Исследование закона движения кулачкового механизма с учетом деформаций конструктивных элементов

Полный текст

Применение кулачковых механизмов, осуществляющих прерывистые движения ведомых частей, ставит задачу всестороннего и полного изучения закономерностей движения рабочих органов. Решение этой задачи становится особенно актуальным в связи с энергетическими затратами для момента осуществления технологической операции, а также для механизмов, работающих в условиях повышенных динамических режимов. В связи с этим при синтезе кулачковых механизмов предлагается учитывать деформации конструктивных элементов, с которыми взаимодействует их ведомое звено. В настоящее время синтез законов движения кулачковых механизмов производится без учета энергии деформации их конструктивных элементов. Действие технологической нагрузки для механизмов данного типа приходится, главным образом, на отрицательные участки графика ускорений. Энергия, которая расходуется на преодоление полезных сопротивлений, также зависит от величины и характера нагрузок, от сил инерции, развиваемых кулачковым механизмом. Объектом исследования был выбран механизм прибоя уточных нитей бесчелночного ткацкого станка типа СТБ (батанный механизм). Анализ кинематических характеристик этого механизма, приведенный в работах [1, 2], указывает на наличие значительных отклонений (на графиках скоростей и ускорений) от тех законов, которые были заложены первоначально. Кроме того, следует отметить, что ведомое звено этого механизма (бердо) в момент прибоя уточных нитей к опушке ткани посредством нитей основы и сформированной ткани воздействует на целый ряд элементов ткацкой машины. Это приводит к возникновению значительных деформаций элементов самого батанного механизма и элементов, с которыми контактируют нити основы и ткань. Целью данной статьи является корректировка закона движения кулачкового механизма с учетом деформаций конструктивных элементов батанного механизма ткацкой машины. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи: 1) исследован существующий закон движения; 2) определена энергия деформации элементов ткацкой машины; 3) произведена корректировка закона движения механизма с учетом энергии деформации элементов машины. ИССЛЕДОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕГО ЗАКОНА ДВИЖЕНИЯ КУЛАЧКОВОГО МЕХАНИЗМА Исследование кинематических характеристик проводилось для механизма прибоя уточных нитей (батанный механизм) бесчелночных ткацких станков (СТБ), выпускаемых заводом-изготовителем серийно. Исследования проводились для выбранного закона, который представлен в виде таблицы профиля кулачка. Рис. 1. Конструктивная схема кулачкового механизма Конструкция кулачкового механизма представлена на рис. 1. Кулачковый механизм (см. рис. 1) работает следующим образом: ведомый вал 5 получает вращательное движение от кулачков 2, 3, укрепленных на главном валу 1, и роликов 4. Кулачки сообщают возвратно-качательное движение валу 5, на котором закреплены лопасти 6 и брус 7, несущий бердо 8. Кинематическая схема механизма приведена на рис. 2. Угол поворота ψ(i) ведомого звена BC определяется из выражения , (1) где Ri - текущее значение радиус-вектора профиля кулачка в соответствии с технической документацией [1], = 128,1 мм; = 60 мм. На основании формулы (1) произведены расчеты углов качания ведомого звена, угловых скоростей и ускорений. График угловых ускорений с учетом динамического характера нагрузки, учитывающий возбуждение колебаний в связи с наличием зазора в паре «кулачок - ролик», приведен на рис. 3. L 0 A B Ak Ri Рис. 2. Схема к определению угла поворота ведомого звена кулачкового механизма (прибоя уточных нитей) С целью получения нового закона движения кулачкового механизма был проведен анализ существующего закона движения с точки зрения уравнения энергетического баланса. Анализ был проведен при частоте вращения главного вала n = 400 мин-1 и выработке джинсовой ткани саржевого переплетения 3/1 c усилием прибоя Рпр = 5210Н. Рис. 3. Ускорения кулачкового механизма (прибоя уточных нитей) Для расчета энергетического баланса определялись работы движущих сил, сил инерции и сил полезных сопротивлений. Работа движущих сил на ведомом валу определяется по формуле = , (2) где МVEDV() - момент движущих сил на ведомом (подбатанном) валу, определяемый по формуле . (3) В выражении (2) МGV - момент движущих сил на главном валу, определяемый в виде , (4) где NGV - мощность на главном валу, определяемая в зависимости от мощности электродвигателя и коэффициента полезного действия клиноременной передачи; wgv - угловая скорость вращения главного вала. В выражении (3) - первая передаточная функция, определяемая в соответствии с выражением [3] . (5) MVEDV, MGV, Нм Графики зависимости моментов движущих сил на главном валу (без учета неравномерности вращения вала) и ведомом валу от угла поворота приведены на рис. 4. MGV MVEDV Рис. 4. Графики зависимости моментов движущих сил от угла поворота кулачка Работа сил инерции определяется в соответствии с выражением = , (6) где МIN(j) - момент сил инерции, определяемый по формуле . (7) График зависимости момента сил инерции от угла поворота главного вала приведен на рис. 5. Графики зависимости работ движущих сил и сил инерции от угла поворота главного вала приведены на рис. 6. Работа сил полезных сопротивлений определяется в форме = . (8) График суммарной работы движущих сил, сил инерции, сил полезных сопротивлений и деформаций конструктивных элементов представлен на рис. 7. Рис. 5. Графики зависимости моментов сил инерции ведомого звена механизма и момента сил полезных сопротивлений Рис. 6. Графики зависимости работ движущих сил на ведомом валу и сил инерции для механизма от угла поворота главного вала для базового закона движения КОРРЕКТИРОВКА ЗАКОНА ДВИЖЕНИЯ КУЛАЧКОВОГО МЕХАНИЗМА Работа сил, затраченная на деформации элементов системы батана, нитей основы, несущей системы и элементов станка, с которыми контактируют нити и ткань (скальная система), определялась с помощью графиков, приведенных на рис. 5 и 6. Графики зависимости суммарной работы движущих сил и сил инерции, работ сил полезного сопротивления и деформаций вышеуказанных элементов от угла поворота главного вала представлены на рис. 7. График суммарной работы приведен на рис. 8. ADV,IN A,Дж ADEF APS Рис. 7. Графики зависимости суммарной работы движущих сил на подбатанном валу и сил инерции, работ сил полезного сопротивления и деформации батанного механизма и несущей системы от угла поворота главного вала для базового закона движения Как видно из графика на рис. 8, имеется такой интервал угла поворота главного вала, в пределах которого суммарная работа меньше нуля, поэтому на данном участке работы механизма возможны перегрузки в работе двигателя, что отрицательно сказывается на качестве вырабатываемого продукта. Это особенно актуально при выработке плотных тканей, для получения которых необходимо большое усилие прибоя (более 500 кгс), причем с ростом усилия прибоя растет величина работы сил полезных сопротивлений и работы сил, расходуемой на деформации элементов батанного механизма, несущей и скальной систем. С целью уменьшения энергетических потерь при работе механизма и уменьшения контактных напряжений в паре «кулачок - ролик» был скорректирован закон движения механизма, график которого представлен на рис. 9. Для снижения величины работы сил, затрачиваемой на деформации конструктивных элементов, также были осуществлены конструктивные мероприятия по увеличению жесткости несущей системы и элементов батанного механизма, позволившие уменьшить величину работы деформации в 2,26 раза. График суммарной работы для скорректированного закона движения с учетом вышеуказанной модернизации конструкции несущей системы и батанного механизма приведен на рис. 10. Рис. 8. График зависимости суммарной работы на подбатанном валу от угла поворота главного вала для базового закона движения Рис. 9. График скорректированного закона ускорений ASUM, Дж Рис. 10. График зависимости суммарной работы на подбатанном валу от угла поворота главного вала для скорректированного закона движения Заключение В результате проведенных исследований установлено, что работа сил инерции батанного механизма в интервале 0-80 градусов угла поворота главного вала превосходит по величине работу движущих сил; в интервале 70-140 градусов работа сил инерции меняет знак. Для момента прибоя уточных нитей суммарная величина работы сил полезных сопротивлений и деформаций конструктивных элементов превосходит величину суммарной работы движущих сил и сил инерции, что в конечном итоге приводит к увеличению динамических нагрузок в паре «кулачок - ролик». Скорректирован закон движения ведомого звена батанного механизма ткацкой машины, что позволяет снизить энергетические потери практически в 2 раза по сравнению с серийным законом, а также уменьшить величину контактных напряжений в паре «кулачок - ролик».

Об авторах

Юрий Ильич Подгорный

Новосибирский государственный технический университет

Email: ptm_ngtu@mail.ru
(д.т.н., проф.), кафедра «Проектирование технологических машин» 630090, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20

Александр Всеволодович Кириллов

Новосибирский государственный технический университет

Email: kirillovalvs@mail.ru
(к.т.н., доц.), кафедра «Проектирование технологических машин» 630090, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20

Ольга Владимировна Максимчук

Новосибирский технологический институт (филиал) Московского государственного университета дизайна и технологии

Email: ovmak@mail.ru
(к.т.н., доц.), кафедра «Информационные технологии» 630099, г. Новосибирск, ул. Потанинская, 5

Список литературы

Дополнительные файлы