CC BY
13
- © В.Ф. Синицын, М.Н. Джафаров,
М.А. Оганисян, 2014
УДК 62.56.628/835
В.Ф. Синицын, М.Н. Джафаров, М.А. Оганисян
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ МАШИНЫ ДЛЯ СВОДКИ ДРЕВОСТОЯ
Для увеличения вероятности непрерывного действия машины для сводки древесной растительности нужно увеличить момент инерции фрезы. Одним из способов увеличения момента инерции фрезы является установка инерционного механизма -маховик. Момент инерции маховика зависит от его размеров, из чего изготовлен, частоты вращения.
Ключевые слова: фреза, маховик, коэффициент формы, угловая скорость, момент инерции.
Множество маховиков различных типов уже применяется в инженерной практике; оцениваются возможности и многочисленных новых конструкций. За исключением давно известных изотропных монолитных роторов, большинство новых конструкций основано на технологиях, находящихся в стадии разработки, и поэтому для выбора наилучшего варианта должны быть тщательно изучены различные сочетания материала и формы маховика, даже если потенциальные возможности некоторых из них кажутся на первый взгляд ограниченными.
В маховиках форма определяет содержание: форма вращающегося маховика определяет, при прочих равных условиях, содержание в нем большего или меньшего запаса кинетической энергии. Одним словом, форма маховика и плотность энергии в нем зависят одно от другого. Если имеется конкретный материал, из которого надлежит изготовить маховики, то следует выбрать такую его форму, которая отвечала бы максимальной плотности энергии с учетом, конечно, ограничивающих условий, в основном, допустимой окружной скорости. Маховик нельзя проектировать, не принимая во внимание осо-
бенностей всей системы накопления энергии в целом, поскольку разные ее части весьма существенно влияют друг на друга. Важными параметрами оценки маховичных систем являются массовая энергоемкость и коэффициент формы К.
Угловую скорость маховика не всегда можно выбирать произвольно. Очевидно, что с помощью зубчатых передач можно получить требуемое соответствие скоростей маховика и привода, однако стоимость и сложность системы подшипниковых опор с увеличением угловой скорости вращения, как правило, возрастают. Кроме того, нужно учитывать и потери энергии в зубчатых передачах, которыми в обычных случаях пренебрегают, поскольку маховичные накопители энергии часто будут длительное время работать в условиях, когда относительные потери в зубчатых передачах могут оказаться значительными, например, при малой мощности или на холостом ходу. Поэтому КПД трансмиссии может оказаться исключительно важным параметром при оценке эффективности накопителей кинетической энергии.
КПД - коэффициент полезного действия маховичных двигателей, как и других машин, представляет со-
бой отношение полезно затраченной энергии ко всей энергии, накопленной в маховике и выделенной за время работы маховичного двигателя.
Полезно затраченная энергия - это энергия, которая пошла на совершение необходимой работы. Вся выделенная энергия складывается из той, что пошла на полезную работу, и внутренних потерь в маховичном двигателе. От этих потерь и зависит КПД маховичного двигателя.
Если угловая скорость вращения маховика должна быть низкой, то ротор должен иметь максимально возможный радиус. В этом случае наилучшим конструктивным решением может оказаться массивный обод из материала с высокой плотностью, соединенный с валом спицами или тонким диском. Если же ограничений на угловую скорость нет, то максимальную массовую энергоемкость можно обеспечить с помощью небольшого профилированного равнонапряжен-ного диска из легкого высокопрочного материала. Следует помнить, что повышение угловой скорости ш позволяет уменьшить момент инерции маховика при заданном запасе энергии пропорционально ш2. Гироскопический момент, обусловленный угловой скоростью О как установлено, обратно пропорционален величине ш, если уровень запасаемой энергии и О постоянны.
Это означает, что энергетически более выгодны высокоскоростные роторы малого размера приводит к увеличению поля центробежных сил, что само по себе вызывает ряд осложнений. С этой точки зрения более предпочтительными являются тихоходные роторы большого диаметра.
На выбор угловой скорости, кроме того, оказывают влияние применяемая система подшипников и соображения динамики системы, что дополнительно усложняет задачу.
Параметр, характеризующий уровень скорости определенного маховика, при котором он достигает проектной массовой энергоемкости, называется коэффициентом скорости и определяется как
Е = ш / ш
~ а
где ш и ша - угловые скорости соответственно сплошного маховика и тонкого обода с такими же, как у маховика, наружным радиусом, плотностью и уровнем напряжений.
Выбор материала для маховика определяется в основном проектными требованиями с учетом ряда различных ограничений. Если окружная скорость на наружном радиусе не является ограничивающим фактором, то главным параметром, определяющим
Коэффициенты формы К и скорости Е для некоторых видов дисковых, ободковых и стержневых конструкций маховиков
Тип маховика: I - равнонапряженный диск (теоретический); II - равнонапряженный диск (реальный); III - конический диск; IV - диск постоянной толщины; V - тонкий обод; VI - равнонапряженный стержень (теоретический); VII - цилиндрический стержень; VIII - диск постоянной толщины с отверстием.
выбор, становится удельная прочность материала. Как уже отмечалось, массовая энергоемкость пропорциональна отношению предельно допустимого напряжения материала к его плотности. В этом смысле современные высокопрочные композиты можно считать оптимальными материалами для маховиков. Однако свойства таких материалов, особенно однонаправленно армированных, существенно анизотропны. Из однонаправленных композитов с низкой прочностью в направлении, поперечном волокнам, не удается получить маховики с высокими значениями коэффициента формы, поскольку для всех конструкций маховиков с К > 0,5 характерно по меньшей мере двумерное распределение напряжений. Создание маховиков с высокими значениями К из композитов с многонаправленным армированием, не имеющих слабых направлений, связано с неизбежными потерями в максимальной прочности материала, ].
Как правило, для изготовления маховиков применяют полимерные материалы, армированные стекло-, угле- или органоволокнами. Значения их удельной прочности близки, по крайней мере, для случая статического одноосного нагружения, поэтому выбор наилучшего из них определяется в основном соображениями стоимости. Самый дешевый композитный материал - стеклопластик, в частности на основе Б-стекла; такой композит обладает высокой удельной прочностью. Использование этого материала ограничивается, однако, его низкими усталостной прочностью и модулем упругости. Хотя в маховике обычно возникают растягивающие напряжения, и проблемы, связанные с упругой устойчивостью, отсутствуют, жесткость материала все же играет большую роль. Малые деформации жесткого материала уменьшают опасность возникновения динамических
проблем, связанных с асимметрией деформаций, и упрощают задачу соединения роторов ободкового типа с валом.
В некоторых случаях требуется переменная по радиусу жесткость материала маховика. Этого можно добиться путем использования разных материалов в разных частях ротора. Низкие значения максимального модуля упругости стеклопластика ограничивают его применение в конструкциях такого рода.
Органопластик значительно дороже стеклопластика, однако он обладает высокими усталостными свойствами, более высокой жесткостью и хорошим сочетанием свойств в целом. Главный недостаток органопластика -слабое сопротивление сжимающим напряжениям - в маховиках не проявляется; другой составляют трудности, часто возникающие при пропитке волокон связующим. При правильном использовании органопластик оказывается хорошим материалом для маховиков, и единственным его недостатком является высокая стоимость. Производятся различные типы орга-новолокон: высокомодульный и дорогой материал кевлар-49 и более дешевые материалы с меньшей жесткостью кевлар-29 и 950Т. Последние особенно подходят для использования с эластомерными связующими.
Жесткость углеволокон может варьироваться в широких пределах в зависимости от их типа; низкомодульные углеволокна, как правило, более дешевы. Углеволокна любой марки жестче органоволокон; прочность их связи с матрицей значительно выше, чем у других типов волокон. Однако очень высокая стоимость является препятствием широкому использованию углеволокон для изготовления маховиков. Полимерной матрицей для маховиков на основе углеволо-кон служат термореактивные смолы,
обычно эпоксидного типа. В ряде случаев для снижения стоимости используют термопластичные полимеры, идя даже на снижение прочностных характеристик материала.
Эпоксидные смолы модифицируются пластифицирующими добавками для понижения концентрации микронапряжений в полимерной матрице при нагружении композита в поперечном волокнам направлении. Эффективное решение этой проблемы связано, очевидно, с применением низкомодульных связующих типа эластомеров.
В перспективе могут найти применение и такие высокопрочные материалы, как нитевидные кристаллы, хотя попыток их использования в маховиках пока не делалось. Композиты с металлической матрицей до сих пор не применялись для изготовления маховиков, хотя в перспективе из них можно получить высокоэффективные конструкции с уникальными характеристиками, несмотря на более низкую по сравнению с армированными пластиками удельную прочность, связанную с их высокой плотностью. Важным достоинством этих материалов является менее выраженная анизотропия прочности.
Для маховиков некоторых типов целесообразно применение волокон без связующего, особенно органоволо-кон и стальной проволоки. Основное преимущество такого использования волокон состоит в устранении проблем, связанных с прочностью в направлении, поперечном армированию, и усталостным поведением материала.
Если требуется высокая объемная энергоемкость или есть ограничения на окружную скорость маховика, то величина абсолютной прочности материала становится более важной, чем его удельная прочность. В этих случаях лучше всего использовать высокопрочную стальную проволоку. Прочность тонкой проволоки из угле-
родистой стали достигает величин, превышающих 300 МПа, что выше, чем прочность угле-, органо- и стекловолокон.
Насколько известно, исследований и разработок маховиков из композитов на основе полимерной матрицы и стальной проволоки проводилось очень мало. В то же время многочисленные эксперименты выполнялись в связи с разработкой роторов из стальной проволоки без связующего. Помимо очень высокого предельного напряжения для стальных проволок характерны высокая однородность свойств и высокая усталостная прочность; их стоимость сравнительно невысокая. В настоящее время производится и более дорогостоящая стальная проволока с лучшими механическими показателями, которая может быть использована для изготовления маховиков; аналогичное применение находят и стальные ленты.
Изотропные материалы в монолитной форме широко применялись для создания маховиков, используемых во многих областях техники. Удельная прочность этих материалов, как правило, не очень высока, но зато из них можно делать маховики с наивысшими значениями коэффициента формы.
Тип разрушения таких маховиков обычно неблагоприятен, что требует назначения высоких коэффициентов запаса при проектировании. Это в свою очередь дополнительно снижает массовую энергоемкость маховика. Точный расчет, основанный, в частности, на методах механики разрушения, тщательное изготовление и применение неразрушающих методов контроля до сборки изделия и при профилактических осмотрах в процессе эксплуатации являются необходимыми условиями достижения высоких значений массовой энергоемкости маховиков из монолитных изотропных материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кудимов Л.П., Кусков Ю.Д., Сафонов К.Е. Технология и комплексная механизация подготовки торфяных месторождений к разработке. - М.: Недра, 1974. - 216 с.
2. Шейде В.П. Определение параметров машины для сводки леса при подготовке торфяных полей // Торфяная промышленность. - 1973. - № 8. - С. 16-18.
3. Синицын В.Ф. Расчет мощности привода дисковой пилы машины для сводки леса // Торфяная промышленность. -1975. - № 1. - С. 11-12.
4. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. Учебник для вузов. - М.: Наука, 1969. -576 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Синицын Вячеслав Федорович - профессор, e-mail: ttmo@mail.ru, Джафаров Марат Назимович - магистрант, e-mail: maratdzhafarov@gmail.com,
Оганисян Мануш Аветиковна - аспирант, e-mail: ttmo@mail.ru, Тверской государственный технический университет.
UDC 62.56.628/835
A SIMULATION MODEL OF THE MACHINE FOR A SUMMARY OF THE STAND
Sinitsyn V.F., Professor, e-mail: ttmo@mail.ru
Jafarov M.N., Master's Degree Student, e-mail: maratdzhafarov@gmail.com, Oganisyan M.A., Graduate Student, e-mail: ttmo@mail.ru, Tver State Technical University.
To increase the probability of continuous machine summaries of woody vegetation to increase the moment of inertia of the cutter. One way to increase the moment of inertia of the cutters is the installation of the inertial mechanism - the flywheel. The moment of inertia of the flywheel depends on its size, which is made from, the frequency of rotation.
Key words: milling machine, flywheel, form factor, the angular velocity, and the moment of inertia.
REFERENCES
1. Kudimov L.P., Kuskov Yu.D., Safonov K.E. Tekhnologiya i kompleksnaya mekhanizatsiya podgotovki torfyanykh mestorozhdenii k razrabotke (Technology and all-round mechanization of preparation of peat deposits for mining), Moscow, Nedra, 1974, 216 p.
2. Sheide V.P. Torfyanaya promyshlennost', 1973, no 8, pp. 16-18.
3. Sinitsyn V.F. Torfyanaya promyshlennost', 1975, no 1, pp. 11-12.
4. Venttsel' E.S. Teoriya veroyatnostei. Uchebnik dlya vuzov (The theory of probability. Textbook for high schools), Moscow, Nauka, 1969, 576 p.
A
