GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
OKSO 35.06.04 Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве
The operation of any machine includes three periods of operation: start and acceleration, steady motion, braking and stopping. During periods of start-up and braking, large dynamic loads occur, adversely affecting the strength of machine elements and the overloading of the drive source. The purpose of the study is to determine the dynamic loads during the start-up of the machine and to find options for reducing them. The mathematical values of dynamic loads are determined by the example of a spatial mixer from rotating elements of the drive. It has been established that the dynamic moments from the rotating elements of the drive are several times greater than those from static loads. Practical methods are shown to reduce these loads using an elastic coupling, removing the coupling from the structure, manufacturing it from composite materials, and increasing the start-up time of the electric motor. The significance of the results obtained for machines using transmissions through couplings consists in a substantial reduction of the influence of dynamic loads during start-up on the elements and source of the drive and an increase in the service life and productivity of the machines as a whole.
variable angular velocity, acceleration, dynamic loads from rotating drive elements, composite materials.
Многие машины (грузоподъемные, смесители периодического действия, и т.п.) имеют цикличный характер работы, который характеризуется повторно-кратковременным режимом. Особенность работы заключается в количестве включений в час. Так, у грузоподъемных кранов при легком режиме происходит 60 включений в час, а при весьма тяжелом – 360 включений в час. У пространственных смесителей число включений около 30 в час.
Периоды с переменной скоростью движения относятся к нестационарному режиму, при котором возникают большие динамические давления от того, что звенья машины в эти периоды имеют переменные скорости движения, в результате чего возникают ускорения и соответственно движению силы или моменты инерции.
Известны теоретические исследования динамики привода механизма подъема [1], экономико-математическая модель работы крана [2], расчет и конструирование кранов [3.4], расчет конструкций и теория электропривода кранов [5,6,7], анализ и синтез крановых систем [8], напряженное состояние сталежелезобетонных балок [9], положения и законы теоретической механики [10], публикации зарубежных авторов [11,12] и др.
Теоретические исследования касались общих показателей работы механизмов грузоподъемных машин, характеризовались громоздким математическим аппаратом вычислений и сложными компьютерными программами, использование которых производственникам затруднено.
В опубликованных работах мало уделено внимание тщательному анализу работы механизма в период пуска и торможения с учетом динамических показателей, роль и влияние муфты на динамику пуска.
Цель работы – выявить и определить динамические инерционные моменты в период пуска механизма или машины, их воздействие на элементы передачи и источник привода, роль муфты в динамике, предложить практические решения по уменьшению динамических величин.
Исследование и анализ результатов. В качестве исследования примем устройство, сконструированное на базе пространственного четырехзвенного механизма с вращательными шарнирами, относящееся к новому направлению в теории пространственных механизмов, это универсальный смеситель-галтователь. Выбором устройства охватываем два важных момента: исследование динамики периода пуска машины и исследование конкретного нового пространственного смесителя.
Конструкция смесителя включает раму 1, на которой установлен электродвигатель 2, соединенный посредством муфты 3 с редуктором 4 (рисунок 1, верхний). На раме 1 установлены стойки 5 и 6, в стаканах которых шарнирно расположены пространственные кривошипы 7,8, последние также шарнирно соединены с пальцами 9 и 10 корпуса емкости 11. Пальцы 9 и 10 жестко установлены на корпусе емкости под углом скрещивания α на кратчайшем расстоянии ℓ, кривошипы имеют другой угол β скрещивания и длину ℓ1. Параметры смесителя связаны между собой соотношением:
ℓ/ℓ1=sin α/sin β. (1)
В корпус емкости 11 вставляется сменный контейнер 12 с обрабатываемым материалом и закрепляемым там винтовым прижимом 13.
Шарнирные соединения кривошипов выполнены на подшипниках скольжения (как показано на рисунке) или подшипниках качения, что предпочтительнее в производственных смесителях.
При динамическом исследовании смесителя использованы положения динамики машин: метод кинетостатики, приведение сил и моментов к одному звену, принцип Даламбера, условие равновесия сил и моментов из теоретической механики.
Поставленная задача решается приведением сил и моментов к ведущему звену-ротору электродвигателя с жестко закрепленными с ним муфтой и ведущим валом редуктора. Здесь многозвенный механизм смесителя заменяется эквивалентным по действию двухзвенным механизмом, кинематическая схема которого показана на рисунке1, нижний.
1. Anferov V. N., Demidenko O. V., Kuznetsov S. M., Serov M. Yu., Vasilev S. I. Economic and mathematical model of the operation of jib cranes. [Ekonomiko-matematicheskaya model raboty strelovykh kranov]. // Stroitelnye i dorozhnye mashiny. - Building and road machines. 2014. №4. P. 35 - 40.
2. Abramov B. N., Gnezdilov S. G. Issledovanie dinamicheskikh nagruzok mostovogo krana pri rabote mekhanizma podema. [Investigation of dynamic loads of a bridge crane during the operation of the lifting mechanism]. M.: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana. 2013. P. 55.
3. Mandrovskiy K. P. Analiz dinamiki gruzopodmnykh kranov metodom privedennykh raschetnykh skhem. [Analysis of the dynamics of load lifting cranes by the method of the given calculation schemes]. M.: MADI, 2014. P. 16.
4. Koloda S.F. Raschet i konstruirovanie kranovykh mekhanizmov. [Calculation and design of crane mechanisms]. Mariupol: Priazovskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet, Azove, 2011. P.345.
5. Aleksandrov M.P., L.N. Kolobov, I.N. Lobov and others. Gruzopodemnye mashiny. [Lifting machines]. M.: Mashinostroenie, 2000. P. 400.
6. Anferov V. N., Kuznetsov S. M., Vasilev S. I. A simulation model for assessing the organizational and technological reliability of jib cranes. [Imitatsionnaya model otsenki organizatsionno-tekhnologicheskoy nadezhnosti raboty strelovykh kranov]. // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. - Stroitelstvo Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Building.2013. №1 (649). P. 70 - 78.
7. Moskalenko V. V. Privod elektricheskiy. [Electric driving gear]. M.: Izd-vo ITS “Akademiya”, 2005. P. 368.
8. Gerasimyak R. P. Analiz i sintez kranovykh elektromekhanicheskikh system. [Analysis and synthesis of crane electromechanical systems]. / R. P. Gerasimyak V. A., Leschev. Odessa: SMIL, 2008. P. 192.
9. Zamaliev F.S. Napryazhennoe sostoyanie prednapryazhennykh stalezhelezobetonnykh balok ot deystviya ekspluatatsionnykh nagruzok. [The stress state of prestressed steel-beam reinforced concrete beams from the action of operational loads]. Izvestiya KazGASU. - Proceedings of KSUAE. №3(41). 2017. P. 87-97.
10. Bukhgolts N. N. Osnovnoy kurs teoreticheskoy mekhaniki. Ch.1, [Basic course of theoretical mechanics. Part 1]. Izd-vo SPb.:, 2009. 480; Ch.2, izd-vo SPb.: Lan, 2009. P. 336.
11. Perez A. and McCarthy J. M. Dimensional Synthesis of Bennett Linkages, Transactions of the ASME, Vol. 125, 2003. P. 98-104.
12. Hofmann S., Storz M. Doppelschraubgetriebe // Sonderdruck aus Ant-riebstechnik 34, 1995. № 8.
13. Mudrov A. G. Analysis of the operation of the lifting mechanism of load-lifting machines. [Analiz raboty mekhanizma podema gruzopodemnykh mashin]. // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - The Herald of Kazan State Agrarian University. №2, 2015. P. 66 -70.
14. Mudrov A. G. Analiz raboty mehanizma pod'ema gruzopod'emnyh mashin // Vestnik KazGAU. № 2, 2015. S. 66 -70.
