груза зависят от амплитуды и частоты колебаний желоба конвейера. Желоб вибрационного конвейера колеблется с малой амплитудой я = 0,5...15 мм и большой частотой /=400...3000 мин*1. Желоб инерционного конвейера колеблется со значительной амплитудой а = 10... 150 мм и малой частотой колебания /= 40. ..400 мин"1. Вибрационные конвейеры имеют

ресурс до первого капитального ремонта по упругим связям и приводу 8000 ч, а уровень шума не превышает 85 д БА. У инерционных конвейеров ресурс составляет 12000 ч и более.

Согласно исследованиям, проведенным В. К. Дьячковым режим работы с подбрасыванием частиц материала не пригоден для тяжелой стружки и тем более с максимальной загрузкой желоба конвейера.

Простота и малогабаритность конструкции, отсутствие трущихся частей в элементах машины, удобство загрузки и разгрузки, совмещение транспортирования с технологическими операциями предопределили широкое применение инерционных конвейеров. Следует, также отметить их относительно небольшую энергоемкость (на 1 м длины желоба при производительности 1 т/ч затрачивается мощность 0,004... 0,0011 кВт) и возможность создания уравновешенных машин, не передающих динамических нагрузок на фундамент.

Опыт эксплуатации этих конвейеров на ОАО «Сибтяжмаш» показал, что капитальные затраты на их изготовление на 30...35% ниже, чем для изготовления скребковых с такой же производительностью. Эксплуатационные расходы при общей длине конвейеров около 2000 м на 25 % меньше, чем у штанговых. Срок службы конвейеров по данным практики составляет 8..10 лет. Технико-экономический анализ показал, что инерционные конвейеры с постоянным давлением на дно желоба конкурентоспособны с пластинчатыми при больших длинах транспортирования.

На рисунке 2 показан разработанный автором инерционный конвейер [1], установленный на ОАО «Сибтяжмаш» на линии по обработке букс колес.

Рисунок 2 - Инерционный конвейер

1 — желоб; 2 — ролики; 3 — электродвигатель; 4—муфта;

5 - редуктор; 6 - шатун; 7 - коромысло; 8 - тяга

Преимущество этого конвейера по сравнению с другими конструкциями заключается в том, что привод желоба обеспечивает необходимую жесткую выходную характеристику, а конструкция тяги позволяет изменять ее жесткость в зависимости от массы транспортируемого материала. Эта конструкция признана наиболее надежной и компактной. Она существенно упрощает задачу анализа и исследования всей динамической системы.

Диаграмма пути желоба и материала за несколько ходов показана на рисунке 3.

Проведя исследования кинематических параметров инерционного конвейера [1] аналитически и экспериментально были получены диаграммы перемещения желоба конвейера, скорости и ускорения желоба. Как видно из диаграммы скоростей на значительной части прямого хода в промежутке времени (,, скорость желоба плавно возрастает, затем резко снижается до нуля. При обратном ходе скорость желоба сначала резко возрастает по абсолютной величине, затем плавно снижается. Скорость же материала, транспортируемого желобом, зависит от кинематики инерционного конвейера. Для увеличения средней скорости перемещения груза необходимо увеличить скорость конвейера в конце прямого хода желоба.

материал

желоб

/ Время, сек

Рисунок 3 - Диаграмма пути желоба и материала за несколько ходов

Для окончательного вывода о влиянии тяг с перечисленными конструктивными особенностями, необходимо получить закон движения желоба конвейера с учетом жесткости тяг и сравнить полученные результаты с параметрами существующего конвейера.

Второй раздел посвящен разработке новых конструктивно-динамических схем инерционных конвейеров.

Различают инерционные конвейеры с постоянным и переменным давлением груза на желоб, в которых груз под действием силы инерции скользит по желобу.

В настоящее время разработано несколько схем инерционных конвейеров, позволяющих транспортировать металлическую стружку. Разработано [1...16] ряд конструктивных решений различных узлов, механизмов и элементов инерционных конвейеров, защищенных авторскими свидетельствами, что способствовало созданию конвейеров с повышенной эффективностью перемещения грузов. Инерционный конвейер позволяет упростить конструкцию привода, уменьшить энергозатраты за счет увеличения пути, пройденного грузом за один цикл, а также изменять скорость транспортировки для различных типов грузов.

Для расширения технологических возможностей была предложена конструкция конвейера [3] с приводом желоба от кривошипно-шатунного механизма, смонтированного на соосных валах. Это позволяет изменять ускорения и скорости перемещения желоба, то есть регулировать производительность.

В конструкции конвейера [4] для изменения величины хода желоба скользящую опору можно передвигать по пазу стойки без остановки хода желоба. Величина хода зависит от соотношения плеч тяги: чем ниже установлена скользящая опора, тем больше величина хода желоба. Однако при рассогласовании движения ползунов как в вертикальной плоскости, так и между собой все несоответствия по синхронности хода ползунов воспринимают свободно

двигающиеся по скользящим опорам тяги и компенсируют все отклонения, не вызывая дополнительных нагрузок на привод и на тяги.

Конструкция конвейера [5] позволяет значительно увеличить длину желоба, так как конвейер снабжен дополнительными желобами, установленными последовательно. Один привод позволяет обеспечить движение всех или части желобов по заданному закону движения груза. В этом инерционном конвейере за счет встречности движения желобов уменьшается максимальная величина движущихся инерционных масс в одно и то же время, что позволяет уменьшить нагрузку на привод конвейера. Необходимые переменные ускорения и скорости желоба определяются положением шатуна относительно вертикальной оси, местоположением кривошипа и кулисы.

Эффективность работы конвейера [6] достигается тем, что верхняя подпружиненная опора установлена с зазором относительно внешней направляющей поверхности ползуна и снабжена вращающимися шаровыми упорами. Предлагаемая конструкция инерционного конвейера [7] позволяет исключить большую часть вредных сил трения в движущихся опорах, стабилизировать требуемый закон движения желоба, обеспечить заданную производительность при более низкой мощности привода, что достигается за счет подпружиненной опорной плиты. Использование установленных вдоль боковых поверхностей ползунов неподвижных направляющих с шаровыми опорами позволяет максимально исключить потери на трение, что способствует снижению энергоемкости конвейера [8]. Конвейер [9] имеет привод возвратно-поступательного движения желоба с кривошипно-шатунным механизмом и механизм регулирования хода желоба. Эта конструкция позволяет повысить производительность конвейера, так как от одного привода обеспечивается синхронное движение желоба и принудительных средств внутри желоба для материала при обратном ходе желоба, что позволяет увеличить длину пути, пройденного транспортируемым материалом за один цикл движения желоба.

С целью повышения производительности конвейер [11] снабжен механизмом увеличения хода штанги, выполненным в виде двух параллельных зубчатых реек, одна из которых жестко закреплена на основании, а другая на штанге и двух зубчатых колесах, входящих в зацепление с рейками.

Для повышения производительности и надежности работы конвейер [10] снабжен двумя направляющими роликами с осями, закрепленными на вертикальных направляющих, при этом опора для ползуна неподвижно установлена на основании, причем вилка выполнена из двух телескопически соединенных между собой частей, между которыми установлена пружина.

Для обеспечения возможности регулирования производительности конвейера и уменьшения динамических нагрузок на привод предложена конструкция конвейера [12], состоящая из основного и дополнительных желобов, установленных в ряд с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Последовательность и направление подачи материала по желобам зависят от взаимного положения установленных относительно продольной оси выходного вала редуктора внутренних профильных поверхностей и вилок с роликами, причем, используя один привод, можно подавать материал в желобах как в одном направлении, так и в различных сочетаниях. Кроме того, можно уменьшить

динамические нагрузки на привод за счет чередования максимальных нагрузок от разных желобов, особенно в переходных зонах при смене направления хода.

Для реализации возможности изменения скорости предложен конвейер с кривошипно-шатунным механизмом [13], позволяющий повысить надежность. Профилированные поверхности кулачка обеспечивают необходимую неравномерность прямого и обратного ходов.

Для увеличения эксплуатационных возможностей конвейера [14], путем обеспечения дифференцированного изменения скорости движения желоба при прямом и обратном ходах, механизм изменения скорости желоба выполнен с двумя, установленными на основании с возможностью перемещения вдоль желоба и фиксации, каретками и двумя упорными роликами.

Конвейеры [15] конструктивно просты и позволяют при вращении кривошипа получать разные скорости прямого и обратного ходов. Причем эта разность многократно больше по сравнению с известными инерционными конвейерами, что и обеспечивает увеличенную производительность за счет регулирования длины кривошипа.

Кроме того, для оптимизации процесса транспортирования материалов в инерционном конвейере [16], возможно регулирование скоростей прямого и обратного ходов желоба и его величины. В предложенной конструкции конвейера шарнирно соединенное с тягой плечо двухплечевого рычага выполнено с продольным пазом, в котором установлен с возможностью перемещения и фиксации шарнир.

Разработанные схемы конструкций конвейеров (а.с. 994364; 1065311; 1154169; 1207920; 1283185; 1276586; 1305086; 1351848; 1350084; 1390137; 1459982; 1461700; 1541154; 1634607; 1645215; 1787883) позволяют получать различные варианты сборок с различной частотой и амплитудой колебаний грузонесущих органов, что дает возможность изменения параметров колебаний в процессе наладки и работы конвейера применительно к конкретным требованиям производства и в зависимости от характеристики транспортируемого груза.

Предложенные схемы вибрационных и инерционных конвейеров требуют индивидуального подхода и расчета всех динамических параметров в зависимости от характеристик транспортируемых грузов и выбираемых при этом траекторий и скоростей его перемещения. В качестве примера в работе проведены теоретические исследования инерционного конвейера [2] с тягами переменной жесткости для транспортировки металлической стружки. Данная схема выбрана потому, что она является обобщающей, а транспортируемый груз имеет максимальную силу трения относительно поверхности, по которой он перемещается. Используя разработанную методологию, можно произвести расчеты динамических параметров любой предложенной схемы конвейера.

Третий раздел посвящен исследованию инерционного конвейера с тягами переменной жесткости (рис. 4) [1]. Данный конвейер является одномассной машиной, имеющей принудительный кривошипно-шатунный привод. Достоинство его в неизменности амплитуды колебаний рабочего органа-желоба в процессе работы машины, то есть обеспечивается высокая стабильность перемещения груза. Существенным недостатком этого конвейера является неуравновешенность которая ликвидируется установкой на выходном валу редуктора симметрично расположенного коромысла с шатунами.

Рассматриваемый конвейер представляет собой динамическую систему с одной степенью подвижности. Кинематическая схема представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Кинематическая схема

1 — кривошип; 2 — шатун; 3,4 — коромысло;

6 — шатун (тяга); 7 - ползун (желоб конвейера)

Все звенья кинематической цепи ОЛ£О]С (рис. 4) считаем жесткими и тяга 6 составляет угол примерно 9°...12° с направлением движения ползуна (желоба 7). Все конструктивные размеры и угол расположения тяг к желобу конвейера для каждой схемы могут быть разными в зависимости от того, какие характеристики перемещения груза нам необходимо получить. Динамическая схема всего привода инерционного конвейера, учитывающая эквивалентную жесткость тяг, можно представить в виде сосредоточенной массы, соединенной упругим звеном с приведенной жесткостью с другими звеньями в точке С (рис. 5).

Рисунок 5 - Динамическая схема инерционного конвейера

Шк. - приведенная масса колеблющихся частей (желоб и груз);

Сг — жесткость тяги; х, — координататочки С; х2 — координата массы

Тип привода и режим движения желоба и груза определяющим образом влияют на усилия в звеньях, расход энергии и устойчивость работы всей системы, динамические характеристики которой рассчитываются на основе совместного анализа движения грузонесущего органа (желоба) и привода как единого целого. При построении динамической схемы инерционного конвейера необходимо учитывать упругость (жесткость) наиболее податливых элементов механической системы.

В нашем случае наиболее податливым звеном является звено, которое непосредственно соединено с желобом и является основным, создающим

определенную закономерность упругожесткостных характеристик и силового взаимодействия с исполнительным звеном 7 т. е. желобом. Конструктивное исполнение этого звена представлено на рисунке 6 а, расчетная схема для определения его приведенной жесткости на рисунке 6 б.

Рисунок 6 — Тяга инерционного конвейера

а — Конструктивное исполнение (1,2 — бобышки; 3,4 — стяжки; 5 — втулка)

б — Расчетная схема

Приведенная жесткость этой конструкции тяги:

Движение желоба инерционного конвейера описано дифференциальным уравнением в установившемся режиме при сухом трении. Уравнение движения имеет вид:

0)

где —частота свободных колебаний; —приведенная масса желоба

с грузом; Ст —жесткость тяги (шатуна), соединяющей рычажный механизм с желобом; — координата точки соединения шатуна с коромыслом:

где

— угол между звеньями коромысла; — обобщенная координата кривошипа;

со —угловая скорость кривошипа; — длины звеньев рычажного

механизма; — координата приведенной массы колеблющегося желоба с грузом.

Решение уравнения (1) определялось в виде суммы свободных и вынужденных колебаний желоба с грузом. При определении свободных колебаний используем поэтапный метод.

Сила трения Ртр, действующая на желоб, постоянна по величине и направлена против движения. Уравнение свободных колебаний такой системы имеет вид:

ткх2+Стх2±Р„=0, (2)

где знак плюс соответствует этапу движения, на котором скорость положительна, а знак минус — этапу движения, на котором скорость отрицательна. Запишем уравнение (2) в форме:

ткх}+Стх2+Р1Гв12?1х1=0 (3)

При х2>0 $1%пх2=1, при х2<0 1, при х2=0 принимают ¿¡§т2=1.

Уравнение (3) содержит нелинейное слагаемое.

Пусть желоб получит перемещение в крайнее правое положение на величину А, отпустим его без начальной скорости. В этом случае

х0=А, ха=0. (4)

Под действием упругости тяги на первом этапе желоб будет двигаться влево (хг < 0), его уравнение движения :

+Стх2 —Рур —0,

или с учетом обозначений Ст1тк-к2 и РТр/СТ=а, получим:

х2+к2х2=к2а. (5)

Коэффициент а представляет собой отклонение желоба под действием максимально возможной силы трения. При отклонении желоба на величину меньшую или равную а движение не начнется, так как силы упругости тяги недостаточно для преодоления силы трения (полоса -а<х2<а является зоной застоя). Поэтому уравнение (5) имеет место при А>а. Общее решение уравнения (7) имеет вид:

х2 =а+С/соз£/+С2зтЛ?.

Определяя постоянные из начальных условий (4), получим:

х2=а+{А-а)со5к(. (6)

Закон движения (6) справедлив, пока х2<0, так как х2=-к(А-а)$'шк1, то скорость движения будет отрицательной до момента времени , определяемого из условия кЛ,=я. В этот момент желоб остановится. Его смещение: х2=а+(А-а)со5я--(А-2а).

Под влиянием трения смещение желоба уменьшается. После остановки желоб начнет двигаться вправо. Повторяя приведенные выше расчеты, можно показать, что движение желоба слева направо, также, продолжается в течение времени л ¡к. Максимальное отклонение вправо равно А-4а. Процесс движения продолжается

до тех пор, пока желоб не попадет в зону застоя и не остановится. Зависимость смещения от времени на каждом этапе движения представляет собой косинусоиду, смещенную по оси х на величину +д или -а, с амплитудой, уменьшающейся по закону арифметической прогрессии (рис.7). Время между двумя соседними максимумами отклонения есть период движения.

Наличие сухого трения не изменяет частоту колебаний. Фазовый портрет свободных колебаний системы с сухим трением представлен на рисунке 8.

х2/к, к

Рисунок 8 - Фазовый портрет свободных колебаний системы с сухим трением В координатах х2, х21к гармонический закон движения изображается дугами окружности. Если в уравнение (5) ввести новую переменную (х2=а), то получится уравнение гармонических колебаний без трения. Это движение на фазовой плоскости изображается полуокружностью радиусом (А—а) с центром в точке

Рисунок 7 - Зависимость смещения желоба от времени при свободных колебаниях с сухим трением.

(х2=а).

На втором этапе движения, когда , уравнение движения

х2+к2х2=-к2а.

(7)

может рассматриваться как уравнение гармонических колебаний со смещением (х2+а). На фазовой плоскости на втором этапе движения получаем полуокружность с центром в точке (х2=-а). И так до тех пор, пока кривая при х2=0 не попадет в зону застоя -а<х2<а. Число размахов п, которые желоб проделает до остановки, определяется как

{А-а)! 2 а >п>{А-а)!2а.

Основное влияние на закон движения желоба конвейера оказывают вынужденные колебания. Так как возмущающая сила складывается из постоянной силы сопротивления F^ и силы, изменяющейся по гармоническому закону CTxt, то зависимость, определяющая вынужденные колебания х\ будет иметь вид:

х) =H0+H¡ sm(y+fi)+H2 cos(r+A (8)

где Нв, Н,, Н2 — константы интегрирования, определяемые из начальных условий. Найдем производные х) и подставим их в уравнение (1), получим:

-HlSm(r+Mry+H2rcos(r+P)-H2cos{r+my-

-Н2 sin(j+/3)у+к'Н0+к2Н1 sm(y+/J)+k2II2 cos(r+Д)= (9)

тК

где k2H0 =±FTp lmk +lsk2.

Из этого выражения следует, что

Определив коэффициенты при sin и cos и составив систему двух уравнений, найдем:

п ■ н _-к>-ф2-(уУ) П1)

' (v-WY+ir)2' 2 (ь'НгУУЧгГ'

Подставим значения Н0, Н,,Н2 в уравнение (8), получим функцию, выражающую закон движения желоба конвейера с учетом жесткости тяг— неоднородное линейное дифференциальное уравнение второго порядка

X.„±FTP ü rk44ún{y+P) k4,(k2-(fy)cos(r+ft 2 mkk> 5 (к2-(гУУ+(гУ (к2ЧгУУЧ/У '

где

y=Q+N; Y=I,a>-R+l2wZI2.

е=

I, со {2Ксо5ю I - Осов* со Г-1)

N

-¡К-Всо5й)1-122 (1,Бтгу/)2 (К-Всое/»/)

(~2Ксо Бта>/+Оео зт2а -^К-Особо) /-(I, эт он)2 х

(.К-Особ® * вто/)2)--Бсо^аи)2 *(К—Осо5(о{)-(2Ксо%а) ¡-Б соь2 <М—Т)

^ (Ою эт й> / - ® /, бш 2ю г) • (АГ - £>соз£и Г)+

2^К-Осо&а>1-(115та>1)2

\асо5й)1-(2(А+Всо5й)1)(К-Рсо5Со1)+Р(1-(А+Всо5й) Г)2 ))+

А"..

+бш * ■ (-2Вй)5т ю; (X - Дсобй) 0++.Всовй; Г)) * ^Э® ® *+

+2В(А+Всоьа ¡уВсаъта /]х -Щ^-(втл*• (2(А+ВсовШ) -

-К.

где

В со бш 6)1-11 (2(4 + Всоэа /) ■ Вовтт г)

Кю=К-ОСО5(О1-12(1-(А+Всовсо1)2).

(13)

В расчете сила сопротивления Р^ на рабочем ходу инерционного конвейера при 45°<<р <225° берется со знаком минус. На холостом ходу, при 225° <<р<45°, сила сопротивления РТр берется со знаком плюс. Знак силы сопротивления влияет на постоянную интегрирования Н0, которая отличается на рабочем и холостом ходах на величину ±Егр/{т11к2).

Уравнение (12) описывает вынужденные колебания. Свободные колебания, определяемые уравнением (6), накладываются на вынужденные колебания, так как их частота во много раз больше частоты вынужденных колебаний.

Закон движения желоба будет иметь вид:

Деформация упругого звена (тяги):

3=х2-х,. (15)

Усилия, действующие на тягу:

Р=СТ8. (16)

Наибольшее влияние на амплитуду перемещения желоба конвейера оказывают второй и третий члены уравнения (14), остальные параметры имеют значения, отличающиеся на порядок. Полуширина зоны застоя: а=Р-п,1Ст.

Из формулы (14) следует, что колебания возникают только в том случае, если амплитуда возмущающей силы достаточна велика по сравнению с амплитудой сил трения, Если а>—*к, то амплитуда А—*со. Необходимо рассматривать

амплитудно-частотные характеристики системы при различных отношениях силы сухого трения к амплитуде возмущающей силы так как система работает

при большом трении и малых частотах возбуждения.

По полученным зависимостям проведены расчеты кинематических и динамических параметров инерционного конвейера при разных значениях жесткости тяги.

На рисунке 9 показаны диаграммы перемещения массы (желоб конвейера) при различных значениях жесткости тяги. Тяга, установленная на конвейере, имеет Ст =4-10а Н/м.

Рисунок 9 -Диаграммы перемещений желоба конвейера при различных жесткостях тяг

С уменьшением жесткости тяги перемещение желоба конвейера увеличивается. С увеличением жесткости, при Н/м и т.д.,

кривая перемещения желоба близка к графику перемещения массы при

Ст=4-108 Н/м.

Деформация тяги <5 (рис. 10) и диаграмма изменения силы, действующей на тягу, показали, что тяга подвержена как растяжению, так и сжатию, причем большие значения соответствуют меньшей жесткости. Однако расчеты показали, что на инерционном конвейере можно установить тягу с Н/м.

Для остальных случаев, закон движения, определенный по формуле (14) не отражает действительного колебательного процесса. Следовательно, необходимо

дополнительно учитывать в уравнениях это влияние, что и является показателем индивидуального подхода для каждого отдельного случая.

Рисунок 10 - Диаграммы деформаций тяги и усилий, действующих на тягу с различной жесткостью

С уменьшением жесткости тяги при Ст=4-107 Н/м увеличивается скорость желоба (рис. 11), а значит и скорость перемещения груза.

Рисунок 11 - Диаграмма скорости перемещения желоба при различных жесткостях тяг

Анализ диаграммы (рис. 11) показывает, что одним из главных результатов действия вибрации на рассматриваемую систему является появление медленной составляющей скорости то есть возникновение эффекта вибрационного

перемещения, так как необходимым условием этого эффекта является наличие ненулевого значения У=Уе, что отразилось на диаграмме скорости. Это возможно только вследствие несимметрии закона вибрационного воздействия.

Было рассмотрено влияние приведенной массы шк на параметры движения желоба. Вычисления показали, что с уменьшением массы до 1400 кг для разработанной тяги с жесткостью Н/м усилие, действующее на тягу,

уменьшается в 1,18 раз, при этом деформация тяги уменьшается в 1,16 раз.

Диаграммы (рис. 10, 12), полученные в результате расчета, показали, что тяга работает в основном на сжатие, ввиду того, что угол между тягой и ходом желоба составляет видно, что наибольшая деформация и наибольшее усилие,

действующее на тягу, наблюдается в начале прямого хода, что соответствует четверти периода

Рисунок 12 - Диаграммы перемещения точки С (а), желоба конвейера (б), деформации тяги (с), усилия, действующего на тягу (д), жесткость тяги Ст = 4-107 Н/м

Расчеты показали, что с уменьшением жесткости тяги перемещение желоба, а следовательно скорость и ускорение увеличиваются. Однако для принятой расчетной схемы аналитическое выражение закона движения справедливо только в диапазоне жесткостей 4-Ю7 <СТ<4-Ю' Н/м. С увеличением приведенной массы транспортируемого материала в 2,5 раза деформация тяги увеличивается в 1,16 раза, при этом усилие, действующее на тягу, увеличивается в 1,18 раз.

В четвертом разделе изложены результаты экспериментальных исследований инерционного конвейера, установленного на ОАО «Сибтяжмаш». Задачами экспериментального исследования являлись:

1. Определение нагрузки, действующей на тягу в процессе транспортирования материалов.

2. Определение фактической скорости желоба при прямых и обратных его ходах.

3. Определение средней фактической скорости транспортируемого материала.

4. Анализ полученных результатов и сопоставление их с соответствующими усилиями, возникающими в конвейере, расчитанными аналитически в разделе 3 диссертации.

В соответствии с задачами исследования конвейер был оснащен измерительной аппаратурой. Горизонтальное усилие воспринималось тензотягой. Определение горизонтальных составляющих усилий производились с помощью проволочных датчиков, наклеенных на тензоэлементы и на оба шатуна инерционного конвейера.

Для записи усилий в шатунах и желобе была собрана установка, представленная на рисунке 13.

Рисунок 13 — Установка для тензометрических испытаний

Для снятия амплитуды перемещения желоба конвейера, а также характеристик скорости и ускорения грузонесущего органа использовался виброметр. В качестве регистрирующей аппаратуры использовался осциллограф Н-004М и четырехканальный усилитель ТА-5.

Характеристика датчиков на исследуемых элементах конвейера приведена в таблице 1, а схема их расположения на рисунке 14.

Таблица 1 — Характеристика датчиков на исследуемых элементах конвейера

Номер точек установки датчиков Место установки и характеристика

т.1(1) Датчик располагался на шатуне (тяге) в месте соединения его с желобом. Устанавливался один датчик вдоль оси тяги (рис. 14,15). Он предназначен для регистрации напряжений в шатуне при рабочем процессе.

т.2 Датчик перемещения крепился к неподвижной стойке (рис. 14). Он выполнен в виде ролика, перекатывающегося по боковой поверхности желоба конвейера; при этом выходной сигнал менялся от нуля до максимального значения Датчик предназначался для определения скорости желоба конвейера при его прямых и обратных ходах.

т.З Тахогенератор предназначался для регистрации скорости вращения ротора электродвигателя. Он устанавливался в торец вала электродвигателя (рис. 14).

т4 Шунт (10 А) для регистрации тока электродвигателя конвейера предназначался для изучения переходных процессов электропривода (на рис. 14 не показан).

т.5 Датчик располагался на уголке, несущем ролик, по которому совершает возвратно-поступательные движения желоб конвейера. В точке устанавливался один датчик на вертикальной полке уголка с внутренней стороны под углом 45° к его вертикальной оси под серединой ролика. Датчик предназначался для регистрации напряжений в уголке при рабочем процессе (рис. 14 не показан).

Рисунок 14 - Схема расположения датчиков

1 - двигатель; 2 - редуктор; 3 - коромысло;

4 — тяга сдатчиками, 5 — желоб; 6 — ролик

В процессе испытания записывались следующие показания напряжения в тяге, ток ротора электродвигателя механизма хода конвейера, скорость вращения вала ротора электродвигателя, путь, пройденный желобом конвейера

Порядок проведения испытаний выполнялся в следующей последовательности производилась запись нулевых линий, производился запуск конвейера без стружки, производился запуск конвейера с заполненным желобом стружкой.

Определялась средняя фактическая скорость передвижения материала Для исследования нагрузок, действующих на элементы металлоконструкций конвейера в процессе его эксплуатации, использовались датчики, установленные на тяге т 1 и уголке т.5 (рис 14,15)

Рисунок 15 - Расположение датчиков на тяге с переменной жесткостью

Характерный фрагмент осциллограммы, характеризующий рабочий процесс конвейера с тягой переменной жесткости представлен на рисунке 16.

Рисунок 16 - Осциллограмма рабочего процесса конвейера с жесткой тягой

скорость желоба

<7и(т.1), ег^Дт.З) - деформация тяги, уголка соответственно; Vk конвейера; Vde -скорость вращения ротора электродвигателя; - ток ротора электродвигателя привода; 0 — нулевая линия

Были проведены экспериментальные исследования инерционного конвейера с гибкой тягой. На рисунке 17 представлен участок осциллограммы, характеризующий процесс работы конвейера с гибкой тягой.

Анализируя результаты, полученные при испытаниях конвейера с гибкой тягой (рис. 17) видно, что время прямого хода желоба увеличилось до 0,46 с, а время обратного хода уменьшилось до 0,4 с. Однако, время цикла осталось прежним 7'=0,86с.

Были определены максимальные значения скорости при прямом и обратном ходах желоба конвейера: Vkma=0,68 м/сек, Уктш—0у5 м/сек.Такое соотношение

по времени и по скорости наиболее благоприятно для транспортировки стружки, так как это способствует уменьшению обратного хода материала с желобом и увеличению пути, проходимого материалом за один ход желоба.

Испытания показали, что средняя скорость стружки, транспортируемой конвейером с гибкой тягой составляла Ум =0,168 м/с. Однако, на конвейере,

оборудованном жесткой тягой, средняя скорость

Из осциллограммы испытаний конвейера с гибкой тягой видно, что скорость в конце прямого хода на участке равном примерно 0,1 с изменяется скачкообразно.

Рисунок 17 — Осциллограмма рабочего процесса конвейера с гибкой тягой

Скачки означают мягкий удар, происходящий из-за резкого изменения динамических нагрузок, вызывающих упругие колебания тяги. Величина силы, действующая в момент мягкого удара, на тягу составляла 72450 Н, что в 4 раза больше, чем при испытаниях с жесткой тягой.

Перемещение желоба конвейера за цикл при испытаниях составило 140 мм.

Основные результаты и выводы

1. Разработаны новые конструктивно-динамические схемы инерционных конвейеров (а.с. 994364; 1065311; 1154169; 1207920; 1283185; 1276586; 1305086; 1351848; 1350084; 1390137; 1459982; 1461700; 1541154; 1634607; 1645215; 1787883), позволяющие в зависимости от заданных динамических параметров обеспечить необходимые законы движения вариацией конструктивных и жесткостных характеристик звеньев.

2. Установлено, что для безотрывного движения груза по желобу конвейера с заданной скоростью необходимо обеспечение частоты его колебательных перемещений с определенной траекторией, которая обеспечивается соответствующим звеном с определенной жесткостью, установленным в качестве замыкающего всей динамической схемы.

3. Получено дифференциальное уравнение движения желоба инерционного конвейера с тягой переменной жесткости, позволяющее производить анализ законов перемещения грузов в зависимости от конструкций приводных звеньев, их взаимного геометрического расположения и динамических характеристик. Установлено, что определяющее влияние на траекторию движения груза оказывают динамические свойства замыкающего звена — тяги, жесткость которой должна быть в строгом соответствии со всеми параметрами конвейера. Например, для рассчитываемой схемы она составляет величину 4-107<Ст<4-109Н/м.

4. Разработан алгоритм решения дифференциального уравнения и выполнены расчеты движения одномассной системы с переменной жесткостью, на основе которого произведен анализ свободных и вынужденных колебаний желоба инерционного конвейера с тягой переменной жесткости, что позволило установить закономерности ее изменения по длине в зависимости от необходимой кинематики движения груза, имеющего соответствующие физико-механические свойства и характеристики.

5. Выполнены экспериментальные исследования, подтвердившие правильность принятых теоретических выводов и решений. Установлены значения скоростей грузов для конкретного инерционного конвейера, обеспечивающие эффективность его перемещений при использовании в приводе тяг переменной и постоянной жесткостей. Установлено, что угол наклона оси толкающей тяги к направлению движения желоба в пределах до 9... 12° не влияет на траекторию движения груза.

6. Экспериментальные исследования инерционного конвейера с гибкой тягой позволили определить скорости прямого и обратного ходов желоба конвейера, значения сил, действующих на тягу, а также скорость транспортируемой стружки.

7. Инерционный конвейер с постоянным давлением груза на дно желоба с гибкой тягой после проведения испытаний продолжает эксплуатироваться на ОАО «Сибтяжмаш» на автоматизированной линии по обработке ходовых колес и показал хорошую работоспособность в течении 12 лет.

8. Годовой экономический эффект от внедрения одного конвейера длиной 100 м составляет 604200 руб. в год в ценах 2000 г.

9. Результаты теоретических и экспериментальных исследований инерционного конвейера с гибкой тягой могут быть использованы при создании, усовершенствовании и исследовании новых универсальных машин непрерывного транспорта, предназначенных для транспортировки стружки, порошкообразных и кусковых материалов с различным гранулометрическим составом.

Основные результаты исследования изложены в работах

1. А. с. № 994364. "Инерционный конвейер". БИ, 1983, №5, с4.//Дьяконова В. Я.

2. А. с. № 1065311. "Инерционный конвейер". БИ, 1984, № 1, с4.//Дьяконова В. Я.

3. А. с. № 1154169. "Инерционный конвейер". БИ, 1985, №17, с4.//Дьяконова В.Я.

4. А. с. № 1207920."Инерционный конвейер". БИ, 1986, №6, с 4.// Дьяконова В. Я.

5. А. с. № 1283185. "Инерционный конвейер". БИ, 1987, №2, с 4.// Дьяконова В. Я.

6. А. с. № 1276586. "Инерционный конвейер ". БИ, 1986,№16, с4.//Дьяконова В. Я.

7. А. с. № 1305086. "Инерционный конвейер". БИ, 1987, №15, с4.//Дьяконова В. Я.

8. А. с. № 1351848. "Инерционный конвейер ". БИ, 1987, №42, с4.//Дьяконова В. Я.

9. А. с. № 1350084. "Инерционный конвейер ". БИ, 1987, №41, с4.//Дьяконова В. Я.

10.А. с. № 1390137. "Инерционный конвейер ". БИ, 1988, №15, с4.//Дьяконова В. Я.

11.А. с. № 1459982. "Инерционный конвейер ". БИ, 1989, №7, с4.//Дьяконова В. Я.

12.А. с. № 1461700. "Инерционный конвейер ". БИ, 1989, №8, с4.//Дьяконова В. Я.

13А с. № 1541154. "Инерционный конвейер ". БИ, 1990, №5, с4.//Дьяконова В. Я.

14А с. № 1634607. "Инерционный конвейер ". БИ, 1991, №10, с4.//Дьяконова В. Я.

15А с. № 1645215. "Инерционный конвейер ". БИ, 1991, №16, с4.//Дьяконова В. Я.

16А с. № 1787883. "Инерционный конвейер ". БИ, 1993, №2, с4.//Дьяконова В. Я.

17.Дьяконова В.Я. Интенсификация инерционной транспортировки металлической стружки. Тез. док. 1-ой НТК «Переработка вторичных металлов методами порошковой металлургии». Челябинск, 1987, с. 11-12.

18.Дьяконова В.Я., Смелягин А.И. Инерционный конвейер для транспортировки металлической стружки. НТК «Конвейерные системы и автоматизированные транспортно-складские комплексы». Санкт-Петербург, 1991, с. 36.

19. Дьяконова В.Я., Братухина Н.А. Теоретическое определение основных параметров инерционного конвейера. Сб. статей «Научно-технический прогресс», ч.1. Красноярск, 1994.

20.Дьяконова ВЛ., Братухина Н.А. Влияние упругости шатунов на динамику вибрационного конвейера. Сб. «Расчет и конструирование сооружений, автомобильных дорог, технология и материалы, экологические проблемы региона». Тезисы 15 Межрегиональной конференции. Красноярск, 1997.

21.Дьяконова В.Я., Кузьменко В А Совершенствование конструкции . и теоретические исследования инерционного конвейера. Тезисы международной конференции. Омск, 1995.

22.Дьяконова В.Я., Кузьменко ВА, Братухина Н.А Интенсификация транспортировки металлической стружки. Сб. научных статей «Научно-технический прогресс», чЛ. Красноярск, 1994.

23 .Дьяконова В.Я., Кузьменко В А, Братухина Н.А Экспериментальные исследования инерционного конвейера с гибкой тягой. Сб. научных статей «Научно-технический прогресс», чЛ. Красноярск, 1994.

24.Дьяконова ВЛ., Братухина НА Совершенствование конструкции и экспериментальные исследования вибрационного конвейера. Тез. 15 межрегиональной конференции. «Расчет и конструирование сооружений, автомобильных дорог, технологии и материалы, экономические проблемы региона». Красноярск, 1997, с. 132,133.

25.Смелягин А.И., Дьяконова В.Я., Братухина Н.А Инерционный конвейер с постоянным давлением груза на дно желоба. Сб. науч. трудов «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика». Вып.4. САА. 1998. с.233-235.

26. Дьяконова В.Я. Динамические и кинематические параметры движения желоба инерционного конвейера. Сб. трудов «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика». Вып.10., чЛ. Красноярск, 2.004, с.203-213.

27. Дьяконова BJL, Спектор Ю.Е., Дьяконов М.Н. Выбор рациональной конструкции виброконвейера. Сб. статей «Перспективные материалы». Вып.8., ч.1. Красноярск, 2002, с.317-319.

Подписано в печать 03 09 04 Формат бумаги 60x84 1/16 Усл. печ. л. 2.0 Тираж 100 экз Заказ

Отпечатано на ризографе КГТУ 600074. г. Красноярск. \л. Киренского. 26

»188 12

РНБ Русский фонд

2GG5-4 17874