Удосконалення методів розрахунку та конструкції вибивної транспортуючої машини для формувальних ліній крупного литва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Головний спеціалізований конструкторсько-технологічний інститут

УДК 621.01:539.3

Спеціальність 05.02.02 - машинознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення методів розрахунку та конструкції вибивної транспортуючої машини для формувальних ліній крупного литва

Барчан Євген Миколайович

Маріуполь - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у ВАТ "Головний спеціалізований конструкторсько-технологічний інститут" Міністерства промислової політики України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Ткачук Микола Анатолійович, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", завідувач кафедри "Теорія і системи автоматизованого проектування механізмів і машин".

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Франчук Всеволод Петрович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри гірничих машин та інжинірингу;

- доктор технічних наук, професор Сердюк Леонід Іванович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти України, м. Полтава, завідувач кафедри теоретичної механіки.

Захист відбудеться "25" червня 2008р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 12.873.01 у ВАТ "Головний спеціалізований конструкторсько-технологічний інститут" за адресою: 87535, м. Маріуполь, пл. Машинобудівельників, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці ВАТ "ГСКТІ" за адресою: 87535, м. Маріуполь, пл. Машинобудівельників, 1.

Автореферат розісланий "16" травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Литвиненко О.В.

Анотація

Барчан Є.М. Удосконалення методів розрахунку та конструкції вибивної транспортуючої машини для формувальних ліній крупного литва.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - машинознавство. Головний спеціалізований конструкторсько-технологічний інститут, м. Маріуполь, 2008.

Дисертація присвячена розробці методу розрахунку вибивної машини як складної динамічної віброударної системи на основі узагальненого параметричного опису і розрахунково-експериментальної технології моделювання динамічних процесів. Розроблений комплекс параметричних, математичних, геометричних і скінченно-елементних моделей дозволяє виконати багатоваріантні розрахунки динаміки і напружено-деформованого стану проектованих конструкцій і розв'язувати задачі параметричного і структурного синтезу їх елементів.

У роботі викладений новий варіант розрахунково-експериментального визначення параметрів динамічних моделей машини, який відрізняється тим, що на першій стадії спеціально виготовляється дослідний зразок машини, який випробовується в реальних умовах експлуатації, визначаються значущі чинники процесу, проблемні частини конструкції, а створювані динамічні моделі використовують одержану інформацію як базову для верифікації параметрів числових моделей, зокрема, законів розподілу і величин діючих навантажень.

За допомогою розробленого програмно-модельного комплексу проведені числові і експериментальні дослідження динамічних процесів, визначення значущих чинників і параметричний аналіз вибивної машині. У роботі вперше врахований такий важливий чинник, як вплив деформаційних власних частот коливань ВТМ на характеристики робочого процесу, на віброміцність машини, а також здійснено процес частотного відстроювання нижньої власної деформаційної частоти від частоти навантаження на 40-50% за рахунок раціонального вибору товщини стінок дебалансних валів і посилення бічних стінок машини.

Запропонований в роботі метод досліджень може бути поширений на широкий клас конструкцій вибивних транспортуючих машин для оснащення ліній автоматизованого литва великогабаритних відливок як основа при створенні динамічних моделей, розрахунку їх параметрів і оптимізації конструкцій.

Ключові слова: вибивна транспортуюча машина, динамічна віброударна система, автоматизована формувальна лінія, система, модуль, аналіз, синтез, параметр, модель, метод скінченних елементів, критерій ідентифікація, верифікація, ітераційний процес, адекватна модель.

Аннотация

Барчан Е.Н. Совершенствование методов расчета и конструкции выбивной транспортирующей машины для формовочных линий крупного литья.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - машиноведение. Головной специализированный конструкторско-технологический институт, г. Мариуполь, 2008.

Диссертация посвящена разработке метода нового расчета выбивной транспортирующей машины, как сложной динамической системы на основе обобщенного параметрического описания и расчетно-экспериментальной технологии моделирования динамических процессов. Разработанный комплекс параметрических, математических, геометрических и конечно-элементных моделей позволяет выполнить многовариантные расчеты напряженно-деформированного состояния проектируемых конструкций и решать задачи параметрического и структурного синтеза их элементов.

В работе изложен новый вариант расчетно-экспериментального определения параметров динамических моделей машины, который отличаются тем, что на первой стадии специально изготовляется опытный образец машины, который испытывается в реальных условиях эксплуатации, определяются значимые факторы процесса, проблемные части конструкции, а создаваемые ее динамические модели используют полученную информацию как базовую для верификации параметров числовых моделей, в частности, законов распределения и величин действующих нагрузок. При этом обеспечивается точность определения нагрузок на уровне 10%.

С помощью разработанного программно-модельного комплекса проведены численные и экспериментальные исследования динамических процессов, определение значимых факторов и параметрический анализ выбивной машины.

В работе впервые учтен такой важный фактор, как влияние деформационных собственных частот колебаний ВТМ на характеристики рабочего процесса, на вибропрочность машины, а также осуществлен процесс частотного отстраивания нижней собственной деформационной частоты от частоты нагрузки на 40ё50% за счет рационального выбора толщины стенок дебалансных валов и усиления боковых стенок машины.

Путем обоснованного в работе рационального выбора толщины стенок опор приводных валов (увеличение до 30 мм против 16 мм в первичном варианте), установкой дополнительного оребрения боковых стенок выбивной машины и заменой двутаврового поперечного пересечения опорных балок на коробчатый профиль (толщиной стенок 20 мм и габаритами 310х135 мм) устранены вибрационные перегрузки всей машины, ликвидированы причины усталостного разрушения стенок приводных валов и подрешетных балок, а также нормализован режим работы пружинных опор, чем в итоге обеспечивается необходимая долговечность ВТМ.

На основе экспериментальных и численных исследований выполнены разработки научно-обоснованных рекомендаций по совершенствованию конструкции, которые учтены при разработке проектно-конструкторской документации. Проведена экспериментальная проверка результатов исследований и внедрение выбивной машины в производство, которое обеспечивает требование условий эксплуатации: нагружающую способность - 100 кН; надежность и долговечность (безремонтный постоянный цикл работы - 350 млн. циклов); качество вибивки отливок (амплитуда вибивки - на уровне до 5,0 мм, частота - 16 Гц); умеренную металлоемкость (масса 21060 кг, обеспечивает отношение массы технологического груза к массе ВТМ на уровне 4,5, что вписывается в рекомендуемый интервал 3ё5); достаточную прочность и долговечность (максимальные напряжения находятся на уровне 130 МПа, что на 30% ниже допустимых при многоцикличной нагрузке для стали 09Г2С, и обеспечивают отсутствие трещинообразования на протяжении 350 млн. циклов и больше); стабильность работы (характеризуется отношениям частоты вибивки к собственным трансляционным частотам для усовершенствованной машины на уровне 3,9ё4,5, что входит в рекомендуемый диапазон для выбивных машин - 2,0ё5,0).

Предложенный в работе метод исследований может быть распространен на широкий класс конструкций выбивных транспортирующих машин для оснащения линий автоматизированного литья крупногабаритных отливок как основа при создании динамических моделей, расчета их параметров и оптимизации конструкций.

Расчеты, приведенные в настоящей работе, позволили спроектировать и изготовить выбивную транспортирующую машину, которая работая в условиях тяжелейших вибрационных нагрузках, практически в условиях реального производства, доказала качество, рациональность и эффективность разработанной методики синтеза. Анализируя результаты эксплуатации, следует отметить, что cозданная усовершенствованная ВТМ продемонстрировала высокое качество выбивки литья, вибропрочность, стабильность и качество выбивки, сохранение нагрузочной способности в условиях опытной, а также многолетней эксплуатации в условиях реального производства, что подтверждает значительное повышение технических характеристик выбивной машины, а внедрение результатов исследований, реализованное в серии ВТМ, позволило получить значительный экономический эффект, что свидетельствует в пользу большой практической ценности проведенных исследований.

Ключевые слова: выбивная транспортирующая машина, динамическая виброударная система, автоматизированная формовочная линия, система, модуль, анализ, синтез, параметр, модель, метод конечных элементов, критерий, идентификация, верификация, итерационный процесс, адекватная модель.

Summary

Barchan E.N. Improvement of the methods of calculation and constructing of knock-out transportation machines design for the molding line of large casting.

Thesis for obtaining of a scientific degree of Candidate of Technical Science on a specialty 05.02.02 - engineering science. Head Specialized Designing and Technological Institute, Mariupol, 2008.

Dissertation is concerned to development of new method of analysis and synthesis knock-out transporting machine as complex dynamic system on the base of general parametrical description and experiment-calculated technology of dynamic processes modeling. The developed complex of parametrical, mathematical, geometrical and finite element models allows to perform multivariable calculations concerning deflected mode of design constructions and to solve problems of parametrical and structural synthesis of their elements.

Numerical and experimental investigations, estimation of significant factors and parametrical analysis of knock-out transporting machine were carried out with the help of developed program-modeling complex.

Engineering of research-based recommendations concerning design development which are taken into consideration during development of design documentation were performed on the base of experimental and numerical investigations. Knock-out transporting machines experimental check of investigations results was performed and manufacturing application.

Key words: knock-out transportation machine, the dynamic vibroimpact system, automated molding line, system, module, analysis, synthesis, parameter, model, finite-element method, criterion, identification, verification, iterative process, adequate model.

1. Загальна характеристика роботи

До досягнень сучасної техніки, що отримали останніми роками широке застосування в машинобудуванні, слід віднести вібраційні транспортно-технологічні машини, що виконують операції транспортування і одночасно різну обробку переміщуваного вантажу (виробу). Достоїнствами цих машин є простота конструкції, відсутність тягових елементів робочих органів, мінімальний знос робочих поверхонь, можливість транспортування і вибивки гарячих виробів, забезпечення механізації і автоматизації трудомістких виробничих процесів.

Проте реалізація вказаних процесів для крупного литва пов'язана з необхідністю ретельного вивчення динаміки істотно нелінійної системи вибивних транспортуючих машин (ВТМ), оскільки оптимальні закони руху робочих органів, що забезпечують процес вібраційного переміщення виробів, виявляються як результат взаємодії високого технологічного навантаження і робочого органа. Більш того, на нормальне функціонування машини неминуче впливають супроводжуючі робочий процес пружні коливання вантажонесучих органів. Необхідність забезпечення надійності, довговічності, навантажувальної здатності і якості роботи ВТМ прямо пов'язана з постановкою задач про динаміку і визначення рівнів навантаження елементів робочих органів, а також забезпечення міцності на етапі проектування даних машин.

Актуальність теми. Процес розробки і вдосконалення ВТМ для великогабаритного литва стримується відсутністю моделей для аналізу динамічних процесів в них з урахуванням специфічних умов їх експлуатації і виникаючих при цьому вимог. Так, при проектуванні автоматизованої формувальної лінії крупного вагонного литва на ВАТ "Азовмаш" (м. Маріуполь) виникла актуальна і важлива задача вибору раціональної структури і параметрів конструкції вибивної транспортуючої машини, що є завершальною ланкою в технологічному процесі виробництва великогабаритних виливок. Конструкція проектованої ВТМ повинна забезпечувати: високу надійність і довговічність роботи, оскільки простій автоматизованої формувальної лінії, в якій ВТМ є незамінною ланкою, приносить значні збитки; ефективну вибивку грудки з виливком, причому інерційно-жорсткісні параметри ВТМ є достатньо стабільними, тоді як властивості формувальної суміші (жорсткість, демпфування, міцність) є змінними; достатню навантажувальну здатність і віброміцність, оскільки маса грудок з виливками, що поступають на вибивні грати, досягає 10т, а частота виникаючих коливань - 16 Гц.

У поєднанні з вимогами мінімальної металоємності і достатньої міцності даний комплекс критеріїв і обмежень приводить до необхідності розв'язання складної задачі оптимального синтезу вибивної машини як динамічної віброударної системи, в т.ч. з урахуванням і управлінням спектром власних коливань конструкції і як жорсткого, і як пружного тіла. В даний час для ВТМ такого типу і в розрізі таких вимог методика розв'язання подібних задач відсутня. у цих умовах ефективним способом розв'язання задачі подібного класу є розрахунково-експериментальний метод (РЕМ). У зв'язку з цим створення і розвиток методів розрахунково-експериментального дослідження динамічної системи вибивної машини для науково обґрунтованого вибору параметрів машини за критеріями довговічності, надійності, навантажувальної здатності, віброміцності, працездатності і мінімальної металоємності є актуальною і важливою науково-практичною задачею оптимального проектування і вдосконалення машин даного класу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у ВАТ "Головний спеціалізований конструкторсько-технологічний інститут " (ГСКТІ), м. Маріуполь, згідно з тематичним планом наукових досліджень. Дослідження проводилися в рамках науково-технічної співпраці з Національним технічним університетом "Харківський політехнічний інститут " (НТУ "ХПІ") відповідно до плану фундаментальних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України, тема М1202 "Шторм", № д.р. 0105U000004т (2005-2007 рр.), тема №ІТ/480-2007 "Розробка теоретичних основ комп'ютерних кластерних технологій та унікального програмно-апаратного комплексу для дослідження складних та надскладних механічних систем ", № д.р. 0107U006813 (2007 р.), а також згідно з господарським договором №120К/923 (№12765) від 21.09.07 р. "Розробка математичної, геометричної і скінченно-елементної моделі для дослідження динаміки і напружено-деформованого стану вибивної машини " (2007-2008 рр.) між НТУ "ХПІ" і ВАТ "ГСКТІ", де здобувач був виконавцем окремих розділів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка нових методів розрахунку і синтезу вибивної машини для оснащення автоматизованих ліній крупного литва на основі розрахунково-експериментального моделювання динамічних процесів з урахуванням власних коливань металоконструкції як пружного деформованого тіла, а також створення і вдосконалення на цій основі конструкції ВТМ з високими технічними характеристиками для оснащення лінії крупного вагонного литва. Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі: розробка теоретичних основ синтезу конструктивних параметрів вибивної машини на основі розрахунково-експериментального моделювання динамічних процесів і реалізація їх у вигляді спеціалізованого програмно-модельного комплексу (ПМК); розрахунково-експериментальне визначення параметрів динамічної моделі вибивної машини; числове моделювання динамічних процесів, визначення характеристик і обґрунтування раціональних параметрів вибивної машини у складі автоматизованої лінії крупного вагонного литва; експериментальні і виробничі випробування вдосконаленої вибивної машини; впровадження результатів досліджень у виробництво.

Об'єкт досліджень: динамічні технологічні процеси у вибивній машині з дебалансовим приводом з урахуванням пружно-інерційних властивостей металоконструкції.

Предмет дослідження: методи розрахунку і раціональні параметри вибивної машини низької металоємності, що забезпечують необхідну навантажувальну здатність, віброміцність, а також задану якість і продуктивність при виконанні технологічної операції на прикладі вибивки крупного вагонного литва у складі автоматизованої лінії.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач залучались аналітичні методи теорії механізмів і машин, аналітичної механіки, теорії коливань, метод скінченних елементів (МСЕ), метод динамічної електротензометрії, теорія тривимірного геометричного параметричного твердотільного і поверхневого моделювання. З їх допомогою на основі залучення узагальненого параметричного опису створюються геометричні моделі елементів вибивної машини, математичні і числові моделі для опису динамічних процесів, досліджується напружено-деформований стан (НДС) і технологічні навантаження на машину.

На захист виносяться:

1. Метод синтезу вибивної машини як складної динамічної системи з урахуванням пружних коливань металоконструкції на основі узагальненого параметричного опису і розрахунково-експериментальної технології моделювання динамічних процесів.

2. Комплекс параметричних моделей вибивної машини: математична модель динамічних процесів; геометричні моделі; моделі технологічних режимів навантаження; експериментальні моделі; скінченно-елементні моделі (СЕМ).

3. Результати числових і експериментальних досліджень динамічних процесів, визначення значущих чинників і параметричного аналізу машини на основі розробленого програмно-модельного комплексу.

4. Науково обґрунтовані рекомендації по вдосконаленню ВТМ.

5. Конструкція і раціональні параметри ВТМ у складі унікальної автоматизованої лінії крупного вагонного литва у ВАТ "Азовмаш".

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Дістав подальший розвиток метод розрахунку високотонажних вибивних транспортуючих машин, що, на відміну від традиційних, враховує вплив пружно-інерційних характеристик металоконструкції та власних частот коливань машини на робочий процес.

2. Вперше сформульовано та поставлено проблему синтезу ВТМ з дебалансним приводом як задачу оптимального проектування віброударної динамічної системи з обмеженнями на її параметри та характеристики, причому склад варійованих параметрів і характеристик, що враховуються, визначається в ході проведення досліджень.

Вперше запропоновано метод проектування ВТМ, що поєднує одночасно 2 процеси: верифікацію параметрів розрахункової моделі та параметричну оптимізацію.

Одержав істотний розвиток метод розрахунково-експериментального визначення навантажень на ВТМ шляхом паралельного дослідження числовим та експериментальним методами спеціально виготовленого дослідного зразка ВТМ, функціонуючого в реальних умовах виробництва.

Для досягнення необхідних віброміцнісних характеристик ВТМ вперше враховані її власні частоти коливань, обумовлені деформацією елементів конструкції, а також покращені динамічні характеристики шляхом управління цими частотами.

Вперше спроектована унікальна ВТМ із заданими технічними характеристиками для забезпечення безперервної роботи у складі унікальної лінії крупного вагонного литва з масою вибиваної грудки до 10 т.

Практичне значення отриманих результатів. Створені в роботі методи розрахунку ВТМ дозволяють в найкоротші терміни спроектувати працездатну, надійну, віброміцну, з високою навантажувальною здатністю, з помірною металоємністю ВТМ з дебалансовим приводом. Зокрема, визначені раціональні параметри і впроваджена у складі автоматизованої формувальної лінії вибивна машина крупного вагонного литва в ЗАТ "АзовЕлектроСталь", що забезпечило надійну роботу всієї лінії без простоїв. Основні результати досліджень, рекомендації по проектуванню і виготовленню впроваджені в практику проектування і виготовлення устаткування подібного типу у ВАТ "ГСКТІ", ЗАТ "АзовЕлектроСталь" і ВАТ "Азовмаш", а також у навчальний процес в НТУ "ХПІ" з відповідними актами впровадження. Важливою особливістю отриманих результатів є можливість їх розповсюдження на широкий клас конструкцій подібного типу.

Особистий внесок здобувача. Всі положення дисертації, винесені на захист, розроблені пошукачем самостійно [1-20]. Зокрема, проведені наступні дослідження:

аналіз даних експериментальних досліджень робочих навантажень, напружень і деформацій металоконструкції вибивної машини;

розробка на основі параметричного підходу комплексної математичної моделі для дослідження динамічних процесів у вибивній машині;

розробка методів, моделей і алгоритмів для синтезу параметрів вибивної інерційної машини на основі моделювання динамічних процесів;

розробка рекомендацій по проектуванню і вдосконаленню ВТМ;

визначення структури і основних параметрів вибивної машини.

У роботах, виконаних у співавторстві [2, 4, 5], автор запропонував основні співвідношення для розрахунково-експериментального методу визначення параметрів числових моделей. У статті [3] авторові належить ідея про розповсюдження інформаційних потоків на процеси проектування і дослідження машинобудівних конструкцій, а також її реалізація. У статтях [7, 9, 11-15] автором запропоновані основні проектні рішення по вибивній машині, методика, аналіз і розробка рекомендацій за результатами експериментального дослідження дослідного зразка, а також методика проведення і аналіз результатів досліджень вдосконаленого зразка машини. Статті [14, 16] містять авторські розробки по створенню спеціалізованих програмно-модельних і програмно-апаратних комплексів для аналізу і синтезу складних механічних систем. У патентах [17-20] авторові належать ідеї і технічні рішення.

Статті [1, 6, 8, 10] написані без співавторів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення роботи доповідалися на XIV та XV міжнародних науково-практичних конференціях "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я" (MicroCAD, м. Харків, 2006-2008р.р.); VII міжнародній науково-технічній конференції "Вібрації у техніці і технологіях" (м. Львів, 2006 р.); на 13й міжнародній науково-технічній конференції "Фізичні і комп'ютерні технології" (м. Харків, 2007 р.); XIII регіональній науково-технічній конференції "Університет - місту" (м. Маріуполь, 2006 р.); VIII міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (м. Львів, 2007 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Машинобудування та техносфера ХХІ століття" (м. Севастополь, 2007 р.); 9йщорічній міжнародній конференції SolidWorks в Росії по САПР/PLM (м. Москва, 2007 р.); III Білоруському конгресі з теоретичної механіки і прикладної математики (м. Мінськ, 2007 р.); міжнародній науково-технічній конференції пам'яті академіка В.І. Моссаковського "Актуальні проблеми механіки суцільного середовища і міцності конструкцій" (м. Дніпропетровськ, 2007 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Сучасні проблеми машинознавства" (м. Луганськ, 2007 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 16 статей [1-16], з них 4 - без співавторів, а також отримано 4 патенти на корисну модель [17-20].

Структура і обсяг роботи. Дисертація викладена на 265 сторінках машинописного тексту, складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків і рекомендацій, списку використаних джерел, що містить 199 найменування на 18 сторінках, 13 додатків на 86 сторінках. Дисертація містить 124 рисунків, з них на повних сторінках 9, 10 таблиці, з них на повних сторінках 1.

2. Основний зміст

У вступі викладена актуальність теми дисертації, її наукова і практична цінність, сформульована мета і намічені задачі роботи.

Наведений в розділі 1 аналіз конструкції існуючих вибивних машин і методів їх розрахунку дозволяє зробити висновок про складність застосування традиційних і сучасних методів розрахунку динамічних процесів через специфічні умови роботи, вимоги і критерії, яким повинна задовольняти ВТМ для чищення крупного литва у складі автоматизованої формувальної лінії. Забезпечення надійності, високої навантажувальної здатності, віброміцності, мінімальної металоємності є ключовим моментом при проектуванні вибивної машини. Необхідність забезпечення цих вимог, що пред'являються до конструкції ВТМ із заданим ресурсом, прямо пов'язана з постановкою задачі про визначення рівнів навантаженості елементів робочих органів на етапі проектування машин даного класу. У зв'язку з цим виникає актуальна і важлива науково-практична задача розробки методів моделювання динамічних процесів в досліджуваній віброударній системі, характеристик вибивної машини і обґрунтування її оптимальних параметрів. У розділі намічені шляхи розв'язання цієї задачі та визначені етапи досліджень.

У розділі 2 розглянуті теоретичні основи синтезу конструктивних параметрів вибивної машини на основі розрахунково-експериментального моделювання динамічних процесів на прикладі ВТМ для очищення крупного вагонного литва. Вибивна транспортуюча машина є замикаючою ланкою складі автоматизованої формувальної лінії і призначена для відділення виливків від формувальної суміші (вага грудки формувальної суміші з виливком в даному випадку 10 т) і їх транспортування.

Згідно з умовами роботи, вимогами, що пред'являються до ВТМ, у загальному вигляді задача оптимального проектування може бути представлена у вигляді:

I(p, h) ® min; L(p, u, t) = 0; G(p, h)і 0, (1)

де I - функціонал якості, який визначає основні вимоги до конструкції ВТМ с заданими параметрами p та характеристиками h; L - оператор задачі аналізу руху (динаміки) елементів вибивної машини при змінних стану динамічної системи и, заданих параметрах p в будь-який момент часу t; G - обмеження на параметри p (задаються), та характеристики h = h(u) (обчислюються).

У зв'язку з неможливістю розв'язання задачі в повному обсязі існуючими в даний час методами аналізу і синтезу вибивних машин був запропонований новий метод: показані етапи аналізу процесів і синтезу параметрів динамічної системи вибивної машини. Тут поєднуються етапи створення математичної моделі ВТМ, числового моделювання динамічної системи (II), експериментальних досліджень на спеціально створеному стенді (III), верифікації частини параметрів загального параметричного простору (IV), синтезу частини параметрів динамічної системи (V) і створення адекватної числової моделі, що поєднує параметри, які верифікуються і оптимізуються.

Принциповою новизною і особливостями запропонованого підходу є поєднання всіх моделей, етапів і результатів досліджень з набором зворотних зв'язків, з можливістю вбудовування в процес проектування. Крім того, всі потоки інформації в ході проектування ВТМ за динамічними, міцнісними характеристиками, за критерієм мінімальної металоємності, заданою навантажувальною здатністю, вібростійкості, надійності і довговічності в межах запропонованої технології прозорі, доступні і контрольовані.

Як основні критерії в ході проектування вибивної машини як складної динамічної системи можуть виступати: - маса машини; - довговічність; I3 - напруження в конструкції вибивної машини, а також інші критерії. При цьому можна формувати синтетичні критерії:

, (2)

де - вагові коефіцієнти, що задаються.

Обмеженнями при виконанні проектних досліджень ВТМ можуть виступати: обмеження міцності G1; G2 - обмеження по амплітудах переміщень, швидкостей і прискорень елементів динамічної системи; G3 - обмеження власних частот коливань вибивної машини як пружної конструкції і т.д.

Числова модель динамічної системи утворюється з використанням традиційної схеми побудови рівнянь Лагранжа 2-го роду, що описується набором узагальнених координат qk:

(3)

де T - повна кінетична енергія системи в узагальнених координатах qk та узагальнених швидкостях ; Qk - -а узагальнена сила, N - кількість узагальнених координат (число ступенів вільності).

Як функціонал відповідності результатів числових і експериментальних досліджень Е можуть бути використані різні норми різниць часових розподілів :

. (4)

Передбачається, що експериментальні дослідження динамічних процесів для визначення здійснюються за допомогою динамічної тензометрії. Для числового моделювання динамічних процесів у вибивній машині, тобто для розв'язання системи диференціальних рівнянь (3)

, (5)

где - матриця мас системи; q - стовбець узагальнених координат (у даному випадку - 12 ступенів вільності, по 6 - вибивної машини та технологічного вантажу), - вектор узагальнених сил, застосовуються різні числові методи, наприклад, Рунге-Кутти. Для мінімізації функціоналів (2), (4) передбачається використовувати різні варіанти методу покоординатного спуску з проекцією на обмеження G:

; , (6)

де ,

(7)

- параметри, що визначаються умовами убування I , Э, прискорення швидкості збіжності та виконання обмежень.

Задавшись загальною технологією аналізу і синтезу параметрів динамічної системи ВТМ, а також визначивши моделі, методи і алгоритми для числового розв'язання поставленої задачі, можна переходити до програмної реалізації. Пропонується 2 шляхи розв'язання задач аналізу динамічних процесів: створення програмних модулів в середовищі пакету математичних обчислень Maple; моделювання процесу в середовищі САЕ-систем.

Структурна схема для організації процесу досліджень ВТМ базується на реалізації запропонованої розрахунково-експериментальної технології, при цьому використаний ітераційний процес уточнення параметрів (зворотний зв'язок IV-III, V-III). Для організації проведення досліджень за пропонованою схемою створений програмно-апаратний комплекс "ПАК-УВЛ". До основних достоїнств запропонованої схеми слід віднести наявність єдиного підходу, єдиного способу опису проектованого об'єкту на базі узагальненого параметричного представлення, а також можливість організації зворотних зв'язків на всіх етапах комплексу робіт. Важливо, що в єдиному процесі пов'язали і експериментальні вимірювання, і числові розрахунки, і проектно-конструкторські роботи. Тому можна заключити, що розроблений метод представляє ефективний інструмент розв'язання поставленої задачі із залученням найсучасніших технологій моделювання і програмно-апаратних засобів.

У розділі 3 описано розрахунково-експериментальне визначення динамічної моделі вибивної машини. Експериментальні дослідження проводилися на дослідно-промисловому зразку працюючої ВТМ при її номінальному експлуатаційному навантаженні. Вимірювання напружень виконувалися на найбільш навантажених вузлах вибивної машини - підгратових балках і стінках дебалансів. Характер динамічних напружень, отриманих в результаті випробувань, представлений на графіках. Найбільші величини напружень наведені в табл. 1.

За результатами випробувань можна зробити висновок: металоконструкція підгратових балок опор дебалансів має недостатню міцність, тому що дійсні напруження в підгратовій балці перевищують межу витривалості, що призвело до появи тріщин по живому металу; недостатня міцність щік (стінок) опор дебалансів; сильні вібраціїї окремих елементів.

Як випливає з аналізу результатів розрахунково-експериментальних досліджень, найбільш значущими чинниками і проблемними елементами конструкції є: динамічне і ударне навантаження від дебалансового приводу і робочого вантажу; втомна міцність підгратових балок і стінок опор валів; конструктивні параметри і виконання стінок опор дебалансів і перетинів підгратових балок.

При числовому дослідженні динамічних характеристик дослідно-промислового зразка ВТМ виявлена велика ймовірність збігу частот збурюючих навантажень з частотами власних коливань корпусу.

Моделювання динамічного процесу показало збіг з характером динамічних напружень за результатами випробувань, що служить додатковим аргументом на користь точності числового моделювання динаміки.

При оцінюванні параметрів ударної дії робочого вантажу і динамічної дії дебалансового приводу можна відзначити високий ступінь відповідності отриманих числових результатів експериментальним даним (різниця - близько 10%), що дає підстави стверджувати про отримання задовільної розрахунково-експериментальної оцінки: близько 0,5 МН - амплітудне значення зусиль від дебалансових валів; 2,5 МН - від дії технологічного вантажу. Частота збурення від дії дебалансових валів - 16 Гц. З цією ж частотою діє імпульсне навантаження (тривалість імпульсу - близько 10 мс.).

За результатами досвіду використання запропонованого методу в умовах дослідження дослідного зразка вибивної машини можна зробити висновки. Метод забезпечує високу ефективність, оперативність, достовірність, точність і низьку вартість досліджень. Результатом застосування методу (або його часткової схеми) можуть бути отримані або узгоджені розподіли шуканих переміщень, прискорень вибивної машини, зусиль навантажень, напружень, або узгоджена розрахункова модель, готова для проведення подальших числових досліджень (в даному випадку отримані і використовуються обидва результати). Визначені на етапі розрахунково-експериментальних досліджень параметри і значущі чинники є основою при побудові динамічної моделі ВТМ, що забезпечує високу точність і достовірність отримуваних результатів, оскільки при цьому фіксується дія всіх реальних чинників в їх сукупності. Клас конструкцій і явищ, на які може бути поширений запропонований метод досліджень, достатньо широкий, а сам метод достатньо гнучкий і легко модифікується. Таким чином, основним результатом розрахунково-експериментальних досліджень є адекватна і точна числова модель досліджуваної віброударної динамічної системи і проблемні чинники, які стримували розв'язання задачі традиційними методами.

У розділі 4 описане числове моделювання динамічних процесів і характеристик вибивної машини. Дослідження вибивних машин, що раніше проводилися, мають такий недолік, що не враховують повний спектр власних частот коливань ВТМ. В основному беруться до уваги тільки коливання вибивної машини як абсолютно твердого тіла на пружних опорах. В той же час для машин такої маси і габаритів виникає небезпека попадання частоти збурюючого навантаження в інтервал власних частот. У зв'язку з цим надалі слід розрізняти трансляційні форми коливань ВТМ (переважно як жорсткого тіла) і деформаційні (в основному за рахунок деформації її корпусу). Власні частоти відповідно позначаються і . Враховуючи, що руху ВТМ як твердого тіла відповідають 6 ступенів вільності, запишемо вимогу до спектру власних частот :

, (8)

де - коефіцієнт перевищення, ); - коефіцієнт запасу по нижній власній деформаційній частоті.

Коректна постановка вимагає для визначення спектру розглядати всю систему "металоконструкція - опори ВТМ" у взаємозв'язку методом скінченних елементів. Оскільки в цьому випадку сполучаються система із скінченним числом ступенів вільності і система з нескінченним числом ступенів вільності, то доцільно залучити для визначення власних частот всієї системи метод скінчених елементів (МСЕ). При цьому власні частоти p визначаються з рівняння:

, (9)

деформація машина литво вибивний

де, М - матриці жорсткості та мас системи; u - вектор вузлових переміщень.

Розв'язання задачі про власні значення (9) дає спектр власних частот ps, S=1,…,N, де N - кількість ступенів вільності скінчено-елементної моделі системи "металоконструкція ВТМ - опори", а також множину відповідних форм коливань us. Для виділення зі всього спектру ps трансляційних і деформаційних частот коливань потрібен аналіз форм коливань. Проте зазвичай нижчі частоти вибивної машини p1-p6 відповідають трансляційним формам коливань, а частоти p7, p8 … - деформаційним формам. Тоді умову (8) можна переписати у вигляді:

, (10)або. (11)

Позначаючи через відносну частоту:

, (12)

співвідношення (7) і (8) можна представити у вигляді:

, (13). (14)

Умови (10), (11), (13), (14) при заданих , є задачею відстроювання спектру власних частот коливань машини від частоти збурюючого навантаження (рис.11).

Формально задачу можна поставити у вигляді недопущення частот , всередину інтервалу (рис.11) або про видалення частот , з даного інтервалу.

Як варійовані чинники для досліджуваної вибивної машини були визначені: - конструктивне виконання опор балансирів; - товщина щік балансирів; - параметри поперечного перетину підгратових балок ВТМ. Вони і були прийняті як варійовані узагальнені параметри, в просторі яких і проводиться розв'язання задач (10)-(13). Оскільки (окрім товщини стінок) ці параметри важко відображати в числовому вигляді, то як числовий параметр - "посередник" цих параметрів можна прийняти масу металоконструкції: . В цьому випадку можна отримати зрізи залежностей власних частот коливань від маси для тих або інших варійованих параметрів , і . При цьому варіювання параметрів , і проводиться так, щоб залежність носила монотонний характер (будь-то при зміні товщини щік, розмірів перетину або номерів конструктивних рішень опор з розміщенням ребер жорсткості).

Розглянемо спектр власних частот ВТМ при зміні конструктивного виконання (обребріння) опор дебалансів і зміні товщини щік дебалансів. Всього розглянуто 6 варіантів обребріння та 5 варіантів товщини щік від 10 мм до 30 мм для №3 обребріння. Наведені графіки залежності частот коливань від маси вибивної машини. Наведені графіки залежності частот коливань від маси ВТМ при зміні товщини щік. Видно, що вибір варіанту оребріння і товщини щік істотно позначається на спектрі власних частот її коливань. Це дозволяє розглядати ці два узагальнені параметри в числі значущих варійованих параметрів, управління якими дає можливість розв'язувати задачу частотного відстроювання, а, отже, і зміни НДС ВТМ.

Розглянемо вплив перетину підгратових балок на спектр власних коливань ВТМ. Для визначення впливу третього узагальненого параметра на спектр власних частот коливань вибивної машини були розглянуті 4 варіанти двотаврових перерізів і балки коробчастого перерізу. При варіюванні поперечних перерізів підгратових балок власна частота слабо змінюється. Отже, цей параметр важливий у випадку, якщо необхідно зміцнити конструкцію ВТМ, неістотно змінюючи її власні частоти.

Підсумовуючи проведені дослідження про вплив 3-х узагальнених параметрів на спектри власних частот конструкцій ВТМ, можна зробити висновок, що цілеспрямованою зміною перших двох параметрів можна добитися частотного відстроювання ВТМ від резонансних режимів роботи, а зміною третього можна досягти зміцнення всієї конструкції в цілому і підгратових балок - зокрема. Аналіз представлених результатів дозволяє виділити рекомендований варіант, що відповідає товщині щік =30 мм і варіанту обребріння , а також вибору коробчастого перерізу підгратової балки. При числовій перевірці рекомендацій по вибору раціональних параметрів ВТМ (досліджено ще 12 варіантів) необхідно відзначити: ідентичність розподілу швидкостей і прискорень ВТМ початкового и кінцевого варіантів; в той же час її міцність стала кращою; при дослідженні власних форм коливань ВТМ видно, що частоти навантаження знаходяться в інтервалі між максимальними трансляційними і мінімальними деформаційними частотами, тобто ВТМ працює в зарезонансному режимі за трансляційними частотами, а у дорезонансному - за деформаційними.

У 5 розділі описане експлуатаційне дослідження нової модернізованої вибивної машини, створеної на основі розроблених рекомендацій. Методом електротензометрії виконані дослідження динамічного процесу і напружень у відповідальних елементах конструкції. Виміри динамічних напружень виконувалися на підгратових балках коробчастого перетину і стінках опор дебалансових валів.

Рівень напружень, наведених в табл. 2, свідчить про достатню міцність досліджуваних елементів вдосконаленої конструкції ВТМ. Таким чином, була спроектована працездатна, надійна, з прийнятною металоємністю конструкція ВТМ, що відповідає всім технічним вимогам і впроваджена у діюче виробництво.

Аналізуючи результати експлуатації вибивної машини протягом 3-х років, слід зазначити: правильність вибору конструктивних параметрів окремих вузлів і механізмів; відсутність поломок, виходу з строю базових деталей, що свідчить про достатню розрахункову міцність конструкції; збільшення обсягу виробництва крупного вагонного литва за рахунок усунення простоїв. Цим підтверджується адекватність розроблених математичних моделей, точність отриманих результатів та достовірність рекомендацій.

Річний економічний ефект від впровадження вибивної машини - 314,76 тис. грн. Сумарний річний ефект від впровадження у виробництво всієї формувальної лінії склав 23,636 млн. грн.

Висновки

1. У роботі запропонований новий метод обґрунтування параметрів великотонажних ВТМ для очищення крупних виливків на основі параметричного опису машини як віброударної системи і розрахунково-експериментального моделювання робочого процесу, а також проведено з його застосуванням проектування і вдосконалення ВТМ у складі автоматизованої лінії для виробництва елементів вагонних візків за критеріями навантажувальної здатності, віброміцності, надійності, якості роботи, довговічності і металоємності, що в сукупності є новим розв'язанням актуального і важливого для виробництва і машинознавства науково-технічного завдання.

2. Дістав подальший розвиток метод розрахунку високотонажних вибивних транспортуючих машин, що, на відміну від традиційних, враховує вплив пружно-інерційних характеристик металоконструкції та власних частот коливань машини на робочий процес і на віброміцність машини: розроблений метод дав можливість здійснити процес частотного відстроювання нижньої власної деформаційної частоти від частоти навантаження на 40-50% за рахунок раціонального вибору товщини опор дебалансових валів і посилення бічних стінок проектованої машини.

3. Розроблена нова методика досліджень, де на основі узагальненого параметричного опису складних механічних систем, методів теорії механізмів і машин і методу скінченних елементів побудований єдиний взаємозв'язаний комплекс математичних, числових і експериментальних моделей, що взаємодоповнюються і взаємоперетинаються, чим досягається наскрізна параметризація всіх етапів досліджень.

4. Відмітною особливістю постановки задачі оптимального синтезу структури і параметрів ВТМ, яка запропонована в роботі, є паралельне розв'язання задач визначення параметрів створюваних динамічних моделей машини, і власне оптимізація структури та параметрів вже на основі моделей, верифікованих на стадії розрахунково-експериментальних досліджень.

5. У роботі викладений новий варіант розрахунково-експериментального визначення параметрів динамічних моделей машини, де на першій стадії спеціально виготовляється дослідний зразок машини, який випробовується в реальних умовах експлуатації, визначаються значущі чинники процесу, проблемні частини конструкції, а створювані її динамічні моделі використовують отриману інформацію як базову для верифікації параметрів числових моделей, зокрема, законів розподілу і величин діючих навантажень. При цьому забезпечується точність визначення навантажень на рівні 10%.

6. На основі створеного в роботі програмно-модельного комплексу здійснено багатоваріантне моделювання динамічних процесів, дослідження частотних характеристик і напружено-деформованого стану вибивної транспортуючої машини, внаслідок чого розроблені конкретні рекомендації по вдосконаленню конструкції.

7. Шляхом обґрунтованого в роботі раціонального вибору товщини стінок опор приводних валів (збільшення до 30 мм проти 16 мм в первинному варіанті), установкою додаткового обребріння бічних стінок вибивної машини і заміною двотаврового поперечного перетину опорних балок на коробчастий профіль (товщиною стінок 20 мм і габаритами 310х135 мм) усунені вібраційні перевантаження всієї машини, ліквідовані причини втомного руйнування опор приводних валів і підгратових балок, а також нормалізовано режим роботи пружинних опор, чим забезпечена необхідна довговічність.

8. Вибивна транспортуюча машина з рекомендованими параметрами забезпечує вимогам умов експлуатації: навантажувальну здатність - 100 кН; надійність і довговічність (безремонтний постійний цикл роботи - 350 млн. циклів); якість вибивки виливків (амплітуда вибивки - на рівні до 5,0 мм, частота - 16 Гц); помірну металоємність (маса 21060 кг, забезпечує відношення маси технологічного вантажу до маси ВТМ на рівні 0,45, що вписується в рекомендований інтервал 0,3-0,5); достатню міцність і довговічність (максимальні напруження знаходяться на рівні 130 МПа, що на 30% нижче допустимих при багатоцикловому навантаженні для сталі 09Г2С, і забезпечують відсутність тріщиноутворення протягом 350 млн. циклів і більше); стабільність роботи (характеризується відношенням частоти вибивки до власних трансляційних частот для вдосконаленої машини на рівні 3,9-4,5, який входить в рекомендований діапазон для вибивних транспортуючих машин - 2,0-5,0).

9. Вдосконалена на основі проведених досліджень ВТМ пройшла комплекс експериментальних досліджень, в ході яких підтверджені точність та достовірність числового моделювання основних характеристик динамічного процесу, міцнісні та високі функціональні характеристики ВТМ.

Розроблені за результатами дисертаційних досліджень рекомендації дали можливість виготовити і впровадити у виробництво ВТМ, що задовольняє всім вимогам для роботи у складі автоматизованої лінії крупного вагонного литва в ЗАТ "АзовЕлектроСталь" та забезпечує надійну і безперебійну експлуатацію всієї лінії та дозволяє отримати економічний ефект в сумі 314,76 тис. грн.

Запропонований в роботі метод досліджень може бути поширений на широкий клас конструкцій ВТМ для оснащення ліній автоматизованого литва великогабаритних виливків як основа при створенні динамічних моделей, розрахунку їхніх параметрів і оптимізації конструкцій.

Список опублікованих робіт здобувача

1. Барчан Е.Н. Особенности работы выбивного оборудования в составе автоматизированной формовочной линии крупного литья // Вестник НТУ "ХПИ". Тем. вып.: "Машиноведение и САПР". - 2005. - №53. - С. 19-23.

2. Чепурной А.Д., Глинин Г.П., Гусев Ю.Б., Пеклич М.М., Барчан Е.Н., Ткачук Н.А. Расчетно-экспериментальный метод определения параметров элементов машиностроительных конструкций // Вестник НТУ "ХПИ". Тем. вып.: "Машиноведение и САПР". - 2005. - №53. - С. 162-176.

3. Артемов И.В., Барчан Е.Н., Глинин Г.П., Пеклич М.М., Роменский В.И., Ткачук Н.А. К вопросу об интеграции систем автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и управления предприятием // Вестник НТУ "ХПИ". Тем. вып.: "Машиноведение и САПР". - 2005. - №60. - С. 9-29.

4. Головченко В.И., Барчан Е.Н., Пеклич М.М., Ткачук А.Н. Расчетно-экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния пространственных крупногабаритных конструкций // Вестник НТУ "ХПИ". Тем. вып.: "Машиноведение и САПР". - 2006. - №3. - С. 49-57.

5. Ткачук Н.А., Ищенко О.А., Веретельник Ю.В., Барчан Е.Н. Определение силовых воздействий на элементы сложных механических систем // Пр. Таврійської держ. агротехн. акад. - Мелитополь, 2006. - Вип. 36. - С. 141-149.

6. Барчан Е.Н. О напряженном состоянии несущих конструкций выбивных транспортирующих решеток в составе комплексной автоматической формовочной линии // Вестник НТУ "ХПИ". Тем. вып.: "Машиноведение и САПР". - 2006. - №24. - С. 16-20.

7. Барчан Е.Н., Чепурной А.Д., Ткачук Н.А. Розробка конструкції та вдосконалення параметрів решітки вибивальної транспортуючої у складі автоматизованої формувальної лінії крупного вагонного литва // Міжвід. наук.-техн. зб. "Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні". - Львов. - 2006. - №40. - С. 11-20.

8. Барчан Е.Н. Методы, модели и алгоритмы для синтеза параметров выбивной инерционной машины на основе моделирования динамических процессов // Вестник НТУ "ХПИ". Тем. вып.: "Машиноведение и САПР". - 2007. - №3. - С. 3-17.

9. Барчан Е.Н., Ткачук Н.А., Грабовский А.В. Экспериментальное исследование динамических процессов в выбивной машине с дебалансным приводом // Вестник НТУ "ХПИ". Тем. вып.: "Машиноведение и САПР". - 2007. - №3. - С. 17-24.

10. Барчан Е.Н. Совершенствование конструкции выбивной машины в составе автоматизированной линии крупного вагонного литья на основе расчетно-экспериментальных исследований рабочего процесса // Вестник НТУ "ХПИ". Тем. вып.: "Машиноведение и САПР". - 2007. - №23. - С. 3-25.

11. барчан е.н., шкода в.а., просянок в.в., грабовский а.в. экспериментальное исследование динамических процессов в оптимизированной выбивной машине // Вестник НТУ "ХПИ". Тем. вып.: "Машиноведение и САПР". - 2007. - №23. - С. 26-32.

12. Барчан Е.Н., Полищук Т.Р., Грабовский А.В. Расчетно-экспериментальное уточнение параметров численных моделей элементов "выбивная машина - технологическая нагрузка" // Вестник НТУ "ХПИ". Тем. вып.: "Транспортное машиностроение".- 2007 - №33. - С. 176-183.

13. Барчан Е.Н., Луцкий М.Б. Анализ конструкций выбивных машин литейного производства // Сб. науч. тр. Донбасского гос. техн. ун-та, г. Алчевск. - 2006. - №21. - С. 80-87.

14. Ткачук Н.А., Головченко В.И., Барчан Е.Н., Гусев Ю.Б., Глинин Г.П. Структура специализированных систем автоматизированного анализа и синтеза сложных механических систем // Вісник Східноукраїнського нац. ун-ту ім. В. Даля. - Луганськ. - 2007. - №9 (115). - Ч. 1. - с. 206-216.

15. Барчан Е.Н., Грабовский А.В. Верификация численных моделей при исследовании выбивной машины с помощью современных САПР// Вестник НТУ "ХПИ". Тем. вып.: "Машиноведение и САПР". - 2008. - №2. - С. 8-13.

16. Барчан Е.Н., Ткачук Н.А., Грабовский А.В. К вопросу об исследовании прочностных характеристик корпуса выбивной машины и динамических процессов при выбивке отливок // Вестник НТУ "ХПИ". Тем. вып.: "Машиноведение и САПР". - 2007. - №29. - С. 8-16.