CC BY
33
--© П.А. Горбатов, Е.А. Воробьев,
А.В. Кислун, 2006
УДК 622.232.72
П.А. Горбатов, Е.А. Воробьев, А.В. Кислун
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ПОДСИСТЕМ ПРИВОДОВ ВЫЕМОЧНЫХ КОМБАЙНОВ С ПОВЫШЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ НАДЕЖНОСТИ
Семинар № 17
ш ш одсистемы приводов исполни-И. тельных органов (подсистемы ПИО) выемочных комбайнов, как правило, являются наиболее нагруженными подсистемами в составе этих машин, и, следовательно, важным является снижение их динамической нагруженности и повышение параметров надежности, что может быть достигнуто при использовании корректирующих динамических звеньев (КДЗ).
В данной работе предложена методика поэтапной разработки подсистем ПИО при наличии в них предложенного компактного КДЗ зубчато-пружинного типа, рис. 1.
Данное устройство состоит из оси 1, на опоре скольжения которой установлена шестерня 2 с углом зацепления а, связанная винтовыми зубьями 3 с втулкой 4, которая может перемещаться в осевом направлении по оси 1. Между шестерней 2 и втулкой 4 размещается цилиндрическая
пружина 5 и упорный шарикоподшипник 6. Устройство может также выполнять функции размыкания кинематической цепи, при этом соединение или рассоединение этой цепи осуществляется перемещением направляющей 9 соответственно влево или вправо с помощью отключающего механизма (на рис. 1 не показан). При соединенной кинематической цепи крутящий момент М от колеса 7 через два шлицевых соединения передается шлице -вой втулке 4, от которой посредством косых зубьев 3 предается шестерне 2. При соответствующем направлении вращения втулка 4 при увеличении М под воздействием усилий, возникающих в винтовом сопряжении 3, будет перемещаться по направлению к шестерне, сжимая пружину, а при снижении М - в противоположном направлении. Между элементами 4 и 9 установлена дистанционная втулка 8, обеспечивающая запирание КДЗ. При перемеще-
а)
б)
Ч>1
© сГ
еР
О
вр
■ю
о
Рис. 2. Расчетная динамическая схема (а) и зависимость V = у( е) (б)
нии втулки 4 формируется демпфирующий момент МТ за счет сил трения во всех парах трения.
Наличие данного устройства в подсистемах ПИО определяет характер проектирования таких подсистем как динамических объектов, которое включает нижеприведенные этапы.
1. Разработка проектно-конструкторских решений подсистемы ПИО без КДЗ.
При этом одновременно должно быть выполнено резервирование необходимого объема свободного пространства (по результатам предварительной эскизной проработки) для последующей встройки КДЗ на одном или двух участках кинематической цепи, где такая возможность имеется.
2. Определение оценок инерционных и упругих параметров механической части подсистемы ПИО.
Моменты инерции вращающихся элементов и коэффициенты податливости ре-дукторных участков валопровода между соответствующими массами определяются на стадии проектирования по чертежам по известным зависимостям и проводятся к центру приведения, в качестве которого, как правило, выбирают ротор приводного электродвигателя.
3. Оценка диссипативных параметров механической части подсистемы ПИО.
Рекомендуемая оценка относительного демпфирования при линеаризации диссипа-тивных свойств механической части подсистем уР = 0.11+0.14. Указанные значения получены ДонНТУ на основе идентификации
результатов имитационного моделирования с данными широкомасштабных натурных экспериментов с выемочными комбайнами.
4. Построение расчетной динамической схемы для механической части подсистемы ПИО.
По полученным значениям приведенных к ротору динамических параметров строится полная расчетная динамическая схема механической части подсистемы, которая во многих случаях может быть существенно упрощена известными методами за счет уменьшения числа степеней свободы.
На рис. 2, а приведена упрощенная расчетная динамическая схема механической части подсистемы ПИО без КДЗ, характерная для большинства современных очистных и проходческих комбайнов (например, КДК500, КДК700, ГШ500, КПД, КПУ, КСП32).
На рис. 2, а: 31„ 32 - приведенные моменты инерции главных масс подсистемы - соответственно ротора приводного электродвигателя и исполнительного органа с присоединенными к ним другими массами при упрощении исходной полной расчетной схемы; ф1, ф2 - угловые координаты, описывающие динамическое поведение главных масс подсистемы; еР, вР - приведенные податливость и коэффициент демпфирования механической (редуктор-ной) части подсистемы ПИО без КДЗ.
5. Установление рациональной области значений коэффициента податливости е = ел + е„ механической части подсисте-
мы ПИО со встроенным КДЗ (еУ - приведенный к валу электродвигателя коэффициент податливости КДЗ).
Для решение этой задачи, которую рассмотрим на примере очистных комбайнов, в качестве функции цели представляется целесообразным принять оценку коэффициента вариации V крутящего момента М в элементах подсистемы ПИО при стационарных режимах нагружения.
Зависимость у = у(е) должна учитывать как динамические свойства подсистемы с КДЗ, так и параметры представительной внешней нагрузки на исполнительном органе (ИО). При этом последнюю в первом приближении можно представить как суперпозицию: случайных составляющих в виде ограниченного белого шума, обусловленных стохастичностью взаимодействия ИО с разрушаемым массивом; квазигармонической высокочастотной составляющей с часто-
той —с =
/1 + J2 J1 • J2 • (
с , которую, как пока-
зано в работе [1], следует отнести к классу авторезонансных процессов; квазигармонической низкочастотной составляющей с частотой а>н, обусловленной остаточной силовой неуравновешенностью ИО.
С учетом вышеизложенных подходов [2] предложена следующая аналитическая зависимость V = у (е):
у = ^ -
7,81 •Ю-3е1 • 1п
72 + 27е +1 72-27е +1
лг^ 1 ъ-4 -11 7 -е 7 + е +156 -10 у I аг^--+ аг^
У
У
+2,25 ■10~6у~2 + 0,01
(1 — К2Н )2 + 4у2 К2Н
Здесь: г = 900юс_1; е = (1 -у2 )°'5 ; у = г-1 [0.125 + уУ (г -1)] - оценка относительного демпфирования в механической части подсистемы ПИО с КДЗ; уУ -
значение относительного демпфирования
в КДЗ; г = е • ер ; Кн =— ; — = —ио • пн ;
—
°)Ио - угловая скорость ИО, с-1; пн - количество циклов квазигармонической низкочастотной составляющей внешней нагрузки на ИО за время, равное его полному обороту (например, для шнековых органов это значение следует принимать равным количеству лопастей).
Необходимо отметить, что возможность неучета в первом приближении динамических свойств приводного электродвигателя при решении поставленных задач обусловлена сравнительно высокой расстройкой собственных частот тЭ и юс парциальных подсистем «электродвигатель» (отражает электромагнитную связь ротора с полем статора на основе известных механических моделей - аналогов) и «механическая часть подсистемы ПИО» для современных выемочных комбайнов. При этом исходим также из того, что при встройке реальных конструкций КДЗ зубчато-пружинного типа в подсистему ПИО значения моментов инерции главных масс J1 и J2 практически не претерпят изменений.
На стадии, когда еще не выполнена конкретная проработка конструкции КДЗ и, следовательно, неизвестно значение уУ, при построении зависимости v = v(e) ,
рис. 2, б, предлагается принять оценку относительного демпфирования уУ = 0.25
(с последующим уточнением ее после проектирования КДЗ). Эта гипотетическая оценка соответствует рациональному значению рассматриваемого диссипативного параметра, что установлено в результате ряда натурных и вычислительных экспериментов ДонНТУ.
По графику V = v( е), рассматривая коэффициент вариации V как функцию цели, устанавливают рациональную область значений е, и, следовательно, еУ. При этом из указанной области должны быть исключены запретные зоны, соот-
0,5
ветствующие формированию явлений резонансного характера вследствие совпадения частот а>С с частотами основных гармоник внутренних кинематических возмущений при работе зубчатых передач и электродвигателя.
6 Выполнение конструкторской проработки альтернативных вариантов КДЗ в зарезервированных объемах свободного пространства.
Этот процесс является итерационным и сопровождается определением конструктивных параметров КДЗ (параметров пружины, угла поднятия в и высоты Хк косых зубьев и т.д.).
С этой целью можно использовать предложенную в работах [3,4] систему уравнений, отражающих для каждого сравниваемого технического решения силовые равновесия элементов КДЗ и наложенные на ряд элементов функциональные и параметрические ограничения, а также позволяющих определить
конкретные численные значения относительного демпфирования Для решения
1. Горбатов П.А. Теория функционирования и совершенствование очистных комбайнов как нелинейных динамических систем: Автореф. дис. ... докт. техн. наук. - Донецк, 1991. - 35 с.
2. Методика установления рациональных параметров виброзащитных устройств в подсистемах привода очистных комбайнов // Горбатов П.А., Гуляев В.Г., Кривченко Ю.А., Юргилевич В.А.//Уголь Украины. - 1991. - №5. - С. 38-41.
этих уравнений следует использовать известные численные методы.
В результате выполнения шестого этапа выбирается вариант, обеспечивающий в соответствии с выбранной функцией цели наиболее высокую эффективность работы КДЗ. При этом значения уУ, как указывалось выше, должны быть близкими к 0,25.
Более точно эффективность КДЗ по снижению динамичности нагрузок можно установить на основе имитационного моделирования динамического функционирования выемочных комбайнов в автономной системе «комбайн - горный массив» [1].
Как показывают исследования Дон-НТУ [2,1], КДЗ с рациональными параметрами, встроенные в ПИО, обеспечивают существенное улучшение параметров надежности подсистем ПИО и выемочных комбайнов в целом.
Предлагаемое корректирующее динамическое звено можно применять не только для выемочных комбайнов, но и для других тяжелонагруженных машин.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Горбатов П.А., Воробьев Е.А., Укрепин С.А. Установление рациональных параметров виброзащитного устройства зубчато-пружинного типа // Труды Донецкого госуд. техн. университета. Вып. 7. - Донецк: ДонГТУ, 1999. - С.45-50.
4. Воробьев Е.А., Горбатов П.А., Андыбор А.М. Диссипативные параметры виброзащитных устройств зубчато-пружинного типа// Вибрации в технике и технологиях. - 2001. - №3(19). - С.52-55.
— Коротко об авторах -
Горбатов П.А., Воробьев Е.А., Кислун А.В. - Донецкий национальный технический университет, Донецк.
