Розробка та аналіз роликової формувальної установки з рекупераційним приводом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.05.02 машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій

РОЗРОБКА ТА АНАЛІЗ РОЛИКОВОЇ ФОРМУВАЛЬНОЇ

УСТАНОВКИ З РЕКУПЕРАЦІЙНИМ ПРИВОДОМ

ПОЧКА Костянтин Іванович

Київ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор

Ловейкін Вячеслав Сергійович,

Національний аграрний університет,

завідувач кафедри конструювання машин

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Маслов Олександр Гаврилович,

Кременчуцький державний політехнічний університет

імені Михайла Остроградського, завідувач кафедри

конструювання машин та технологічного обладнання

кандидат технічних наук, доцент

Човнюк Юрій Васильович,

Київський економічний інститут менеджменту,

доцент кафедри фінансів та кредиту

Захист дисертації відбудеться «30» жовтня 2008 р. об 11⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.08 при Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03680, м. Київ, Повітрофлотський просп., 31

Автореферат розісланий «29» вересня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д.т.н., професор В.Б. Яковенко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення надійності робочих органів конструкцій машин для ущільнення виробів з бетонних сумішей та інших елементів, зниження металомісткості, покращення експлуатаційних показників, розширення функціонально-технічних можливостей є пріоритетним напрямком роботи з вдосконалення існуючих та розробки нових бетоноформувальних машин.

В існуючих теоретичних та експериментальних дослідженнях машин роликового формування залізобетонних виробів обґрунтовано їхні конструктивні параметри та продуктивність. Разом з тим недостатньо уваги приділено дослідженню енергетичних витрат, діючих динамічних навантажень, їхнього характеру зміни в часі та впливу на елементи приводу формувальних візків і на якість готової продукції.

Найбільші динамічні навантаження виникають при досягненні формувальними візками крайніх положень. Такі навантаження є негативними і відносяться до суттєвих факторів, що приводять до передчасного виходу установки з ладу.

Дослідження динамічних процесів при роботі роликових формувальних установок дозволять порівняти і оцінити динаміку навантажень, що діють на елементи її конструкції та привод під час перехідних процесів, а також здійс-нити на основі цього модернізацію існуючих конструкцій та розробку нових, які забезпечать високу ефективність роботи бетоноформувальних машин.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертаційної роботи виконувалися згідно з напрямком досліджень кафедр машин і обладнання технологічних процесів та основ професійного навчання Київського національного університету будівництва і архітектури (КНУБА), а саме напрямку роботи “Динаміка і оптимізація режимів руху механізмів і машин” та “Теорія взаємодії технічних систем будівельного виробництва статичної і динамічної дії з напружено-деформованим середовищем” (№ держреєстрації 0107U000448).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення ефективності машин роликового формування плоских залізобетонних виробів шляхом зниження енергетичних витрат і динамічних навантажень, що діють на елементи приводу формувальних візків.

Досягнення поставленої мети передбачає вирішення наступних задач:

- проаналізувати роботу та методи створення і розрахунку існуючих роликових формувальних установок для виробництва плоских залізобетонних виробів;

- розробити конструкцію роликової формувальної установки з рекупераційним приводом;

- розробити динамічну та математичну моделі руху установки;

- провести динамічний аналіз установки;

- дослідити вплив кута зміщення кривошипів приводного механізму на динаміку руху установки;

- провести оптимізацію конструктивних параметрів приводного механізму установки;

- розробити лабораторну дослідну фізичну модель роликової формувальної установки з рекупераційним приводом;

- провести експериментальні дослідження з визначення режимів руху та силових параметрів установки;

- розробити рекомендації щодо вдосконаленню машин роликового формування.

Об'єкт дослідження - процес руху роликової формувальної установки при формуванні виробів з бетонних сумішей.

Предмет дослідження динаміка руху роликової формувальної установки та її вплив на робочий процес.

Методи дослідження - теоретичні дослідження виконано із застосуванням методів теоретичної механіки, теорії механізмів і машин, диференціального та інтегрального числення, методів математичного моделювання. Для теоретичних розрахунків використано програми “Мathcad MathSoft Engineering & Education, Inc. (2001i Professional)” та MS “Excel”. Експериментальні дослідження проводились на лабораторній моделі роликової формувальної установки з рекупераційним приводом із застосуванням високотехнологічного вимірювального обладнання лабораторії надійності сільськогосподарської техніки УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого.

Наукова новизна отриманих результатів. Запропоновано принцип роботи і конструкцію роликової формувальної установки з рекупераційним приводом, яка дозволяє здійснювати перерозподіл енергії формувальних візків під час безперервних пускогальмівних режимів руху.

Розроблено математичну модель динаміки руху роликової формувальної установки з рекупераційним приводом, яка враховує механічну характеристику приводу та її зв'язок з динамікою руху формувальних візків, що взаємодіють з бетонною сумішшю. Проведено аналіз розв'язку даної моделі, який дозволив реально оцінити вплив виду приводу на систему.

На основі розробленої моделі встановлено залежність нерівномірності руху від кута зміщення кривошипів приводу формувальних візків роликової формувальної установки з рекупераційним приводом.

Обґрунтовано доцільність застосування рекупераційного приводу формувальних візків машин роликового формування залізобетонних виробів, як одного із способів зниження енергетичних витрат та динамічних навантажень.

Оптимізовано конструктивні параметри ланок приводного механізму роликової формувальної установки.

Встановлено за енергетичними та динамічними критеріями закономір-ності зміни динамічних навантажень в елементах установки, а також проведено їх аналіз.

Практичне значення отриманих результатів. На основі проведених досліджень запропоновано і впроваджено ефективну методику розрахунку динамічних навантажень та нерівномірності руху, яка дозволяє в повній мірі визначити динаміку руху машин роликового формування та дослідити динамічні характеристики приводного механізму.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дозволили рекомендувати використання рекупераційного приводу в машинах роликового формування залізобетонних виробів, який дає можливість значно зменшити енергетичні витрати та динамічні навантаження.

В процесі досліджень встановлено, що застосування рекупераційного приводу дозволяє підвищити продуктивність роботи у 2 рази, знизити коефіцієнт нерівномірності руху у 2,6 разів, коефіцієнт динамічності у 3,5 рази, узагальнений коефіцієнт оцінки руху у 4,3 рази та зменшення споживаної потужності на 40 % на одиницю випущеної продукції.

На основі результатів досліджень запропоновано рекомендації з удосконалення конструкцій приводних механізмів та елементів машин роликового формування, захищених патентами на винаходи та корисні моделі (10 патентів).

Результати досліджень прийняті до впровадження в товаристві з обмеженою відповідальністю “Черкасизалізобетонбуд” (м. Черкаси, Україна). Методику проведення експериментальних досліджень впроваджено в нав-чальний процес на кафедрі основ професійного навчання КНУБА при дослідженні нерівномірності руху важільних механізмів з дисципліни “Теорія механізмів і машин”.

Особистий внесок автора

- проведено аналіз літературних джерел та патентної документації присвячених проблемі підвищення ефективності машин роликового формування плоских залізобетонних виробів;

- розроблено конструкцію роликової формувальної установки з рекупераційним приводом;

- розроблено математичну модель динаміки руху роликової формувальної установки з рекупераційним приводом та складено алгоритм її розв'язку;

- проведено динамічний аналіз роликової формувальної установки з рекупераційним приводом;

- досліджено вплив кута зміщення кривошипів приводного механізму на динаміку руху роликової формувальної установки з рекупераційним приводом;

- проведено оптимізацію конструктивних параметрів приводного механізму роликової формувальної установки з рекупераційним приводом;

- створено лабораторну модель роликової формувальної установки з рекупераційним приводом для проведення лабораторних досліджень, розроблено методику та підібрано вимірювальне обладнання для експериментального визначення режимів руху та силових параметрів;

- проведено експериментальні дослідження з визначення режимів руху та силових параметрів установки;

- розроблено рекомендації щодо вдосконалення машин роликового формування.

Апробація результатів роботи. Основні положення результатів дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися на 65…69 науково-практичних конференціях КНУБіА (м. Київ, 2004...2008 рр.); на науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів КНУБА 2006 та 2007 років; на І-й міжнародній науково-технічній конференції “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин” (DSRAM-I), м. Тернопіль, 4-7 жовтня 2004 року; на міжнародній науково-технічній конференції “Вібрації в техніці та технологіях”, ПНТУ ім. Ю. Кондратюка, м. Полтава, 3-7 жовтня 2005 року; на четвертій міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки”, ХНТУСГ ім. П. Василенка, м. Харків, 9-10 листопада 2005 року; на науковому семінарі “Проблеми та перспективи розвитку підйомно-транспортних машин”, м. Тернопіль: ТДТУ, 2-5 квітня 2007 року; на міжнародній науково-практичній конференції “Інноваційні технології в АПК”, м. Луцьк: ЛДТУ, 25-27 червня 2007 року; на міжнародній науково-практичній конференції “Технічний прогрес в АПК”, м. Харків: ХНТУСГ ім. П.Василенка, 20-21 листопада 2007 року; на восьмому міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові. - м. Львів: КІНПАТРІ ЛТД - 23-25 травня 2007 року.

За результатами конкурсу “Інтелект молодих - на службу столиці”, що проводився у жовтні 2007 року - лютому 2008 року Головним управлінням освіти і науки виконавчого органу Київради (Київської міської державної адміністрації) спільно з Радою ректорів Київського вузівського центру та Київським міським педагогічним університетом ім. Б.Д. Грінченка, робота зайняла І місце в напрямку “Будівництво і архітектура (Нові будівельні матеріали, будівельна техніка, нові архітектурні рішення тощо)”.

За допомогу у виконанні наукових досліджень автор щиро вдячний науковому керівнику д.т.н. проф. Ловейкіну В.С. та науковому консультанту к.т.н. проф. Гарнецю В.М.

Публікації. Основні матеріали та положення дисертації опубліковано у 22 наукових роботах, якими є 12 статей у фахових наукових журналах та збірниках, 3 патенти України на винаходи та 7 патентів України на корисні моделі.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, трьох додатків та списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи складає 188 сторінок комп'ютерного тексту, на 168 з яких викладено текст роботи, на 7 - додатки та на 13 - список використаних джерел. Текст містить 13 таблиць, 95 рисунків. До списку використаних джерел увійшло 116 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету, задачі досліджень, висвітлено наукову новизну та практичне значення роботи.

У першому розділі “Огляд існуючих конструкцій та методів досліджень машин роликового формування” проведено огляд конструкцій машин для виробництва плоских залізобетонних виробів, зокрема машин роликового формування, а також аналіз відомих досліджень з визначення їх конструктивних параметрів.

Розвиток теорії і практики процесів ущільнення ґрунту та будівельних сумішей і в тому числі бетону, базується на дослідженнях Десова А.Е., Ахвердова І.Н., Гусєва Б.В., Шмигальського В.Н., Чубука Ю.Ф., Назаренка І.І., Холодова А.М., Калужського Я.А., Баладінського В.Л., Сівка В.Й., Маслова О.Г., Яковенка В.Б., Русанової Н.Г., Файвусовича О.А., Савинова О.А., Гарнеця В.М., Рюшина В.Т., Човнюка Ю.В., Баранова Ю.О. та ін.

Результати досліджень безвібраційних методів, в тому числі роликового ущільнення, отримані в роботах Руденка І.Ф., Хархути М.Я., Захаренка А.В., Бабкова В.Ф., Ємельянової І.А., Гарнеця В.М., Ловейкіна В.С., Рюшина В.Т., Зайченка С.В., Кузіна В.М., Шинкаренка В.І., Лавріньова П.Г. та інших дозволяють визначити конструктивні параметри роликових установок та приводного механізму формувального візка, а також зробити висновок про їхню достатньо високу ефективність.

Не дивлячись на досить широке дослідження технологічно процесу формування залізобетонних виробів безвібраційним роликовим методом, дослідженням динаміки руху формувального візка присвячено незначну кількість наукових робіт. Не встановлено характер зміни динамічних навантажень в елементах приводного механізму і формувального візка та його вплив на процес формування. З аналізу досліджень конструкцій машин роликового формування та приводних механізмів зворотно-поступального руху формувального візка визначено напрями подальшого їхнього удосконалення. На основі проведеного аналізу вибрано напрям і сформульовано задачі дисертаційного дослідження.

В другому розділі “Дослідження динаміки руху роликової формувальної установки з рекупераційним приводом” подано розробку роликової формувальної установки з єдиним рекупераційним приводом для приведення в зворотно-поступальний рух двох формувальних візків, в якій використано принцип перетворення кінетичної енергії одних ланок установки в кінетичну енергію інших ланок.

Пристрій, в якому при зміні напрямку руху візків відбувається передача кінетичної енергії від одного візка до другого, складається з двох однакових візків 1 і 2, кожний з яких приводиться в зворотно-поступальний рух від одного приводу, до складу якого входять два кривошипно-повзунних механізми, де кривошипи 3 і 4 жорстко закріплено на одному приводному валу 5 і зміщено один відносно другого на кут . Шатуни 6 і 7 з'єднані відповідно з візками 1 і 2. Наявність єдиного приводу дозволяє знизити енергетичні витрати за рахунок безпосередньої передачі кінетичної енергії від одного візка до другого при постійних пускогальмівних режимах руху.

Згідно кінематичної схеми було розроблено конструкцію роликової формувальної установки для ущільнення виробів з бетонних сумішей на спарених постах з єдиним з рекупераційним приводом. Установка вміщує в собі два пристрої, що розташовані по різні боки приводного валу, кожний з яких вміщує в собі змонтований на порталах 9 і 10 формувальні візки 1 і 2 відповідно, які здійснюють зворотно-поступальний рух в напрямних 8. Формувальний візок 1 складається з подавального бункера 11 та з співвісних секцій укочувальних роликів 12. Таку ж конструкцію має й інший візок. Візки 1 і 2 з розподільчими бункерами приводяться в зворотно-поступальний рух за допомогою приводу, виконаного у вигляді двох кривошипно-повзунних механізмів, кривошипи 3 та 4 яких жорстко закріплено на одному приводному валу 5 і зміщено між собою на кут . Шатуни 6 та 7 шарнірно з'єднані з формувальними візками 1 та 2, а іншими кінцями з'єднуються з кривошипами 3 та 4.

Для установки проведено кінематичний аналіз: визначено функції положень формувальних візків 1 та 2 в залежності від кута повороту кривошипа, першу та другу передаточні функції візків, за допомогою яких було отримано вирази для визначення швидкостей та прискорень візків. Кінематичний аналіз проводився для установки з параметрами: радіус кривошипів ; довжина шатунів ; кутова швидкість обертання кривошипів .

Під час взаємодії ролика з бетонною сумішшю виникає необхідність визначення контактних деформацій та напружень, а також розподілу переміщень, деформацій і напружень в середовищі під дією деформатора циліндричної форми. Розглянуто плоску постановку задачі, для якої однорідні рівняння статики можна задовольнити шляхом

вираження напружень , , через одну функцію напружень ; .

Узагальнений закон Гука для плоского напруженого стану має вид:

(1)

де , проекції на горизонтальну та вертикальну осі можливих переміщень бетонної суміші на поверхні контакту ролик-бетонна суміш; коефіцієнт Пуассона; модуль пружності зсувних деформацій.

Розподіл компонент відносних деформацій віднесених до довжини контакту:

; , (2)

де величина, що враховує умови буксування ковзання ролика. В розглянутому випадку буксування відсутнє, тому ; ; , де - мінімальна величина, яка дозволяє позбутися сингулярності функцій (1); - переміщення центра мас ролика; - безрозмірний коефіцієнт, який забезпечує виконання граничних умов.

Інтегральні значення розподілу деформацій на поверхні контакту (криволінійні інтеграли) матимуть вигляд:

; . (3)

Залежності (2), (3) придатні для практичного застосування. За наявності фізичних рівнянь зв'язку напружень з деформаціями визначається розподіл тиску та зусилля на поверхні ролика при взаємодії його з бетонною сумішшю.

Для дослідження динамічних властивостей установки та визначення такого значення кута зміщення осей кривошипів приводу, при яких енергетичні витрати приводного механізму були б мінімальними, проведено динамічний аналіз її руху.

При цьому визначено функції зміни кінетичної енергії кожного елемента установки, сумарного значення кінетичної енергії , її середнє значення та відхилення максимального значення від мінімального та середнього .

Вихідними параметрами для визначення кінетичної енергії роликової формувальної установки з рекупераційним приводом, крім наведених вище, були: маса формувальних візків ; маса одиниці довжини шатуна .

Для установки з наведеними параметрами побудовано графіки зміни кінетичної енергії першого візка - 1, другого візка - 2, їхнього сумарного - 3 та середнього - 4 значень при значенні кута зміщення кривошипів . Середнє значення кінетичної енергії установки становить , мінімальне значення - , максимальне значення - . При цьому відхилення , а .

Ці параметри визначено також для інших значень кута зміщення кривошипів в межах від до з кроком . На основі визначених даних побудовано графіки зміни максимального значення сумарної кінетичної енергії - 1, мінімального значення сумарної кінетичної енергії - 2, відхилень - 3 та - 4 в залежності від кута зміщення кривошипів.

Аналіз цих графіків показує, що мінімальне значення сумарної кінетичної енергії установки досягає свого максимуму при зміщенні кривошипів на кут , а максимальне значення сумарної кінетичної енергії , відхилення та набувають мінімуму також при зміщенні кривошипів на кут . При цьому середнє значення сумарної кінетичної енергії залишається незмінним.

Для визначення динамічних характеристик установки визначено зусилля, що необхідне на переміщення формувального візка, яке дорівнює при використанні наступних вихідних даних: розміри виробу, що формується: висота плити , ширина виробу ; тип суміші, що ущільнюється дрібнозерниста суміш; вологість бетонної суміші ; потрібна щільність виробу ; величина максимального контактного тиску, що забезпечує при , за експериментальними даними .

З умови рівності миттєвої потужності на переміщення формувального візка та необхідної потужності на приводному валу кривошипа отримано залежність для визначення необхідного крутного моменту на приводному валу:

, (4)

де ККД передавального механізму; перша передаточна функція центра мас візка.

Під час руху формувальних візків на них також діють сили інерції, зведені до осі повороту кривошипа, моменти від яких визначаються залежністю:

, (5)

де маса формувального візка; прискорення формувального візка.

Під час процесу формування загальний момент сил опору переміщенню формувального візка визначається за залежністю:

. (6)

Для установки з наведеними параметрами визначено функції і побудовано графіки зміни загального моменту сил опору переміщенню першого - 1 та другого - 2 формувальних візків та їхнього сумарного значення - 3 при значенні кута зміщення кривошипів . Значення зведеного загального моменту сил опору переміщенню формувальних візків установки становить , найбільше відхилення зведеного загального моменту сил опору від нульового значення дорівнює , а відхилення між мінімальним та максимальним значеннями становить . Ці параметри визначені також для інших значень кута зміщення кривошипів в межах від до з кроком . На основі отриманих даних побудовано графіки зміни найбільшого відхилення зведеного загального моменту сил опору від нульового значення 1 та відхилення між мінімальним та максимальним значеннями - 2 в залежності від кута зміщення кривошипів.

Аналіз цих графіків показує, що відхилення максимального значення зведеного моменту сил опору від нульового значення набуває мінімуму при зміщенні кривошипів на кут , хоча в межах від до та від до його зміна досить різка, а в межах від

до його значення майже не змінюється. Відхилення між мінімальним та максимальним значеннями зведеного моменту сил опору набуває мінімального значення при зміщенні кривошипів на кут .

В багатьох випадках для отримання більш раціональних режимів руху, які реалізуються тим чи іншим механізмом, необхідно оптимізувати його конструктивні параметри. Так, для роликової формувальної установки основними конструктивними параметрами є довжина шатуна та відхилення осі кривошипів від осі переміщення візків .

Оскільки візки виконують однакові робочі процеси в будь-якому напрямку руху і швидкість їх в кожному напрямку повинна бути рівною швидкості цього ж візка в зворотному напрямку на будь-якому відрізку шляху, то значення відхилення осі кривошипів від осі переміщення візків прийнято рівним нулю.

Для визначення оптимального значення довжини шатуна використано критерії сумарної кінетичної енергії установки, її середнього значення, моментів статичного опору, моментів сил інерції та моментів загального опору переміщенню формувальних візків. У вирази цих критеріїв для установки зі значенням кута зміщення кривошипів було підставлено значення довжини шатуна, яке змінювалось в межах від до . Аналіз розрахованих критеріїв дозволив визначити його оптимальне значення, яке знаходиться в межах від до . Застосування в установці шатунів визначеної довжини дозволяє зменшити енергетичні витрати на зворотно-поступальні рухи візків і покращити динамічні властивості установки в цілому.

Під час роботи установки виникають навантаження в елементах приводного механізму та формувального візка. Для визначення цих навантажень складено розрахункову схему, визначено геометричні параметри та місця прикладання відповідних навантажень. На розрахунковій схемі 1, 2 - формувальні візки, 3, 4 - кривошипи, 5, 6 - шатуни, 7 - укочувальні ролики, 8 - напрямні руху формувальних візків та 9 - напрямні ролики.

Для наведеної схеми складено рівняння кінетостатичної рівноваги формувальних візків 1 та 2. Спроектувавши всі сили на осі і та взявши суму моментів усіх сил відносно центрів мас формувальних візків, отримано:

для формувального візка 1	для формувального візка 2

де , - зусилля в шатунах; , - кутові координати шатунів; , , , - зусилля взаємодії ролика з бетонною сумішшю; , , , - сила тертя напрямних роликів по напрямних руху формувальних візків; , , , - нормальні реакції напрямних руху формувальних візків на напрямні ролики; - коефіцієнт тертя напрямних роликів по напрямних руху формувальних візків; , - сили інерції формувальних візків; , , , - вертикальні сили взаємодії робочого органа з бетонною сумішшю; , - сили тяжіння формувальних візків; , , , , , - геометричні розміри формувального візка; - діаметр укочувального ролика; - діаметр напрямного ролика; - довжина шатуна.

В результаті розв'язку складеної системи рівнянь відносно , , , , та , отримано залежності та побудовано графіки зусилля в шатунах та нормальних реакцій напрямних руху формувальних візків на напрямні ролики в залежності від кута повороту кривошипа.

Аналіз графіків показує, що шатуни під час першої частини циклу працюють на розтягування, а під час другої частини - на стиснення; напрямні ролики сприймають навантаження від напрямних руху формувальних візків, але під час першої частини циклу навантаження на перший напрямний ролик значно менше ніж на другий, а під час другої частини циклу - навпаки. Ця нерівномірність спричинена значною величиною зусилля взаємодії робочого органу з бетонною сумішшю.

Використавши залежності для зусиль в шатунах, визначено функції зміни крутного моменту та потужності, необхідної для здійснення процесу формування.

Параметри визначені для значень кута зміщення кривошипів в межах від до з кроком . При цьому для установки з двома візками із значенням кута зміщення кривошипів та в порівнянні з установкою із одним візком значення потужності у 2,0 рази більше, а для установки із значенням - у 1,37 разів. На основі визначених даних побудовано графік зміни потужності, що споживається, від кута зміщення кривошипів, аналіз якого показує, що значення потужності досягає свого мінімуму при зміщенні кривошипів на кут .

В роликових формувальних установках спостерігається значна нерівно-мірність руху формувального візка під час виконання процесу ущільнення бетонної суміші, що приводить до зниження якості виробу та виникнення значних динамічних навантажень в елементах приводу та конструкції установки. Для визначення нерівномірності руху установки необхідно знати закон руху ведучої ланки з моменту пуску і при усталеному режимі руху.

Нерівномірність руху установки в першому наближенні може бути визначена представленою динамічною моделлю з одним ступенем вільності, де за узагальнену координату прийнято кутову координату повороту кривошипу . ролик формування залізобетон виріб

Для такої моделі записано диференціальне рівняння руху

. (7)

Замінивши в рівнянні (7): крок інтегрування; ; ; ; отримано його розв'язок у вигляді

. (8)

Тут , , , , кутова координата кривошипа, його кутова швидкість, момент інерції, рушійний момент та момент сил опору зведені до осі обертання кривошипа в положенні (); кількість точок розрахунку; , , кутова координата, швидкість та зведений момент інерції механізму до осі повороту кривошипу в положенні .

Для кожного положення кривошипа установки з моменту пуску визначались , , , і підставлялись в залежність (8), з якої визначалась . В результаті розв'язку рівняння (8) отримано залежності зміни кутової швидкості і прискорення .

Нерівномірність руху на усталеному режимі роботи установки визначалась коефіцієнтом нерівномірності руху , коефіцієнтом динамічності руху та узагальненим коефіцієнтом оцінки руху , який враховує комплекс- ну оцінку двох попередніх коефіцієнтів. Для установки з одним формувальним візком ці коефіцієнти становлять: , , ; для установки з двома візками - , та .

Аналіз значень отриманих коефіцієнтів показує, що коефіцієнт нерівномірності руху роликової формувальної установки з рекупераційним приводом на два формувальні візки в порівнянні з установкою з кривошипно-повзунним приводом на один формувальний візок зменшується в 2,4 разів, коефіцієнт динамічності - в 3,54 рази, а узагальнений коефіцієнт оцінки руху - в 3,87 рази.

Для встановлення впливу кута зміщення кривошипів на рівномірність руху установки було визначено значення коефіцієнтів нерівномірності руху, динамічності та узагальненого коефіцієнта оцінки руху при різних значеннях кута в межах від до з кроком . Аналіз отриманих графіків показує, що всі коефіцієнти мінімальне значення мають при .

У третьому розділі “Програма і методика експериментальних досліджень” викладено методику та програму експериментальних досліджень режимів руху та динамічних навантажень роликової формувальної установки з рекупераційним приводом.

Використовуючи принципи теорії подібності, розраховано параметри фізичної моделі роликової формувальної установки з рекупераційним приводом, виходячи із співвідношення між коефіцієнтами подібності реальної установки та моделі ; ; , де , , , , , , коефіцієнти подібності відповідно зведеного до осі повороту кривошипа моменту інерції приводного механізму, передаточного відношення приводного механізму, мас формувальних візків, ходу формувальних візків, кутової швидкості кривошипу, зведеного до осі повороту кривошипу рушійного моменту на валу електродвигуна приводу, сили опору переміщенню формувального візка. З конструктивних міркувань прийнято такі значення коефіцієнтів , , та , а решту було визначено з наведених вище залежностей: , та .

Враховуючи отримані коефіцієнти подібності було розроблено, спроектовано і виготовлено лабораторну модель роликової формувальної установки з рекупераційним приводом.

Модель складається із приводного механізму, що забезпечує необхідний режим руху роликової формувальної установки з рекупераційним приводом та двох формувальних візків. В зворотно-поступальний рух формувальні візки приводяться шатунами від кривошипів, які закріплено на приводному валу, і жорстко з'єднано між собою під кутом . Модель приводиться в рух трифазним електродвигуном змінного струму АИР56В2У3 з потужністю і частотою обертання ротора , через черв'ячний редуктор та клинопасову передачу із загальним передаточним відношенням .

Для визначення режимів руху та силових навантажень в елементах конструкції установки розроблено методику та схему вимірювань (рис 19) вертикальної сили взаємодії робочого органа з бетонною сумішшю, зусилля в шатунах, кутової швидкості приводного вала та потужності, яка необхідна для забезпечення процесу формування: 1, 2 - формувальні візки; 3 - укочувальний ролик; 4 - напрямні руху формувального візка; 5 - форма; 6 - приводний вал; 7 - шків клинопасової передачі; 8 - шатун; 9 - датчик вимірювання частоти обертання ДЧВ-1; 10 - тензодатчики на шатунах; 11 - тензодатчики на пластинах під роликами у формі; 12 - підсилювач-перетворювач SPIDER 8-FO5254; 13 - портативний комп'ютер.

Вимірювання зусилля в шатунах та вертикальної сили взаємодії укочувального ролика з бетонною сумішшю здійснювалось за допомогою тензодатчиків, з'єднаних за мостовою схемою. Вимірювання кутової швидкості обертання приводного вала здійснено із застосуванням датчика ДЧВ-1.

Для вимірювання потужності, що необхідна для здійснення процесу формування, використовувались універсальні кліщі РК 435, які дають змогу вимірювати напругу в мережі, силу струму та потужність одночасно за різних режимів навантаження установки.

Для зчитування сигналів з датчиків застосовується підсилювач-перетворювач SPIDER 8-FO5254 та персональний комп'ютер НР6100 з програмним продуктом Catman Express 4.5, що трансформує отримані числові дані в пакети програми MS Excel для їхньої подальшої обробки.

Вимірювання кутової швидкості обертання приводного вала та потужності двигуна проводилось на холостому та в робочому режимах для установки з одним формувальним візком та для установки з двома формувальними візками.

Вимірювання зусилля в шатунах проводилось окремо на холостому та в робочому режимах. Вимірювання вертикальної сили взаємодії укочувального ролика з бетонною сумішшю відбувалось в робочому режимі для двох формувальних візків одночасно.

У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень” представлено результати визначення режимів руху та силових навантажень фізичної моделі роликової формувальної установки з рекупераційним приводом.

На усталеному режимі роботи моделі установки з одним формувальним візком коефіцієнт нерівномірності руху становив , коефіцієнт динамічності - та узагальнений коефіцієнт оцінки руху - . Для установки з двома візками ці коефіцієнти приймають значення , та . Коефіцієнт нерівномірності руху установки з двома візками у 2,6 рази менший в порівнянні з установкою з одним формувальним візком, коефіцієнт динамічності - у 3,5 рази, а узагальнений коефіцієнт оцінки руху - у 4,3 рази.

Зусилля в шатунах змінюється в межах від до і закон його зміни відображає зусилля, яке необхідне на подолання сили інерції формувальних візків, сили опору взаємодії ущільнювальних роликів з бетонною сумішшю та сили опору на переміщення формувальних візків по напрямним руху. Одну половину циклу (половину повного оберту кривошипа) шатун працює на розтягування, а іншу - на стиснення. Вертикальна сила взаємодії укочувального ролика з бетонною сумішшю по мірі ущільнення бетонної суміші зростає до повної стабілізації при повному ущільненні. Піки зусилля на графіку відповідають моментам, коли ролик проходить над датчиками.

Потужність, що необхідна для здійснення процесу формування для лабораторної моделі установки з одним формувальним візком становить , а для установки з двома візками - . Використавши коефіцієнти подібності реальної установки та її моделі, визначено значення потужності установки з одним формувальним візком, що становить , та установки з двома візками при значенні кута зміщення кривошипів . Це означає, що при збільшенні продуктивності установки у 2 рази споживання потужності на процес формування зменшується на 40 % на одиницю виробу.

Похибка між теоретичними та експериментальними значеннями визначених параметрів не перевищує 13 %.

У п'ятому розділі “Розробка рекомендацій по вдосконаленню конструкцій машин роликового формування” за результатами досліджень представлено рекомендації щодо:

- удосконалення приводу машин роликового формування з метою підвищення рівномірності руху та продуктивності роботи установки, зниження динамічних навантажень в елементах приводу з одночасним зниженням енерговитрат на забезпечення технологічного процесу (рекомендації захищено 2 патентами України на винахід та 5 патентами України на корисну модель);

- удосконалення конструкції машин роликового формування з метою отримання рівномірної щільності готових виробів з бетонних сумішей та конструкції ущільнювального ролика з метою збільшення кута захвату бетонної суміші і, як наслідок, підвищення продуктивності (рекомендації захищено 2 патентами України на корисну модель).

Розрахунковий річний економічний ефект від застосування рекупераційного приводу в машинах роликового формування становить 2,55…3,0 грн/м³, що при виробництві 7000 м³ в рік складає 18…21 тис. грн.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено низькоенергоємний принцип створення та дослідження динаміки руху роликової формувальної установки з рекупераційним приводом при формуванні виробів з бетонних сумішей та її вплив на робочий процес.

1. Розроблено конструкцію роликової формувальної установки з рекупераційним приводом для формування плоских залізобетонних виробів, яка дозволяє здійснювати перерозподіл енергії формувальних візків під час безперервних пускогальмівних режимів руху за рахунок використання спільного приводного механізму на два формувальні візки. Конструкція установки захищена патентом України на винахід.

2. Розв'язано задачу контактної взаємодії укочувального ролика формувального візка з бетонною сумішшю обмеженої глибини, на основі якої побудовано ізолінії розподілу деформацій бетонної суміші та залежності розподілу деформацій від радіуса ролика, глибини шару бетонної суміші та заглиблення ролика.

3. Розроблено математичну модель динаміки руху роликової формувальної установки з рекупераційним приводом, на основі якої проведено динамічний аналіз установки: визначено функції зміни кінетичної енергії та моментів сил опору, а також встановлено вплив кута зміщення кривошипів установки на характер їх зміни.

4. Оптимізовано конструктивні параметри приводного механізму установки за інтегральними динамічними критеріями, що дало можливість визначити співвідношення довжин шатунів і кривошипів, яке знаходиться в межах від 3 до 4.

5. Проведено силовий аналіз та аналіз нерівномірності руху роликової формувальної установки з кривошипно-повзунним приводом на один формувальний візок і установки з рекупераційним приводом на два формувальні візки та прослідковано вплив кута зміщення кривошипів на ці характеристики, що дало можливість визначити його оптимальне значення, яке становить .

Встановлено, що в роликовій формувальній установці при використанні рекупераційного приводу на два формувальні візки зі значенням кута зміщення кривошипів в порівнянні з кривошипно-повзунним приводом на один формувальний візок значно покращується динаміка та рівномірність її руху: коефіцієнт нерівномірності руху зменшується в 2,4 рази, коефіцієнт динаміч-ності - в 3,54 рази, а узагальнений коефіцієнт оцінки руху - в 3,87 рази.

6. Розроблено програму та методику експериментальних досліджень режимів руху та силових навантажень роликової формувальної установки з рекупераційним приводом. Створено дослідну лабораторну модель роликової формувальної установки з рекупераційним приводом, за допомогою якої проведено експериментальні дослідження.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що коефіцієнт нерівномірності руху для установки з рекупераційним приводом на два візки в порівнянні з установкою з кривошипно-повзунним приводом на один візок зменшується в 2,6 разів, коефіцієнт динамічності - в 3,5 рази, узагальнений коефіцієнт оцінки руху - в 4,3 рази. При цьому збільшується продуктивність у 2 рази, а значення потужності, необхідне на процес формування, збільшується лише у 1,21 разів, що приводить до зменшення споживання енергії на 40 % на одиницю виробу. Похибка по визначенню відповідних параметрів теоретичним та експериментальним шляхом не перевищує 13 %.

7. На підставі отриманих у дисертаційній роботі результатів теоретичних та експериментальних досліджень розроблено рекомендації з удосконалення приводу та конструкції машин роликового формування.

8. Результати досліджень передано до впровадження в товариство з обмеженою відповідальністю “Черкасизалізобетонбуд”, що спеціалізується на виготовленні виробів з бетонних та залізобетонних сумішей. На основі переданих матеріалів розроблено заходи по створенню роликової формувальної установки з рекупераційним приводом для виробництва плоских залізобетонних виробів. Передбачуваний економічний ефект становить 2,55…3,0 грн/м³, що при виробництві 7000 м³ в рік складає 18…21 тис. грн

9. Методику проведення теоретичних та експериментальних досліджень режимів руху роликової формувальної установки з рекупераційним приводом впроваджено в навчальний процес кафедри Основ професійного навчання Київського національного університету будівництва і архітектури при виконанні лабораторної роботи на тему “Експериментальне визначення нерівномірності руху важільного механізму” з дисципліни “Теорія механізмів і машин”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІэЇ

1. Ловейкін В.С. Динамічний аналіз роликової формовочної установки з рекупераційним приводом / Ловейкін В.С., Почка К.І. // Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин: Пр. І-ї Міжнародної науково-технічної конференції (DSR AM - I). Тернопіль, 2004. - С. 507514.

2. Ловейкін В.С. Силовий аналіз роликової формовочної установки з рекупераційним приводом / Ловейкін В.С., Почка К.І. // Техніка будівництва. - 2003. - № 14. - С. 2737.

3. Ловейкін В.С. Оптимізація конструктивних параметрів приводного механізму роликової формовочної установки з рекупераційним приводом / Ловейкін В.С., Почка К.І., Паламарчук Д.А. // Техніка будівництва. - 2004. - № 15. - С. 4048.

4. Ловейкін В.С. Аналіз нерівномірності руху роликової формовочної установки з рекупераційним приводом / Ловейкін В.С., Почка К.І. // Підйомно-транспортна техніка. 2005. № 4. С. 1933.

5. Ловейкін В.С. Порівняльний аналіз нерівномірності руху роликової формовочної установки з механічним та рекупераційним приводом / Ловейкін В.С., Почка К.І. // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування) Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка. - 2005. № 16. - С. 126130.

6. Ловейкін В.С. Оцінка нерівномірності руху роликової формовочної установки з кривошипно-шатунним та рекупераційним приводами / Ловейкін В.С., Почка К.І. // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. 2005. - № 39. - С. 169174.

7. Ловейкін В.С. Вплив кута зміщення кривошипів на нерівномірність руху роликової формовочної установки з рекупераційним приводом / Ловейкін В.С., Почка К.І. // Техніка будівництва. - 2006. - № 18. - С. 1222.

8. Ковбаса В.П. Кінематика взаємодії ущільнюючого котка з середовищем обмеженої глибини / Ковбаса В.П., Ловейкін В.С., Почка К.І. // Сільсько-господарські машини. Збірник наукових статей. Луцьк: ЛДТУ, 2007. № 15. - С. 139-147.

9. Ловейкін В.С. Визначення оптимального значення кута зміщення кривошипів роликової формувальної установки з рекупераційним приводом / Ловейкін В.С., Почка К.І. // Автоматизація виробничих процесів у машинобудуванні та приладобудуванні. НУ «Львівська політехніка», 2007. - № 41. - С. 127134.

10. Ловейкін В.С. Методика проведення експериментальних досліджень роликової формувальної установки з рекупераційним приводом Ловейкін В.С., Почка К.І. // Гірничі, будівельні, дорожні та меліоративні машини. 2007 р. № 70. - С. 4347.

11. Ловейкін В.С. Побудова фізичної моделі роликової формувальної установки з рекупераційним приводом / Ловейкін В.С., Почка К.І. // Техніка будівництва. - 2007. - № 20. - С. 2631.

12. Ловейкін В.С. Результати експериментальних досліджень режимів руху роликової формувальної установки з рекупераційним приводом / Ловейкін В.С., Почка К.І. // Вісник Харківського національного університету сільського господарства ім. П.Василенка. - Харків, 2007. - № 59, Том 1. - С. 465474.

13. Пат. 67091 А Україна, МКВ В28В13/02 / Установка для формування виробів з бетонних сумішей / Ловейкін В.С., Гарнець В.М., Почка К.І. - № 2003076371 заявл. 08.07.03; опубл. 15.06.04, Бюл. № 6.

14. Пат. 70490 А Україна, МКВ В28В13/02 / Пристрій для формування виробів з бетонних сумішей / Ловейкін В.С., Гарнець В.М., Почка К.І. № 20031110056 заявл. 07.11.03; опубл. 15.10.04, Бюл. № 10.

15. Пат. 70523 А Україна, МКВ В28В13/02 / Установка для формування виробів з бетонних сумішей / Ловейкін В.С., Гарнець В.М., Почка К.І. - № 20031110814 заявл. 28.11.03; опубл. 15.10.04, Бюл. № 10.

16. Пат. 7461 U Україна, МКВ В28В13/02 / Установка для формування виробів з вологих сипких сумішей / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Почка К.І. - № 20041210695 заявл. 24.12.04; опубл. 15.06.05, Бюл. № 6.

17. Пат. 9675 U Україна, МКВ В28В13/02 / Установка для формування виробів із вологих сипких сумішей / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Почка К.І., Паламарчук Д.А. - № u 200502004 заявл. 04.03.05; опубл. 17.10.05, Бюл. № 10.

18. Пат. 15814 U Україна, МКВ В28В13/00 / Установка для формування виробів з вологих сипких сумішей / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Почка К.І. - № u 200600735 заявл. 27.01.06; опубл. 17.07.06, Бюл. № 7.

19. Пат. 16778 U Україна, МКВ В28В13/00 / Установка для формування виробів з вологих сипких сумішей / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Почка К.І. - № u 200602817 заявл. 16.03.06; опубл. 15.08.06, Бюл. № 8.

20. Пат. 26999 U Україна, МКВ В28В13/00 / Установка для формування виробів з вологих сипких сумішей / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Почка К.І. - № u 200706711 заявл. 15.06.07; опубл. 10.10.07, Бюл. № 16.

21. Пат. 27477 U Україна, МКВ В28В13/00 / Установка для формування виробів з вологих сипких сумішей / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Почка К.І. - № u 200708595 заявл. 26.07.07; опубл. 25.10.07, Бюл. № 17.

22. Пат. 28047 U Україна, МКВ В28В13/00 / Установка для формування виробів з вологих сипких сумішей / Ловейкін В.С., Ярошенко В.Ф., Почка К.І. - № u 200707475 заявл. 03.07.07; опубл. 26.11.07, Бюл. № 19.

АНОТАЦІЯ

Почка К.І. Розробка та аналіз роликової формувальної установки з рекупераційним приводом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.02 - машини для виробництва будівельних матеріалів і конструкцій. - Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2008.

В дисертації наведено дослідження, направлені на підвищення ефективності машин роликового формування плоских залізобетонних виробів шляхом зниження енергетичних витрат і динамічних навантажень, що діють на елементи приводу формувальних візків.

Запропоновано принцип роботи і конструкцію роликової формувальної установки з рекупераційним приводом, яка дозволяє здійснювати перерозподіл енергії формувальних візків під час безперервних пускогальмівних режимів руху. Розроблено математичну модель динаміки руху установки, яка враховує механічну характеристику приводу та її зв'язок з динамікою руху формувальних візків, що взаємодіють з бетонною сумішшю. Проведено аналіз розв'язку отриманої моделі, який дозволив реально оцінити вплив виду приводу на систему. Встановлено залежність нерівномірності руху від кута зміщення кривошипів приводу формувальних візків роликової формувальної установки з рекупераційним приводом. Обґрунтовано доцільність застосування рекупераційного приводу формувальних візків машин роликового формування залізобетонних виробів, як одного із способів зниження енергетичних витрат та динамічних навантажень. Оптимізовано конструктивні параметри ланок приводного механізму роликової формувальної установки. Встановлено за енергетичними та динамічними критеріями закономірності зміни динамічних навантажень в елементах установки, а також проведено їх аналіз.

На основі результатів досліджень запропоновано рекомендації з удоско-налення конструкцій приводних механізмів та елементів машин роликового формування, захищених 10 патентами України на винаходи та корисні моделі.

Ключові слова: роликова формувальна установка, ролик, формування, динаміка руху, нерівномірність руху, рекупераційний привод.

АНОТАЦИЯ

Почка К.И. Разработка и анализ роликовой формовочной установки с рекуперационным приводом. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.02 - машины для производства строительных материалов и конструкций. - Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2008.

В диссертации приведены исследования, направленные на повышение эффективности машин роликового формования плоских железобетонных изделий путем снижения энергетических потерь и динамических нагрузок, которые воздействуют на элементы привода формовочных тележек.

Теоретическое исследование динамики движения роликовой формовочной установки проводились с использованием разработанной математической модели.

Проведен анализ решения данной модели, который позволил реально оценить влияние вида привода на систему. На основании разработанной модели установлено зависимость неравномерности движения от угла смещения кривошипов привода формовочных тележек роликовой формовочной установки с рекуперационным приводом.

Проведена оптимизация конструктивных параметров звеньев приводного механизма роликовой формовочной установки. Установлено за энергетическими и динамическими критериями закономерности изменения динамических нагрузок в элементах установки, а также проведен их анализ.

На основании проведенных исследований предложена и внедрена эффективная методика расчета динамических нагрузок и неравномерности движения, которая позволяет в полной мере определить динамику движения машин роликового формования и исследовать динамические характеристики приводного механизма.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований установлено, что использование рекуперационного привода позволяет повысить производительность работы в 2 раза, снизить коэффициент неравномерности движения в 2,6 раза, коэффициент динамичности в 3,5 раза, обобщенный коэффициент оценки движения в 4,3 раза и уменьшение потребления мощности на 40 % на единицу выпущенной продукции.

Обоснована целесообразность применения рекуперационного привода формовочных тележек машин роликового формования железобетонных изделий, как одного из способов снижения энергетических потерь и динамических нагрузок.

На основании результатов исследований предложены рекомендации по усовершенствованию конструкций приводных механизмов и элементов машин роликового формования, защищенных 10 патентами Украины на изобретения и полезные модели. Результаты исследований и предложенные рекомендации могут быть использованы при проектировании, разработке и модернизации конструкций машин роликового формования.

Ключевые слова: установка, ролик, формование, динамика движения, неравномерность движения, рекуперационный привод.

ANNOTATION

Pоchка К.І. Designing and analysis of the roller forming plant with a recuperative drive mechanism. - Manuscript.

There is a thesis for acquiring of scientific degree of a candidate of technical science in specialty 05.05.02 - machines for production of building materials and constructions. - Kyiv national university of constructions and architecture, Kyiv, 2008.

The thesis includes researches aimed to increase the efficiency of machines for flat concrete product roller forming by decreasing of power loss and dynamic loads that affect upon drive elements of forming trolleys.

Here is proposed a principle of operation as well as construction of roller forming plant with a recuperative drive mechanism that allows to redistribute energy of forming trolleys while continuous motion regimes. A mathematical model for the plant dynamic motion was developed in the thesis. It included mechanical characteristic for the drive mechanism and its connection with dynamic motion of forming trolleys interacting with concrete mix. An analysis of the model concept was performed, which allowed to evaluate the influence of the drive mechanism on the system. A movement judder dependence upon angle of pitch of crankshaft of forming trolleys drive mechanism of roller forming plant with a recuperative drive mechanism was concluded on the basis of the designed model. It was adduced and grounded the expediency of usage of forming trolleys drive mechanism of ferroconcrete items roller forming plant as one of the method to decrease power loss and dynamic loads. Also constructive parameters of drive mechanism's links of roller forming plant were optimized due to the conducted research. According to energy and dynamic criteria, regularity of dynamic loads changes in the elements of the plant was determined and their analysis performed.