CC BY
138
увеличению точности проведения физического эксперимента и получению сведений о коэффициенте трения. Данная схема подходит для частного определения коэффициента трения для стали 12Х18Н10Т.
Библиографический список
1. Алиев, И. С. Исследование фактора контактного пластического трения / И. С. Алиев, К. Крюгер // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении : сб. науч. тр. — Краматорск : ДГМА, 2002. - С. 112-120.
2. Володин, А. И. Повышение качества круглых в плане поковок на основе совершенствования технологии штамповки : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.09 / А. И. Володин ; ЛГТУ. — Липецк, 2010. —171 с.
3. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением / А К. Леванов [и др.]. — М. : Металлургия, 1976. — 456 с.
4. Исаченков, Е. И. Контактное трение и смазки при обработке металлов давлением / Е. И. Исаченков. — М. : Машиностроение, 1978. — 206 с.
ШИРОКОВ Александр Евгеньевич, магистрант группы ОДМ-612.
ШТЕЛЕ Виталий Геннадьевич, старший преподаватель секции «Машины и технология обработки металлов давлением» кафедры «Машиностроение и материаловедение».
Адрес для переписки: cojidat07@mail.ru
Статья поступила в редакцию 14.01.2014 г.
© А Е. Широков, В. Г. Штеле
УДК 621:681.31 Л. Н. АХТУЛОВА
А. Л. АХТУЛОВ О. М. КИРАСИРОВ В. А. МАШОНСКИЙ
Омский государственный университет путей сообщения
Тобольский индустриальный институт
Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина
ВИЗУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ДВУХБАЛОЧНОГО
МОСТОВОГО КРАНА
КАК СЛОЖНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ______________________________
В статье рассмотрены основные вопросы динамики двухбалочных мостовых кранов и предложена имитационная модель, созданная в подсистеме Simmechanics программного пакета Matlab.
Ключевые слова: мостовой кран, динамика, Simmechanics, имитационная модель, визуальное моделирование.
В работах [1—5] отмечается, что на этапе проектирования мостового крана важной задачей является моделирование процесса передвижения мостового крана с учетом основных динамических характеристик. Это обусловлено тем, что элементы передвижения, такие как подкрановые балки, рельсы, ходовые колеса и т.д. подвергаются повышенному износу, а металлоконструкция моста крана — дополнительным динамическим нагрузкам. Определение оптимального режима работы электродвигателя позволяет добиться лучших технических показателей и снизить аварийность.
Пространственная обобщенная расчетная схема мостового крана может быть представлена в виде естественных звеньев [6, 7] (рис. 1):
— мост крана т1 включает в себя массу двух главных и концевых балок, кабины оператора, часть электрооборудования и ходовых колес;
— тележка крана с массой т2 включает в себя массу части электрооборудования;
— тросовая подвеска с крюковой обоймой и грузом массой т3
Движущая сила Б1, создаваемая электродвигателем М1, определяет характер поступательного движения системы мостового крана. Необходимо учитывать, что в мостовых кранах с распределенным электродвигателем присутствует элемент запаздывания т, пренебрежение этим параметром, может привести к искажению реальной картины движения крана. На характере движения скажутся вибрации, создаваемые при работе электродвигателя М1. Неровности подкрановых путей Б 7 и сила сопротивления движению также влияют на характер движения. Также необходимо учитывать коэффициент жесткости металлоконструкции См.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
Рис. 1. Обобщенная расчетная схема двухбалочного мостового крана
Тележка крана имеет одну степень свободы по оси ОХ2, здесь также оказывают влияния вибрация от электродвигателя, неровности подкрановых путей и сила сопротивления движению.
Подвешенный на гибком подвесе груз имеет четыре степени свободы, три поступательные по осям ОХ3, ОУ3, 023 и одну вращательную.
Для упрощения расчетной схемы необходимо принять следующие допущения:
— поверхность рельс идеально ровная, т.к. для двухбалочных мостовых кранов применяются рельсы: КР-70...КР-140, согласно ГОСТ 4121-96 (2002), максимальное отклонение от прямолинейности рельса не должно превышать: в горизонтальной плоскости — 0,08 %, в вертикальной плоскости — 0,06 % длины, т.о., при расчете можно пренебречь неровностями подкрановых путей;
— главные и концевые балки соединены жесткошарнирными соединениями.
На основании принятых допущений может быть составлена пространственная динамическая расчетная схема двухбалочного мостового крана (рис. 2).
Система состоит из абсолютно жестких звеньев, которые характеризуются моментами инерции Л, Л. , Л.; центробежными моментами инерции Л. , Л. ,
1у' и’ “ 1 1 “ ]Ху' 1Х21
Л относительно осей собственных локальных сис-
1у2
тем координат; координатами центров масс звеньев в локальных системах координат Я]т; массами звеньев т..
1
В результате принятых допущений динамическая пространственная модель мостового крана будет иметь шесть степеней, со следующими действующими силами:Р,, Р,,™ Р„, Б „ Р , ,,., Б .,.
1' 1 +т' 2' ад1' ад1 +т' ад2
Влияние колебаний электроприводов М1, М2 и гибкого подвеса груза учитываются в динамических связях жесткостями с1, с2, ..., с4 и диссипативными элементами Ь1, Ь2, ..., Ь4. На данной схеме показаны все основные процессы, происходящие в системе крана, она универсальна для многих типов задач.
Общепризнано [7], что динамические явления в крановых механизмах и металлоконструкциях можно изучать с помощью упрощенных расчетных схем с ограниченным числом степеней свободы. Эти приведенные схемы интерпретируют работу машины как движение нескольких абсолютно жестких схем точечных масс, соединенных упругими невесомыми (безмассовыми) связями, под воздействием внешних нагрузок.
Чем больше число масс будет введено в расчетную схему, тем точнее она отражает происходящие явления, но и тем сложнее будут уравнения движения.
Уравнения движения упругой системы можно составить по принципу Даламбера, по второму закону Ньютона или используя уравнения Лагранжа. Первый и второй способы практически равноценны, однако второй способ несколько быстрее.
Третий способ универсален. Он использует абстрактные понятия обобщенных координат и сил.
Для создания динамической расчетной схемы процесса разгона мостового крана приняты следующие допущения:
— гибкая подвеска груза заменена упругой связью с условной горизонтальной жесткостью;
— не учтены зазоры в приводе. Пренебрежение соударениями из-за зазоров приводит, согласно [7], к уменьшению максимальных динамических нагрузок металлоконструкции на 2 — 5 %;
— сила сопротивления передвижению крана принята постоянной;
— соединение главных и концевых балок рассматривается как шарнирное;
— грузовая тележка мостового крана находится в середине пролета моста.
Предлагаемая динамическая модель крана учитывает все основные происходящие в системе процессы: упругие колебания трансмиссии механизма передвижения, продольные и поперечные колебания
Рис. 2. Пространственная динамическая расчетная схема двухбалочного мостового крана
крановой металлоконструкции, маятниковые колебания груза, поперечные и вращательные движения кранового моста, а также элемент запаздывания т, для распределенного электродвигателя.
В результате принятых допущений, динамическая модель процесса разгона мостового крана может быть представлена (рис. 3).
Для динамической расчетной схемы приняты следующие допущения:
тП1 — приведенная к ходовым колесам масса вращающихся частей привода (кг);
тк — масса моста, приведенная к перемещению концевых балок (кг);
тП — приведенная к ходовым колесам масса вращающихся частей привода (начиная от ротора двигателя до ходового колеса включительно) и масса моста приведенная к перемещению концевых балок (кг);
тт — приведенная к середине пролета масса средних частей моста и порожней тележки (кг); тг — масса груза (кг);
Рд — сила двигателя, приведенного к ободу приводных ходовых колес, Н;
Р1^ — сила статического сопротивления передвижению крана, Н;
т — элемент запаздывания;
Сп1 — приведенный к ходовым колесам коэффициент жесткости привода механизма передвижения, Н/м;
СМ — коэффициент жесткости металлоконструкции крана в горизонтальной плоскости, Н/м;
Ск — горизонтальная составляющая натяжения грузовых канатов, Н/м;
Кд1 — коэффициент затухания колебаний (демпфирования) привода передвижения крана;
Кд — коэффициент затухания колебаний (демпфирования) металлоконструкции в горизонтальной плоскости;
Рис. 3. Динамическая расчетная схема двухбалочного мостового крана
хп хк хм хг — пути, проходимые соответствующими массами начала координат, м.
Движение этой динамической модели описывается следующими уравнениями:
тГ хГ + сК (хТ -хГ )=0, тТхТ + сМ (хк -х т )-сК(х т -х г )-КД(х т -х г )=0, тк хк - ск (х т -х г)-КД (3х Т -х Г)+спі(х П -х К )+Кді(х П -х К )=°, тпхп - спі(х п -хк )-Кді(х п -х к )-Рд +Рш = 0,
тпхп-спі(х п-х к )-Кді(х п-х к )-Рд-Т+ = °.
Данную математическую модель можно решать с помощью различных методик расчета [5 — 7]. К достоинствам данного метода можно отнести простоту решения, методика расчета универсальна и может решаться на базе различного программного обеспечения.
о
03
150
МАШИНОСТРОЕНИЕ
И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИИ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
ь
Ground 2
[Ё^у~
Machine
Environment
Ground
b
Pw
О
Cnl
с s
CS1"
CS2
H-
Рд
Приводной мех, право
ВЖ F
Weld
-a
CSl CS2
О
См
H-
Концевая балка 1
г-1
-* о 1- ■ ВЖ F Weld4
С
• L_gj
rl
weld:
та-
csA
,CS3
CSl
CS2
В-Г-* В—I
Гл, балка 1
Кді
Groundl
Grounds
Б FI
Рдк
IB F
-H
CS'
CSl'
та
S3
CS2
Cnl(l)
ги
s-
Приводной мех лево
ВЖ F
Weldl
45 І і—H
[ш
CS4 CG cs^fcss
CSl С52
Я— Bn
Концевая балка
О
ВЖ F
ВЖ F
ВЖ F
|—Я С5®
Кабина
Weld?
Weld3
hS
та
cs®:s2
CS3
В
Ж F
1
Weld6
t-a
cs®
CG
CS2
ВЖ FI
Weld8
WeldS
Кд1(1)
О
Гл, балка 2
О
*1
] CG
] CS1
См2
груз
Pwl
См1
Рис. 4. Имитационная модель двухбалочного мостового крана в подсистеме БшипеЬсашсБ пакета МаНаЬ
К недостаткам данного метода можно отнести сложности с выбором начальных и граничных значений. Большое количество допущений может привести к возникновению погрешностей.
Более оптимальным решением для этой задачи, является создание имитационной модели с помощью пакета динамической визуализации, в которой пользователь в режиме реального времени способен менять начальные и граничные условия для получения наилучших параметров.
Предлагаемая имитационная модель создана в подсистеме SimMechanics пакета MATLAB.
Этот программный продукт [8] относится к пакетам «блочного моделирования», основным достоинством данного типа программ визуального моделирования является простота создания моделей не слишком подготовленными пользователями и высокая скорость вычислений при моделировании движений многозвенных объектов с большим числом степеней свободы в больших перемещениях. Немаловажным фактом, при выборе программной среды, также являлось наличие лицензионной версии продукта.
SimMechanics — это отдельная библиотека пакета Simulink среды MATLAB, предназначенная для моделирования механического движения твердых тел. Основное ее назначение — моделирование пространственных движений твердотельных машин и механизмов на стадии инженерного проектирования, используя законы теоретической механики
Модель SimMechanics изображает физическую структуру механизма, геометрические и кинематические отношения его компонентов. SimMechanics автоматически преобразует это структурное изображение во внутреннюю, эквивалентную математическую модель. Это экономит время и усилия исследователя по самостоятельной разработке математической модели.
Звенья предложенной имитационной модели (рис. 3) состоят из твердых жестких тел Body, соединенных шарнирными соединениями Joint. В качестве задаваемых параметров в блок Body выступают:
— масса;
— декартовы координаты характерных точек, связанных с телом, в частности, обязательно должны быть указаны координаты центра тяжести тела CG и, при необходимости, координаты произвольного числа других характерных [9] точек CS1, CS2, CS3, ... ... CSN, таких как центры шарниров, связанных с данным телом или точки приложения внешних сил и моментов;
— тензор инерции тела относительно его центра масс, представляющий собой матрицу размером 3x3:
H
Jix 0 о 0 Jiy 0 0 0 Jiz
где J. , J. , J. , — осевые моменты инерции тела
n ix1 iy iz1 1 “
относительно осей собственной локальной системы координат, связанной с его центром масс.
Наиболее точные значения осевых моментов инерции можно получить с помощью пакетов твердотельного моделирования (Компас 3D, Solidworks и т.д.), создавая в них 3D-модель звеньев в натуральную величину.
Мост крана состоит из блоков Body: главная балка l, главная балка 2, концевая балка l, концевая балка 2, приводной механизм правой части, приводной механизм правой части, кабина оператора,
грузовая тележка и груз, все блоки связаны жесткими шарнирами Weld и упруго-вязкими элементами. Мост крана движется поступательно относительно оси OZ, направление движения задается блоком шарнирного соединения Prismatic, обеспечивающего одну степень свободы. В схеме учтено конструктивное решение с двумя асинхронными двигателями, включая элемент запаздывания.
В зависимости от постановки задачи к модели могут подключаться возбуждающие и регистрирующие блоки Sensors & Actuators, связанные с устройствами, задающими усилия нагружения.
Данная модель позволяет получить такие значения для звеньев, как скорость, положение, ускорение, угловая скорость и угловое ускорение и т.д.
Таким образом, приведенный расчет по предлагаемой авторами [10] имитационной модели двухбалочного мостового крана (рис. 4), упрощает проведение машинного эксперимента, позволяет использовать визуальное моделирование и является универсальной для многих типов задач. Не менее важным достоинством данной модели является возможность ее интеграции с другими подсистемами Matlab и совместимость с программами твердотельного моделирования, на основании чего можно сделать вывод, что модель можно использовать в интегрированных системах автоматизации проектирования для двухбалочных мостовых кранов.
Библиографический список
1. Ахтулов, А. Л. Теоретическое исследование и моделирование процесса разгона грузоподъемного крана мостового типа /
A. Л. Ахтулов, О. М. Кирасиров, Е. В. Комерзан // Омский научный вестник. — 2008. — № 1 (64). — С. 59 — 63
2. Ахтулов, А. Л. Влияние электропривода крановых механизмов на динамические характеристики подъёмно-транспортного оборудования / А. Л. Ахтулов, О. М. Кирасиров, Е. В. Комерзан // Строительные и дорожные машины. — 2008. - № 11. -С. 20-27
3. Ахтулов, А. Л. Анализ методов демпфирования колебаний в электромеханических системах передвижения кранов мостового типа / А. Л. Ахтулов, О. М. Кирасиров, Е.
B. Комерзан // Строительные и дорожные машины. - 2009. - № 6. - С. 57-61
4. Ахтулов, А. Л. Математическая модель процесса разгона мостового крана / А. Л. Ахтулов, О. М. Кирасиров, Е. В. Ко-мерзан // Строительные и дорожные машины. - 2009. -№7. - С. 54-56
5. Ахтулов, А. Л. Анализ и исследование динамических систем грузоподъемных кранов методом компьютерного моделирования / А. Л. Ахтулов, О. М. Кирасиров, Е. В. Комер-зан // Омский научный вестник. - 2008. - № 2 (68). -
C. 57-61
6. Ахтулов, А. Л. Методология построения и практическое применение системы автоматизации проектирования транспортных машин / А. Л. Ахтулов // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ). -Омск : Издательский дом «ЛЕО», 2005. - Вып. 3. - С. 14-29.
7. Построение алгоритма автоматизации проектирования процесса передвижения грузоподъемных кранов мостового типа, с учетом динамических характеристик / А. Л. Ахтулов [и др.] // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2012. - № 2 (54). - С. 136-138.
8. Колесов, Ю. Б. Визуальное моделирование сложных динамических систем / Ю. Б. Колесов. - СПб : Мир и семья и Интерлайн, 2000. - 240 с.
9. Моделирование и визуализация движений механических систем в MATLAB : учеб. пособие / В. С. Щербаков [и др.]. -Омск : Изд-во СибАДИ, 2007. - 84 с.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
10. Построение имитационной модели двухбалочного мостового крана / А. Л. Ахтулов [и др.] // Вестник СибАДИ : науч. рецензируемый журн. — 2012. — № 3 (25). — С. 7 — 11.
АХТУЛОВА Людмила Николаевна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Экономика транспорта, логистика и управление качеством» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС).
АХТУЛОВ Алексей Леонидович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры электроэнергетики Тобольского индустриального института — филиал Тюменского государственного нефтегазового университета (ТИИ ТюмГНГУ), действительный член Международной академии авторов научных открытий и изобретений и Академии проб-
лем качества, почетный работник высшего профессионального образования, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПС.
КИРАСИРОВ Олег Михайлович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технический сервис, механика и электротехника» Омского государственного аграрного университета им. П. А. Столыпина.
МАШОНСКИЙ Вячеслав Александрович, аспирант кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПС, инженер-аналитик ЗАО «ЭПАК-Сервис».
Адрес для переписки: ahtulov-al1949@yandex.ru
Статья поступила в редакцию 03.02.2014 г.
© Л. Н. Ахтулова, А. Л. Ахтулов, О. М. Кирасиров,
В. А. Машонский
УДК 631.33.024.2 А. п. ШЕВЧЕНКО
М. А. БЕГУНОВ
Омский государственный аграрный университет им. П. А. Столыпина
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДВУХСТРОЧНОГО КИЛЕВИДНОГО СОШНИКА ДЛЯ ПОСЕВА СЕМЯН ЛЬНА______________________________________________
Статья посвящена исследованию процесса посева семян льна двухстрочным килевидным сошником с применением планируемого эксперимента. Выявлены рациональные конструктивные и технологические параметры двухстрочного килевидного сошника, повышающие качество заделки семян льна на заданную глубину.
Ключевые слова: посев, килевидный сошник.
Практика показала, что существующие сошники сеялок для посева льна-долгунца не в полной мере удовлетворяют требованиям по заделки семян на заданную глубину, что, в свою очередь, приводит к снижению урожая и качества культуры.
С учётом вышеизложенного предлагается двухстрочный килевидный сошник (рис. 1), который наиболее полно отвечает современным агротехническим требованиям при посеве льна-долгунца на требуемую глубину [1].
Двухстрочный килевидный сошник включает два килевидных наральника 5, соединенных между собой винтовой стяжкой 7, позволяющей регулировать расстояние между наральниками от 5 до 10 сантиметров, в задней части каждого из них имеются корпуса-семяпроводы 6, которые соединяются с раструбом 8 гофрированными семяпроводами 4, а спереди крепятся лыжеобразные ограничители глубины хода сошника 3, также имеется регулировочная пружина заглубления сошника 1 с планкой 2, имеющей отверстия для регулировки усилия пружины.
При работе сошника два килевидных наральника 5 проделывают две борозды. Семенной материал, проходя через раструб 8, делится на две равные части, каждая из которых проходит через гофрирован-
Рис. 1. Схема двухстрочного килевидного сошника
ный семяпровод 4 и корпус-семяпровод 6, попадает на дно бороздок.
В настоящей статье представлены результаты экспериментального исследования работы двухстрочного килевидного сошника для посева льна.
