Комплексная динамическая модель текстильной машины с учетом взаимодействия с перерабатываемым материалом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, доктор технических наук Титов, Сергей Николаевич

• Титов, Сергей Николаевич
• доктор технических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор технических наук Титов, Сергей Николаевич

Введение.

1. Аналитический обзор.

2 Текстильные машины и процессы как динамические объекты.

2.1. Классификация технологических процессов как объектов динамики.

2.2. Устойчивость технологических процессов и методы ее оценки.

3. Влияние перерабатываемого материала на динамику машины.

3.1. Текстильный материал как вязкоупругое звено.

3.2. Текстильный материал как динамический возбудитель.

4. Оценка динамических свойств текстильных материалов.

4.1 Общие аспекты экспериментальной оценки вязкоупругих свойств текстильных материалов.

4.2. Особенности измерения динамических свойств текстильных нитей при растяжении.

4.3. Методики измерения динамических свойств текстильных материалов.

4.3.1. Определение вязкоупругих свойств текстильных материалов при поперечном или радиальном сжатии.

4.3.2. Определение вязкоупругих свойств текстильных материалов при продольном растяжении.

5. Динамические модели текстильного оборудования с учетом перерабатываемого материала и методы их анализа.

5.1. Структура динамических моделей текстильного оборудования.

5.2. Обобщенная модель динамического взаимодействия текстильного материала с рабочим органом машины.

5.3. Методы частотной и временной оценки динамических параметров текстильных машин и процессов.

Результаты и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексная динамическая модель текстильной машины с учетом взаимодействия с перерабатываемым материалом»

Актуальность темы. В настоящее время реальное повышение конкурентоспособности отечественной текстильной промышленности невозможно без ее технического перевооружения на основе современного высокопроизводительного оборудования, реализующего интенсивные, но в то же время щадящие по отношению к перерабатываемому продукту, технологические процессы.

Решение этой задачи требует всемерного применения современных научных методов при изучении свойств текстильных материалов и исследовании технологических процессов, а также при разработке новых технологий и проектировании нового и модернизации существующего оборудования. "Важнейшим, направлением является разработка и исследование новых высокопроизводительных технологических процессов и оборудования для их реализации. Совершенствование оборудования .должно базироваться на исследованиях работы отдельных механизмов, узлов, машин и агрегатов с целью обеспечения устойчивой работы на усиленных режимах, при высоком качестве продукции и повышении производительности труда" [11].

Так как современные процессы интенсивны и, как следствие, динамичны, все разработки как научные, так и практические, требуют привлечения методов и средств динамики, как раздела механики. При этом возникает естественная необходимость учитывать взаимовлияние перерабатываемого материала и рабочих органов машины с тем, чтобы обеспечить инженерный поход к проектированию и модернизации текстильного оборудования [74].

Термин "инженерное проектирование" в настоящее время предполагает, согласно К. В. Фролову [174], что ".при конструировании машин и механизмов должен быть осуществлен выбор их оптимальных параметров структурных, кинематических, динамических, эксплуатационных), наилучшим образом соответствующих предъявляемым к ним многочисленным требованиям. .При решении задач оптимального проектирования современные машины следует рассматривать как колебательные системы, находящиеся во взаимодействии с . технологической нагрузкой и работающие в условиях упорядоченного или случайного возбуждения. Поэтому особое значение приобретает исследование динамических свойств (колебаний и устойчивости) проектируемых систем .на основе дальнейшего развития теории нелинейной механики".

При этом важнейшими этапами при проектировании или усовершенствовании любых машин или механизмов являются [174]:

1. Разработка структурных, кинематических, динамических и других моделей, предназначенных, как правило, для обработки в диалоговом режиме "человек-ЭВМ".

2. Проверка адекватности разработанных моделей.

3. Выбор критериев и параметров оптимизации (путем сужения их количества до разумного уровня, позволяющего реализовать задачу оптимизации на ЭВМ).

4. Расчет параметров машин и механизмов с применением разработанных моделей с учетом значимости выбранных критериев оптимизации.

Однако, три научных направлений текстильного профиля — материаловедение, отраслевые технологии и машиноведение — оценивают как свойства текстильных материалов, так и их взаимодействие с рабочими органами машин по-разному. Отсутствует единство как в классификации технологических процессов и в оценке их устойчивости, так и в оценке вязкоупругих свойств текстильных материалов. Существующие вязкоупругие модели текстильного материала не учитывают влияние скорости изменения деформации на динамические параметры механико-технологических систем машин.

Применительно к текстильному машиностроению, для выполнения надлежащим образом всех важнейших этапов инженерного проектирования рабочего органа, механизма, узла, машины или агрегата необходимо знать свойства текстильного материала для того динамического режима, при котором он перерабатывается, и включать этот материал как активное звено в исследуемый или проектируемый объект. Текстильное материаловедение таких методов и средств для измерения вязкоупругих свойств материалов в динамических режимах не предлагает.

Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью единого комплексного подхода к динамической модели текстильной машины (агрегата, узла, рабочего органа, процесса) с учетом взаимодействия с перерабатываемым материалом. Комплексный подход предусматривает разработку и экспериментальную проверку вязкоупругой модели текстильных материалов и методов и средств измерений их вязкоупругих свойств в динамических режимах, разработку или адаптацию существующих методов и средств частотного и временного анализа периодических динамических процессов, характерных для текстильной промышленности, с целью проверки адекватности моделей реальным процессам.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является повышение качества текстильных машин и выпускаемой ими продукции за счет оптимизации их параметров и повышения устойчивости технологических процессов. Для достижения этой цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать комплексную модель текстильной машины, включающую в себя перерабатываемый материал как активное звено, играющее роль вязкоупругого элемента и динамического возбудителя колебаний.

2. Разработать классификацию механико-технологических систем текстильного оборудования как объектов динамики, являющуюся методологической базой для построения динамической модели текстильной машины (процесса, узла, агрегата).

3. Разработать критерии и методику оценки динамической устойчивости технологических процессов.

4. Разработать и проверить экспериментально вязкоупругую модель текстильного материала, включающую в себя зависимость вязкоупругих свойств от скорости и направления деформирования.

5. Разработать методы и средства экспериментального измерения вязкоупругих свойств текстильных материалов в динамических режимах, пригодные для практического применения и создания баз данных.

6. Разработать методику анализа экспериментальных данных периодических процессов в текстильных машинах, включающую в себя методы и средства выявления высокочастотных воздействий от отдельных рабочих органов, предназначенную как для проверки адекватности разработанных моделей конкретным реальным процессам, так и для выявления отдельных компонент этих процессов при их изучении.

Методы исследования. Задачи, поставленные в работе, решались теоретическими и экспериментальными методами. В теоретических исследованиях применены методы математического и имитационного моделирования, дифференциального и интегрального исчисления, теоретической механики, теории механизмов и машин, сопротивления материалов, текстильного материаловедения, теории колебаний, теории упругости, векторной алгебры, дифференциальной геометрии. Решение уравнений выполнено аналитическими и численными методами с помощью стандартных математических пакетов MathCAD-2000 и MATLAB-6.5 v 13 и специально разработанных для этой цели автором программ.

Основные результаты теоретических исследований подвергались экспериментальной проверке в лабораторных и производственных условиях, а также сравнивались с экспериментальными данными других авторов. Эмпирические зависимости получены с использованием серийного и оригинального (разработанного автором) измерительного оборудования.

Обработка экспериментальных результатов проводилась методами математической статистики на ЭВМ с использованием стандартных пакетов регрессионного, дисперсионного и спектрального анализа, а также при помощи специально разработанных автором программ для оцифровки осциллограмм и численного спектрального анализа.

Научная новизна. В результате выполненной работы впервые:

• создана комплексная динамическая модель текстильной машины, включающая в себя текстильный материал в качестве активного звена, в структуре которой присутствуют вязкоупругие связи рабочих органов с остовом или другими машинами многодвигательного машинного агрегата, оказывающие, наряду с электродвигателем, решающее влияние на динамику машины, для которой разработана обобщенная модель динамического взаимодействия текстильного материала с рабочим органом;

• разработана классификация механико-технологических систем текстильного оборудования с точки зрения динамики с включением в нее текстильного материала как активного звена, являющаяся методологической базой для построения динамической модели текстильной машины (процесса, узла, агрегата);

• разработана и экспериментально подтверждена концептуальная модель вязкоупругих свойств текстильного материала, в которой влияние вязкой компоненты на усилие деформации зависит от направления деформирования;

• на теоретической модели обнаружен и экспериментально подтвержден эффект смещения положения динамического равновесия колебательной системы, включающей в себя вязкоупругий элемент с нелинейной вязкостью, по отношению к положению статического равновесия в сторону минимума суммы потенциальной энергии и работы диссипативных сил;

• разработаны критерии обеспечения и методика оценки устойчивости технологического процесса в динамическом режиме, учитывающие переменный характер силового взаимодействия рабочего органа с текстильным материалом и динамическое смещение рабочего органа;

• разработаны методы и средства экспериментального измерения вязко-упругих свойств текстильных материалов в режимах динамического сжатия (смятия) и растяжения, пригодные для практического использования с целью создания баз данных динамических свойств текстильных материалов;

• на основе экспериментальных измерений выявлены основные зависимости вязкоупругих свойств текстильных паковок и пряж от динамических режимов измерений и статических параметров предварительного нагруже-ния;

• путем частотного анализа выявлен эффект возрастания натяжения упругой системы заправки в начале фазы закрытия зева, объясняемый перераспределением энергий между главным валом и упругой системой заправки при колебательных процессах в ткацком станке, чем полностью подтверждена структура динамической модели текстильной машины, включающая в себя вязкоупругие связи с остовом через обрабатываемый материал;

• проверена и подтверждена возможность применения вейвлетов в качестве анализаторов периодических процессов для выявления и локализации высокочастотных и среднечастотных составляющих, не распространяющихся на полный период.

Практическая значимость и реализация результатов:

• Разработанная структура комплексной модели текстильной машины (машинного агрегата, механизма, узла, рабочего органа), включающая в себя перерабатываемый матер 1ал в качестве активного вязкоупругого звена и/или динамического возбудителя, и унифицированная модель взаимодействия перерабатываемого материгла с рабочим органом позволяют осуществить как анализ технологического процесса с точки зрения динамики, так и синтез устройства.

• Единая система классификации технологических процессов, воздействий на перерабатываем: >1Й материал и технологических систем текстильного оборудования как объжтов динамики обеспечивает системный подход к исследованию или проектированию технологических процессов, рабочих органов и механизмов текст: шьного оборудования.

• Нелинейная мод ел е> зволяет провести оптимал стильного оборудования л режима.

• Методы и средства свойств текстильных мате лучение необходимых ис: вания) в рабочих режима^ ния при их исследовании пэ

• Разработанные мецч стильном оборудовании и исследовать превалируй »: процессов с одной сторон страняющиеся на весь ци вязкоупругих свойств текстильного материала по-ьное проектирование технологических систем тек-обеспечить устойчивость стационарного рабочего для экспериментального измерения вязкоупругих риалов в динамических режимах обеспечивают по-одных данных для расчета (численного моделиро-технологических систем текстильного оборудова-I проектировании. одики анализа периодических процессов в тек-экспериментальным данным, позволяют выявлять щие низкочастотные составляющие колебательных а, и их высокочастотные составляющие, не распро-, с другой стороны. в л

• Разработанные алгоритмы, программные модули и программы позволяют осуществлять оцифровку осциллограмм и графиков, выполнять спектральный анализ периодических процессов, проводить визуальное моделирование плоских шарнирно-рычажных механизмов и разрабатывать программы синтеза передаточных механизмов с широким спектром применения в научных исследованиях и конструкторской практике.

• Динамическая модель процесса взаимодействия текстильного материала с рабочим органом, методика экспериментального определения вязко-упругих свойств текстильного материала и метод оценки устойчивости рабочего режима были применены при оптимизации конструкции мотального механизма и вытяжного прибора самокруточной прядильной машины ПСК-225-J10 при постановке ее на производство в Костромском СКБ ТМ.

• Системный подход к текстильным процессам как объектам динамики реализован в приспособлении для крепления веретена (АС № 578376), использованного Костромским СКБ ТМ, в способе получения армированной нити (АС № 859496), использованного Киевским заводом «Электробытпри-бор» и ИПМ АН УССР, в накопителе уточной нити к бесчелночному ткацкому станку (АС № 1516535) и в приводе батана ткацкого станка (АС № 1516538).

• Динамика взаимодействия текстильного материала с рабочими органами машины и спектральный анализ периодических процессов включены в учебное пособие «Динамика текстильных машин» (ISBN 5-8285-0022-8).

• Разработанные автором классификационные структуры, методы разработки динамических моделей, алгоритмы и программное обеспечение широко используется в учебном процессе КГТУ.

Апробация работы. Материалы по теме диссертационной работы докладывались и получили одобрение на:

• семинаре по «Теории механизмов и машин АН РФ (Костромской филиал)», г. Кострома, КТИ, 1991, 1994 гг.;

• семинаре по «Теории механизмов и машин АН РФ (Костромской филиал)», г. Кострома, КГТУ, 1999, 2001, 2003, 2004 гг.;

• VIII Международной конференции по ТММ, Чехия, г. Либерец, Либе-рецкий технический университет, 2000 г.;

• 2-й Всесоюзной конференции по волоконной оптике, г. Москва, ФИАН, 1979 г.;

• республиканской научно-технической конференции «Современные проблемы механики», Ташкент-Самарканд, ИМ УзАН, 2001 г.;

• научных конференциях КТИ, г. Кострома, 1987. 1989 гг.;

• республиканских научно-технических конференциях «Лен-94» и «Лен-96», г. Кострома, КТИ, 1994, 1996 гг.;

• международной научно-технической конференции «Лен-2002», г. Кострома, КГТУ, 2002 г.;

• международных научно-технических конференциях «Прогресс-2002» и «Пиктел-2003», г. Иваново, ИГТА, 2002, 2003 гг.;

• международных научно-практических конференциях «Льняной комплекс России. Проблемы и перспективы» и «Пути повышения конкурентоспособности продукции из льна», г. Вологда, ЦНИИИКАЛП, 2001, 2004 гг.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 35 работ, в том числе: 2 книги, 17 статей в журналах и сборниках научных трудов, 4 текста и 8 тезисов докладов на научных конференциях, 4 изобретения.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Титов, Сергей Николаевич

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Комплексная динамическая модель текстильной машины включает в себя текстильный материал в качестве активного элемента (вязкоупругого звена и/или динамического возбудителя) и вязкоупругие связи рабочих органов с остовом, оказывающие, наряду с электроприводом, решающее влияние на динамику машины, а текстильный материал является силовым, кинематическим или параметрическим возбудителем колебаний.

2. Установлено, что объединение отдельных машин в многодвигательные машинные агрегаты осуществляется путем замены части вязкоупругих связей рабочих органов с остовом на связи машин друг с другом.

3. Предложено в качестве критерия устойчивости технологического процесса условие неразрывности силового или кинематического контакта рабочего органа с обрабатываемым материалом, учитывая переменный характер взаимодействия текстильного материала с рабочим органом и динамическое смещение рабочего органа, обусловленное влиянием вязкой компоненты механико-технологических систем.

4. Рекомендовано оценивать динамическую устойчивость технологического процесса с учетом результатов структурного анализа системы и на основании комплекса признаков, определяющих конкретную механико-технологическую систему, исходя из предложенной нами системы классификации, включающей в себя взаимовлияние перерабатываемого материала и машины.

5. Подтверждена концепция вязкоупругой модели текстильного материала, в которой влияние вязкой компоненты на усилие деформирования проявляется только при увеличении деформации.

6. Установлено, что существует эффект смещения положения динамического равновесия колебательной системы, включающей в себя вязкоупругий элемент с нелинейной вязкостью, по отношению к положению статического равновесия в сторону минимума суммы потенциальной энергии деформации и работы диссипативных сил.

7. Определено, что зависимость отношения отклонения положения динамического равновесия от положения статического равновесия к амплитуде колебаний от вязкости и частоты колебаний близка к линейной.

8. Выявлено, что ткацкий станок представляет собой колебательную систему с частотой собственных колебаний, в 2.3 раза превышающей частоту вращения главного вала, что обуславливает увеличение натяжения упругой системы заправки в начале фазы закрытия зева. >

9. Предложено применение метода многомасштабного анализа на основе вейвлет-преобразований в качестве инструмента выявления и локализации высокочастотных компонент периодических процессов, не распространяющихся на весь цикл.

10. Рекомендовано применение частотного анализа на основе разложения периодической функции в ряд Фурье с последующим ранжированием и поэлементным восстановлением для исследования низкочастотной части спектра периодических процессов.

11. На основе комплексного анализа возможных методов измерений вязко-упругих свойств материалов в динамических режимах разработаны методы и средства экспериментального измерения вязкоупругих свойств текстильных материалов в режимах динамического сжатия (смятия) и растяжения.

12. Разработан пакет алгоритмов и предназначенная для компьютерного моделирования кинематики и для включения в компьютерные динамические модели машин и механизмов динамическая библиотека передаточных функций плоских шарнирно-рычажных механизмов.

13. Показано, что вязкоупругие связи рабочих органов на остов образуются при непосредственном участии перерабатываемого текстильного материала.

14. Разработан комплект алгоритмов и программ для подготовки исходных экспериментальных данных к частотному или частотно-временному анализу и для проведения частотного анализа.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Титов, Сергей Николаевич, 2004 год

1. BarcoVision Textile Product CD v. 2.1. — Barco 1.c., 2003.

2. ITMA-2003. 14th International Exhibition of Textile Machinery // Show Catalogue. — 22 to 29 October 2003, The NEC, Birmingham, United Kingdom.

3. Kusnetzov G., Boyko S. Casual Vibrations of Mechanical Systems of Textintile Machines. // Materials of the 9 World Congress on the Theory of Machines and Mechanisms — Politecnico di Milano, Italy. 1995. -P. 2857.2861.

4. Lu Jian. Signal Recovery and Noise Reduction with Wavelets

5. Ph. D. Dissertation, Thayer School of Engineering Dartmouth College Hanover, New Hampshire, June, 1993.

6. Picanol. Interactive CD Multimedia Journey. — Picanol NV, 2003.

7. Product of India CD. Machinery&Spares for Textile Industries from India // Show Catalogue for ITMA-2003. — Aakar Expocomm Pvt. Ltd., 2003.

8. Sweldens Wim. The Construction and Application of Wavelets in Numerical Analysis / Ph. D. Dissertation, May 18, 1995.

9. Александров С. А., Кленов В. Б. Формирование ткацких паковок.

10. М.: Легкая Индустрия, 1976.

11. Алексеев Н. И., Статика и установившееся движение гибкой нити.

12. М.: Легкая индустрия, 1970.

13. Алексеев Р. И., Коровин Ю. Н. Руководство по вычислению и обработке результатов количественного анализа. — М.: Атомиздат, 1972.11.