Повышение эффективности рейсмусовых деревообрабатывающих станков на основе улучшения динамического качества тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат технических наук Александров, Алексей Валентинович

  • Александров, Алексей Валентинович
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 1998, Санкт-Петербург
  • Специальность ВАК РФ05.21.05
  • Количество страниц 171
Александров, Алексей Валентинович. Повышение эффективности рейсмусовых деревообрабатывающих станков на основе улучшения динамического качества: дис. кандидат технических наук: 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки. Санкт-Петербург. 1998. 171 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Александров, Алексей Валентинович

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Классификация рейсмусовых станков

1.2.Краткий обзор исследований динамики металлорежущих станков

5 —

1.3.Обзор исследований динамики деревообрабатывающих станков и оборудования

1.4.Вывода и задачи исследования

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОС-ТИ ПРИВОДА РЕЙСМУСОВОГО СТАНКА

о

о

,1.Моделирование привода механизма резания

,2.Определение собственных частот колебаний двух-

массовой расчетной схемы

2.3.Анализ нагруженности механизма резания рейсмусового станка по двухмассовой расчетной схеме

2.4.Определение составляющих моментов внешнего

воздействия

2.5.Оценка динамического качества привода механизма резания

2.6.В ы в о д ы

. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПУСКО-ТОРМОЗНЫХ РЕЖИМОВ МЕХАНИЗМА РЕЗАНИЯ РЕЙСМУСОВОГО СТАНКА

3.1.Динамика привода механизма резания в режиме стопорения

3.2. Динамика привода механизма резания в режиме разгона

3.3.Учет динамической характеристики асинхронного

двигателя

.4.Моделирование привода механизма резания рейсму-

сового станка с тормозом

3.5.В ы в о д ы

в в *U£-J

4.МАШИННЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ПРИВОДА МЕХАНИЗМА РЕЗАНИЯ РЕЙСМУСОВОГО СТАНКА

4.1.Моделирование динамики привода механизма резания рейсмусового станка на АВМ

4.2. Экспериментальные исследования динамики привода механизма резания рейсмусового станка

л-

4.3.Оптимизация параметров привода механизма резания

4.4.В Ы в о д ы

129

5, ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ВАЛЬЦОВОЙ ПОДАЧИ В РЕЙСМУСОВОМ СТАНКЕ

5.1.Динамика привода вальцовой подачи в стационарном режиме

5.2.Динамика привода вальцовой подачи в пуско-тормозном режиме

5.3.Динамика привода вальцовой подачи в режиме сто-порения

5.4.В ы в о д ы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», 05.21.05 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности рейсмусовых деревообрабатывающих станков на основе улучшения динамического качества»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одним из важнейших направлений в развитии конструкций деревообрабатывающих станков является повышение производительности.Повышение производительности достигается в основном совершенствованием режущего инструмента. При этом увеличивается объем снимаемой с обрабатываемой древесины стружки за единицу времени при увеличении быстроходности систем станков и форсировании пуско-тормозных режимов.

Одновременно,при проектировании новых станков повышаются требования к точности размеров и формы деталей,то есть необходимо обеспечение отсутствия отклонений от заданных устойчивых положений инструмента и заготовки.Такие отклонения или колебания возникают как результат внешних воздействий на деформируемые элементы систем станка.

Проблема повышения точности и производительности станков всегда была основной для конструкторов и исследователей.Постоянный рост требований,предъявляемых промышленностью к этим показателям, приводит к тому,что современные деревообрабатывающие станки становятся все более с ложными,насыщенными различными вспомогательными устройствами и системами автоматизации.

Производительность станка во многом также определяется надежностью .Одним из наиболее нагруженных узлов деревообрабатывающего станка является его привод;поломки деталей привода,вызванные во многих случаях динамическими перегрузками при резании и переходных процессах,приводят к значительным простоям станков в эксплуатации,Повысить надежность станка можно обеспечением

рациональных динамических характеристик,что достижимо обычными конструктивными средствами.

Таким образом»создание деревообрабатывающих станков,удовлетворяющих современным требованиям промышленности к их точности.производительности и надежности при минимальной массе и затратах энергии является актуальной задачей.

Для удовлетворения зтих противоречивых требований необходим тщательный анализ движений в станках с учетом всех основных силовых факторов»то есть исследовать все,что входит в задачу динамики машин.Конечной целью решения такой задачи является разработка и внедрение научных методов расчета и выбора параметров систем станков,позволяющих еще на стадии проектирования в сжатые сроки определить совокупности параметров,обеспечивающие минимум силовых нагрузок,динамических ошибок и металлоемкости.

Цель работы. -Улучшение динамического качества рейсмусовых станков на основе математического и аналогового моделирования режимов их работы.

Для достижения поставленной цели в процессе исследований разработаны и предложены следующие научные положения,которые выносятся на защиту:

1.Совокупность математических моделей основных систем рейсмусового станка и структурные блок-схемы машинных исследований их на АВМ.

2.Выявленные источники возмущений крутильных колебаний в приводах механизма резания и вальцовой подачи и рациональные способы их аппроксимащш.

3.Законы распределения сучков в обрабатываемой древесине и их связь с динамикой резания.

4.Закономерности и уровни динамических нагрузок и ошибок в приводах механизмов резания и подачи рейсмусового станка.

Ъ.Оптимизация параметров привода механизма резания рейсмусового станка.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1, Классификация рейсмусовых станков

Рейсмусовые станки предназначены для плоскостного фрезерования одной или двух противоположных сторон заготовки с целью обработки ее в размер.В зависимости от числа одновременно обрабатываемых сторон заготовки различают одно или двусторонние рейсмусовые станки (см.рис.1.1).

На односторонних рейсмусовых станках обрабатывают заготовки в размер по толщине путем снятия слоя древесины с одной,противоположной базовой,стороны детали.На двусторонних рейсмусовых станках деталь обрабатывается в размер по толщине путем снятия слоя древесины последовательно с обеих сторон.В зависимости от расположения ножевых валов и способа базирования различают три основных схемы станков: ф.уговально-рейсмусовую,рейсмусово-фуго-вальную и двухрейсмусовую.

1.2.Краткий обзор исследований динамики металлорежущих станков

К основополагающим исследованиям в области динамики металлорежущих станков относятся работы : Кудинова В.А. ci з, Андрейчикова Б.И. г2 з , Вейца В.Л. [3,4,5 з, Кочуры А.Е. с5 з, Царева Г.В. е5 з, Орликовз М.Л. [8 з, Кедрова С.С. с 7 з, Мураш-кина Л.С. и Мурашкина С.Л. с8 з,Ривина Е.И. 12 з.Михайлова О.П. сю,11 з и других.

Рейсмусовый станок

односторонний

фуговально

рейсмусовый

двусторонний

рейсмусово

фуговальный

двухрейсмусовый

Рис,1=1.Классификация рейсмусовых станков

В работе Кудинова В.А.П з предложено использовать аналогии между рабочими процессами в станках и в системах автоматического регулирования, то есть упругая система, процесс резания и процесс трения рассматриваются как элементы замкнутой системы автоматического регулирования. Регулируемым параметром является,например,сила резания,а управляющим воздействием - изменение толщины срезаемого слоя металла.Такая аналогия позволяет развить дальнейшие исследования и динамические расчеты станков,так как в этом случае стало возможным использовать математический аппарат теории регулирования, ее терминологию и методику экспериментальных исследований.

Колебаниям металлорежущих станков посвящена книга Кедрова С.С. £7 з ,в которой исследованы причины возникновения колебаний в отдельных узлах металлорежущих станковрассмотрено влияние упругой системы станка на устойчивость и колебания при резании.

В работе г 9 з рассмотрены метода упрощения сложных многомассовых систем путем расчленения на парциальные системы (двух-массовые с одной упругой связью и одщомассовые с двумя упругими связями) и заменой парциальных систем одного вида на парциальные системы другого вида;приведены способы приближенного определения низших частот.

При исследовании привода фрезерных станков автором выделены три основных вида нежелательных динамических явлении:

- переходные процессы при врезании фрезы,приводящие к перегрузкам из-за импульсного приложения нагрузки;

- переходные процессы при снятии нагрузки,то есть при выходе

зуба фрезы из заготовки»которые могут приводить к раскрытию зазоров,повышенному шуму,нелинейным колебаниям шпинделя; - резонансные процессы в приводе из-за воздействия периодической нагрузки Meto.

Михайловым О,П. исследована динамика электромеханического привода и автоматизированный электропривод станков с 10,11 з. Описаны наиболее распространенные электромеханические приводы станков и роботов.Особое внимание уделено следящим аналоговым и цифровым приводам.

Колебаниям валов посвящены справочные пособия Маслова Г. С. с 12,13 з.в книгах изложены методы расчетов крутильных и изгиб-ных колебаний валов,рассмотрены методы определения собственных частот,приведены зависимости для определения частот,амплитуд и динамических сил, а также метода предотвращения изгибных колебаний и критических оборотов валов.

Основы динамики машин изложены в справочнике с 14 з.Авторами сделан главный акцент на изложении общих принципиальных вопросов, имеющих место при создании машин;определение силовых нагрузок и динамических ошибок с использованием расчетных моделей различной сложности.

В работе [4 з рассмотрены метода составления динамических схем приводов с зубчатыми механизмами различных типов,метода расчетов свободных и вынужденных колебаний в линейных и нелинейных системах.

Расчету механических систем приводов с зазорами посвящена работа с 5 з. В книге дана оценка влияния зазоров в кинематических парах на функциональные и динамические характеристики

механизмов и силовых приводов ; приведены метода динамической схематизации зубчатых механизмов,а также рассмотрена устойчивость регулируемых приводов с зазорами.

В работе с 8 з изложены вопросы динамики металлорежущих станков в рабочих режимах резания и в переходных процессах в приводе:рассмотрены законы движений звеньев механизмов станков, способы улучшения характеристик упругих систем и динамика механизмов вспомогательных движений.

Математическому моделированию на аналоговых машинах динамики металлорежущих станков посвящена работа А.И.Левина с 15 з. В работе рассмотрены метода построения исследовательских моделей ¡метода статистического исследования и оптимизации динамических систем при математическом моделировании;разработаны математические модели асинхронного электродвигателя с коротко-замкнутым ротором двигателя постоянного тока,а также гидродвигателя вращательного движения.При расчете систем главного привода основное внимание уделено крутильным колебаниям в стационарных периодических режимах.Автором отмечено,что в системе главного привода фрезерного станка основным источником возмущения, вызывающим крутильные колебания,является переменный момент сил резания.Переменность момента обусловлена радиальным биением фрезы и изменением суммарного сечения срезаемого слоя как вследствие кинематических особенностей процесса формирования стружки,так и вследствие входа и выхода зубьев фрезы.Переменная составляющая момента обусловленная биением фрезы,имеет характер, близкий к моногармоническому,а "зубцовая" составляющая имеет сложную периодическую форму и может быть аппроксимирована

отрезком ряда Фурье,

Динамике и моделированию гидроприводов станков посвящена работа А.Х.Хандроса и Е.Г.Молчановского [16 з.в книге рассмотрены вопросы анализа динамики гидропривода станков на аналоговых вычислительных машинах;изложен метод составления дифференциальных уравнений с помощью гидромеханических цепей,

Таким образом,анализ работ,посвященных исследованию динамики металлорежущих станков,позволяет сделать следующие выводы:

1.Исследования динамики систем металлорежущих станков в большинстве случаев проводят на многомассовых моделях,у которых массы или моменты инерции элементов системы условно считаются сосредоточенными (дискретными) и соединены между собой безынерционными упругими и диссипативными связми,и к которым приложены приведенные силы или моменты сил,Причем требованиям точности инженерного расчета удовлетворяют двух- или трехмассовые расчетные схемы.Более сложные динамические модели с распределенными параметрами применяются редею.

2.Исследование переходных процессов в многомассовых нелинейных системах аналитическими методами в общем виде,как правило,невозможно.Для решения подобных задач эффективно применять методы математического моделирования на АВМ.

3.При расчетах систем главного привода металлорежущих станков основное внимание уделяется крутильным колебаниям в стационарных периодических режимах,обусловленных периодическим характером изменения момента силы резания.

1.3.Обзор исследований динамики деревообрабатывающих станков и оборудования

Исследованию вопросов динамики деревообрабатывающих станков посвящены работы : Мовнина М.С. с 17 з, Ботвина М.М. с 18 з . Грубе А.Э. t19,20,21,22 з,Санева Б.И. £19,20,21,22,23,24 з, Маковского Н.ВД25 з ,Амалицкого В.В.[23,25 з,Комарова Г.А. [25 з, Кузнецова В.М. с25 з, Ширяевой Т.П. [26 з, Малышева Ю.В. [27 з, Ефимова Ю.П. [28 з , Межова В.Г. с 29 з , Тракало Ю.И. [30 з, и других.

Динамика деревообрабатывающего оборудования изучена в трудах IФилькевича В.Я. с31,32 з,Санникова A.A. [33 з,Дерягина Р.В. [34 з,Гафановича B.C. [35 з, Якунина Н.К. с35 з, Солоповой К.Е. [38,37 з и других.

Работа М.С.Мовнина [17 з посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям подачи в деревообрабатывающих станках. В результате исследований было установлено,что основными параметрами »определяющими тип и конструкцию вальцов подающих механизмов , являются величина коэффициента сцепления вальца с древесиной и деформация после дней. Причем коэффициент сцепления вальца с древесиной зависит от диаметра вальца. Автором выявлены зоны оптимальных диаметров вальцов при которых коэффициент сцепления имеет максимальное значение.

Усилие подачи при экспериментах в пределах одной серии опытов оставалось постоянным,в то время как в реальных случаях имеет место изменение усилий на валец с 35 з.

Вопросы сцепления рабочих органов»снабженных шипами,были изучены в работе М.М.Ботвинз £ 18 з.

В статье с 24 з исследовано скольжение заготовок в вальцовых органах подачи деревообрабатывающих станков.Установлено,что скольжение в условиях подачи не стабильно и зависит от режима подачи,геометрии подающих органов и свойств подаваемой древесины. Вследствие переменной величины скольжения движение заготовок в строгальных станках является неустановившимся.Движение заготовок в рейсмусовом станке рассмотрено в работе Грубе А.Э. и Санева В.И. £21 з.Выявлено,что основной силой,создающей условия неравномерности перемещения древесины, является сила действия резца на заготовку.Эта сила является периодической,возбуждающей продольные и поперечные колебания заготовки в момент обработки. Динамическое исследование поступательного движения заготовки проведено на двухмассовой расчетной схеме»в которой одной массой является масса элементов механизма подачи,приведенная к наружной поверхности вальца,а другой масса заготовки.

Экспериментальное исследование величины скольжения заготовок в вальцовых органах подачи станка СР6-5Г выполнено в работе £22 з„Результаты экспериментов подтвердили теоретические выводы, приведенные в статье £21 з.

В книге £19 з рассмотрены вопросы расчета и проектирования привода деревообрабатывющих станков;приведены математические модели для исследования динамики привода станков.Расчетные схемы моделей приняты двухмассовыми.

Работа £20 з посвящена изложению теоретических основ расчета и проектирования станков,автоматов и автоматических линий

с .учетом условий деревообрабатывающей промышленности.

В книгах с23,25 з даются общие сведения о деревообрабатывающих машинах и оборудовании. Рассмотрены функциональные узлы рабочих органов,приводятся простейшие динамические модели станков , даны методики расчета процессов обработки древесины и древесных материалов резанием.

Моделированию системы "станок - инструмент - деталь - приспособление" посвящены статьи с38 з и с39 з.Авторами установлена взаимосвязь инструмента,параметров обработки с вибрацией системы.Комаровым Г.А. и Чуковым Г.С. с 40 з разработана математическая модель шпинделя продольно-фрезерного четырехстороннего станка,позволяющая оптимизировать параметры,обеспечивающие минимальные динамические нагрузки.

В работе Ефимова Ю.П. с 28 з исследована виброустойчивость шпиндельного узла универсального фрезерного станка по дереву. Автором для изучения виброустойчивости применен метод Рэ-лея - Ритца и метод начальных параметров.

Изучению динамики дереворежущих станков посвящены также работы Стуковой Т.П. с41 з и Гудцева Р.И. с42 з.

Апостолюком O.A. в статье с43 з разработана приближенная двухмассовая математическая модель для исследования вибрации при Фрезеровании древесины,где в качестве первой принята масса инструмента, второй "детали - приспособления". Касательная сила резания»рассматриваемая как прерывная периодическая,представлена в виде ряда Фурье. Основной результат - на вибрацию системы СИДП доминирующее влияние оказывает дисбаланс те инструмента (я^- масса инструмента; е - эксцентриситет).

Исследованию динамики вальцовой подачи деревообрабатывающих станков продольно - фрезерной группы посвящена кандидатская диссертация Ширяевой Т.П. г 28 з,Теоретические исследования проведены на математической модели,расчетная схема которой представляет собой двухмассовую систему. За вал приведения системы принят вал верхнего гладкого вальца. За основные массы приняты ротор электродвигателя и подающие вальцы, с которыми объединены промежуточные массы системы.Исследованы пуско-тормозные режимы работы вальцовой подачи станков,а также влияние давления вальцов на динамику вальцовой подачи при действии на систему ударного импульса.

Обоснование параметров вальцовых механизмов подачи фре-зерно - обрезных станков выполнено в диссертационной работе Межова В.Г. с29 з.В качестве исходной была принята пятимассовая цепная разветвленная модель, приведенная к ротору электродвигателя, который заменен заделкой. Исследования же проведены на упрощенной трехмассовой расчетной схеме, где соответственно принято : приведенный момент инерции шкива

электродвигателя; I,- приведенный момент инерции ветви первого вальца; 1э- приведенный момент инерции ветви второго

вальца. Автором установлено,что частота возмущающей силы от вращения приводных вальцов и вращения ротора двигателя находится на значительном удалении от первой собственной частоты колебаний механизма подачи , поэтому нет опасений возникновения резонанса.

В диссертационной работе Тракало Ю.И. с 30 з рассмотрено улучшение эксплуатационных свойств механизма резания

фрезерно - обрезных деревообрабатывающих станков тордово - конического фрезерования.Исследования проведены на трехмассовой цепной динамической модели.Массы приведены к ротору электродвигателя» который заменен заделкой.

Основные вывода:

1. Моменты движущих сил , несмотря на пульсирующий характер изменения моментов сил сопротивления , во время фрезерования изменяются незначительно.Это вызвано демпфирующими свойствами ременной передачи. При резании наблюдается пульсация мощности с частотой возмущающей силы и амплитудой 1-3 кВт.

2.Динамические нагрузки » возникающие при выполнении рабочего процесса достигают наибольших величин в передаточном механизме (ременной передаче).

Автором получено аналитическое выражение для определения момента сил сопротивления исходя из одномассовой расчетной схемы с моментом инерции I , вращающейся на валу с крутильной жесткостью с , угловой скоростью « и ударяющейся о неподвижную абсолютно жесткую поверхность. При этом отмечено»что момент сил сопротивления вызывается в основном касательной силой резания» определяемой по формуле

8.3 -/1 - С п У^1+Ю2-1 С1 +соз ~>

р = _2_л

к

Г , +Ь,с1-а О!

пи. п ф

где <рк - угол контакта ножа с древесиной;

Н11 п

минимальный диаметр торцовоконической фрезы;

ьф - ширина фрезерования;

а - угол между пилой и ножом фрезы;

z - количество ножей фрезы;

п - частота вращения фрезы на холостом ходу.

В работах В.Я.Филькевича [31,32 з исследована динамика лесопильных рам.При рассмотрении динамики вальцовой подачи лесопильных рам система масс механизма подачи вместе с бревном и зажимной тележкой заменена моделью состоящей из двух приведенных поступательно движущихся масс.Сила резания представлена в виде суммы двух сил : постоянной силы Рср , равной средней

силе резания,и переменной избыточной силы p(t),зависящей от времени.

Монография А.А.Санникова сЗЗз посвящена изучению колебаний лесопильного оборудования,фундаментов,конструкций зданий лесопильных цехов.

В работе с34 з рассматриваются вопросы,связанные с исследованием и выбором параметров лесопильных рам по динамическим условиям.

К.Е.Оолоповой в работах [38,37 з исследованы вопросы,касающиеся определения закона движения бревна,динамического расчета механизма подачи с учетом упругости его элементов,а также разработки механизма подачи, осуществляющего непрерывно - переменную подачу по выбранному закону.

1.4.выводы и задачи исследования

В результате анализа работ,посвященных исследованию динамики деревообрабатывающих станков и оборудования установлено:

1.Динамика привода механизма резания рейсмусовых станков не исследовалась.

2.В исследованиях,посвященных динамике систем фрезерных станков,не учитывалось воздействие перерезаемых сучков.

3.В опубликованных работах не дается оценка влияния динамической характеристики асинхронного двигателя на пиковые динамические нагрузки в приводе механизма резания.

4.Авторами работ с29 з, с30 з отмечается, что предыдущими исследователями не учитывалось влияние приводного двигателя на динамические характеристики механизма резания,но в то же время в своих исследованиях ограничиваются учетом в динамических моделях систем лишь момента инерции шкива электродвигателя и приведенной жесткости вала электродвигателя,то есть реально математическая модель электродвигателя не присутствует (см.работу с 15 з).

5.Динамика вальцовой подачи деревообрабатывающих станков продольно - фрезерной группы исследована в работе с 26 з. Реальная система по данным самого автора состоит из пятнадцати дискретных масс,исследование же проведено на упрощенной двухмассо-вой модели.При этом необоснованно не выделена в отдельную массу масса вариатора,которая соизмерима с массами подающих вальцов и ротора электродвигателя,что приводит к занижению расчетных динамических нагрузок.Кроме того,в математическую модель системы

вводится изменение динамического момента м в .упрощенном при-

ближенном виде р .г . ъ

р гв м = -

л

где р _ макснмальное значение составляющей силы резания в

направлении подачи;

гв - радиус вальца;

1 - текущее время; т - время срезания стружки.

На основании вышеизложенного и учитывая тенденции развития деревообрабатывающих станков в диссертации поставлены следующие задачи:

1.Разработать математическую модель привода механизма резания рейсмусового станка.

2.Исследовать нагруженность привода механизма резания рейсмусового станка.

3. Разработать математическую модель вальцовой подачи и исследовать ее нагруженность.

4.Установить закон распределения сучков по условным диаметрам в пиломатериалах в направлении подачи,подлежащих окончательной обработке»и выявить их влияние на нагрузки и динамические ошибки в приводе механизма резания и вальцовой подаче.

5.Разработать рекомендации на проектирование рейсмусовых станков заводам - изготовителям.

2 . ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОГРУЖЕННОСТИ ПРИВОДА РЕЙСМУСОВОГО СТАНКА

2.1.Моделирование привода механизма резания

Механизм резания рейсмусового станка включает: электродвигатель, шкивы, клшюременную передачу и ножевой вал (фрезу). Механизм резания рейсмусовых станков является основным потребителем энергии,необходимой для выполнения технологической операции - окончательной обработки поверхности изделий из дерева.В процессе обработки древесины механизм резания передает и воспринимает наибольшие нагрузки по сравнению с другими системами станка,то есть нагруженность механизма резания рейсмусового станка в значительной мере определяет его надежность. -Умение определять динамические нагрузки на стадии проектирования станка позволит оптимизировать параметры систем с целью минимизации или ограничения нагрузок в его упругих связях,а также осуществлять прогнозирование надежности.

При расчете систем механизма резания станков основное внимание уделяется крутильным колебаниям в стационарных периодических режимах с 15 з.

Основным источником возмущения,вызывающим крутильные колебания, в приводе ножевого вала рейсмусового станка является переменный момент сил резания от биения вала,чередования резцов (ножей) фрезы (вала), так называемая "зубцовая составляющая" и перерезания сучков.

Кроме этих переменных,имеется и постоянная составляющая

момента»то есть

»

7*1

М. = М з!п + М + Г М, з!пСк ш, Ъ + в > +

<Ь 11I <Ь 1-1 1- <Ь <Ь V

к=1

С 2.

П ' и гп

+ М з!п - 1 + Г М з!пС1 со. 1 + в 3 ,

г, „ X Ф Ф I *

Ь> ь-1

где

м - постоянная составляющая момента;

м1оз!п со,ф 1. - переменная составляющая момента »обусловленная биением ножевого вала;

п

£ м,з1пСо>, 1+е з - составляющая момента » обусловленная

К к к

к= 1

чередованием резцов - гф за оборот вала ("зубцовая составляющая" к 2ф - фаза к-ой гармоники;

П-и

— ь - дополнительный момент »вызываемый сопротивлением перерезаемого сучка.

Здесь и - подача,м/с; в - длина волны периодического воздействия ;

то

Е м.з±пСъ ссф 2ф 1 + - составляющая момента» обус-

г =1

ловленная чередованием резцов при перерезании сучков, е. - фаза 1-ой гармоники.

В общем случае расчетная схема механизма резания рейсмусового станка может быть представлена в виде четырехмас-совой (см.рис.2.1).

/

------- ---

?; > //' '/•7-7'У-Г

у/У;;;;/;/;;

8)

Л

7, С23 7; С У 2

Аз

Рис.2.1. Исходная (а) и эквивалентная (б) расчетные схемы привода станка :

1 - ножевой вал;2 - шкив;3 - клиноременная передача;4 - шкив; 5 - электродвигатель.

Принятые обозначения: I - момент инерции массы ротора электродвигателя; I, - приведенный к валу двигателя момент инерции массы шкива,установленного на валу электродвигателя;

13 - приведенный к валу двигателя момент инерции массы шкива,установленного на ножевом (фрезерном) валу;

14 - приведенный к валу двигателя момент инерции ножевого

вала;

* и ~ обобщенные координаты соответствующих

масс;

с12 - приведенная крутильная жесткость вала электродвигателя ;

с2о ~ приведенная крутильная жесткость клиноременной передачи;

сз1 - приведенная крутильная жесткость ножевого вала;

и /5 - приведенные коэффициенты линейного сопротивления на соответствующих участках;

м м, - крутящий момент двигателя и приведенный к его валу

¿■¡А

момент сопротивления на рабочем органе,

Дифференциальные уравнения перемещения масс системы "двигатель - передача - ножевой вал" составим в форме уравнений Лагранжа второго рода :

а т а п а ф

сЗ г <? т

+ - +

сИ- ! д >р

где т

д р. & гр. д

О <"1=1 Р "Ч

г

т - кинетическая энергия системы; п - потенциальная энергия системы;

Ф - функция рассеяния (диссипативная функция Рэлея): р.- обобщенная координата;

о. - обс-ощенная сила.

г

Кинетическая энергия системы

• 2 " 2 "2 - 2

!р р р р 1 2 3 4

Похожие диссертационные работы по специальности «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», 05.21.05 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки», Александров, Алексей Валентинович

5.4.Вывода

1.Сопоставление значения динамического момента в стационарном периодическом режиме от воздействия резцов,полученного по двухмассовой расчетной схеме к.т.н. Ширяевой Т.П. с нашими расчетами по трехмассовой схеме показывает,что величина динамического момента,по лученного по трехмассовой схеме превышает момент, полученный по двухмассовой расчетной схеме на 0.044 Н-м (соответственно 0.114 Н-м и 0.07 Н-м).Экспериментальное значение динамического момента по данным Ширяевой Т.П. в этом случае составляет 0.10 н-м.

2.Максимальные значения динамического момента в приводе вальцовой подачи имеют место в режимах разгона под нагрузкой и стопорения.В стационарном периодическом режиме величина динамического момента в приводе вальцовой подачи от воздействия резцов фрезерного вала и от перерезания сучков несущественна.В то же время при обработке древесины с сучками возможны резонансные процессы,приводящие к значительному возрастанию динамического момента и в этом режиме работы рейсмусового станка,

3.В режиме разгона под нагрузкой наиболее нагруженным является вал электродвигателя (упругая связь ci2).Коэффициент динамичности при максимальной подаче достигает - 3.13. Зубчатая и цепная передачи (упругая связь сод) менее нагружены,коэффициент динамичности составляет 2.2.

4.Режим торможения сопровождается менее значительными динамическими нагрузками в упругих связях вальцовой подачи по сравнению с другими режимами.Причем с увеличением времени торможения динамический момент быстро уменьшается.

5.В режимах стопорения величина динамического момента в упругих связях вальцовой подачи достигает высоких значений.Причем максимальное значение момента в упругой, связи происходит тогда,когда в процессе стопорения момент на валу электродвигателя возрастает мгновенно и действует как м max = const. Момент в упругой связи с^ несколько ниже.

8.Разработанные математические модели позволяют с допустимой для инженерных расчетов погрешностью (8-10 процентов) определять динамические нагрузки в приводе вальцовой подачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанные в диссертации теоретические основы динамики рейсмусовых станков,построенные на использовании математического моделирования,статистических методов и аналоговой техники, позволяют создавать станки с требуемым динамическим качеством при значительном сокращении сроков проектирования и постановки на серийное производство.

В процессе исследований получены следующие основные результаты :

1.Основным источником возмущения,вызывающим крутильные колебания, в приводе ножевого вала рейсмусового станка является переменный момент сил резания от биения вала,чередования резцов (ножей),так называемая "зубцовая" составляющая,и перерезания сучков.Кроме этих переменных,имеется и постоянная составляющая момента.

2.Установлено,что сопротивление,обусловленное "зубцовой" составляющей может рассматриваться как периодическая функция, аппроксимируемая рядом Фурье.Причем,в связи с наличием в разлагаемой функции и ее производных разрывов и изломов ряд Фурье сходится очень медленно,имеет место явление Гиббса.

3. Статистическими исследованиями пиломатериалов сосны выявлено :

- распределение условных диаметров сучков подчинено логарифмическому нормальному закону с характеристиками: математическое ожидание - х = 23.22 мм ; среднеквадратическое отклонение - с = 14.4 мм ;

- распределение расстояний между сучками подчинено нормальному закону с характеристиками: математическое ожидание - х = 37.12 см ; среднеквадратическое отклонение - о - 14.7 см .

4.Внешнее воздействие на привод механизма резания»вызванное окружной силой от перерезания сучка,может быть представлено двумя способами :

- простой гармонической функцией ;

- периодической функцией,аппроксимируемой рядом Фурье. Дополнительный момент,определенный по второму способу,несколько выше по сравнению с первым способом.

5.В общем случае расчетная схема привода механизма резания рейсмусового станка может быть представлена в виде четырехмас-совой.В то же время в ряде случаев вследствие того,что высокие частоты рассматриваемой системы значительно превышают рабочие даапазоны частот,а моменты инерции шкивов обладают весьма малой инертностью»расчетная схема может быть упрощена до двухмассо-вой.

6.Динамическая нагруженность привода механизма резания рейсмусового станка в стационарном периодическом режиме определяется в основном дополнительными динамическими моментами »вызываемыми сопротивлением перерезаемых сучков.Переменные дополнительные моменты от биения ножевого вала и "зубцовой" составляющей несущественны.

7.При исследований динамики привода механизма резания деревообрабатывающих станков в тех случаях,когда "зубцовая" составляющая имеет существенное значение для повышения точности расчетов,приведение масс и жесткостей системы целесообразно осуществлять к быстроходному ножевому валу,а не к тихоходному валу электродвигателя,как традиционно принято в металлорежущих станках и при изучении динамики механизмов и машин,

8.На основании анализа амплитудно-фазовой частотной характеристики рейсмусового станка СР6-9 установлено,что для улучшения его динамического качества целесообразно введение в привод механизма резания дополнительного демпфирования.

9.Исследованиями установлено,что при динамических расчетах привода механизма резания деревообрабатывающих рейсмусовых станков необходимо уделять внимание не только крутильным колебаниям в стационарных периодических режимах,но и в пуско-тормозных. Причем, наиболее неблагоприятными в динамическом отношении являются режимы стопорения и разгона,когда пиковые нагрузки могут достигать - гм и более.

10.Получены аналитические зависимости,позволяющие уточнить ранее опубликованные формулы для расчета максимальных динамических нагрузок в приводе в режиме разгона.При этом доказано, что при определенных соотношениях переменных величин возможны нагрузки в приводе механизма резания,значительно превышающие расчитанные по опубликованным формулам.

11. Для эффективного снижения динамических нагрузок в приводе механизма резания рейсмусового станка торможение необходимо осуществлять тормозом,установленным за ножевым валом с противоположной стороны клиноременной передачи.

12.Теоретическими исследованиями и исследованиями на АВМ доказано,что уровень динамических нагрузок в упругих связях доказано,что уровень динамических нагрузок в упругих связях привода механизма резания рейсмусового станка зависит от величины вращающихся масс и жесткостей упругих связей. Снижение динамических нагрузок может быть достигнуто как одновременным варьированием ряда параметров,так и в отдельных случаях одно-го-двух.Причем,механическая система привода механизма резания наиболее чувствительна к изменению момента инерции ножевого вала и менее чувствительна к крутильной жесткости привода.

13.Электронная модель механической системы "электродвигатель - привод - механизм резания" с достаточной для инженерных расчетов точностью позволяет установить взаимосвязь динамических характеристик двигателя и системы привода механизма резания и исследовать рабочие процессы систем рейсмусового станка.

14.Экспериментальные исследования подтвердили корректность принятых допущений при разработке расчетных схем и математических описаний моделей системы привода механизма резания рейсмусового станка.Расхождение расчетных динамических характеристик с экспериментальными не превышает 4.5 процентов.

15.Доказано,что исследование динамики вальцовое подачи в стационарном периодическом режиме необходимо проводить используя трехмассовую расчетную схему,так как двухмассовая дает значительную погрешность (в сторону занижения) в определении расчетных динамических нагрузок.

16.Максимальные значения динамического момента в приводе вальцовой подачи имеют место в режимах разгона и стопорения под нагрузкой. В стационарном периодическом режиме величина динамического момента от воздействия резцов ножевого вала и от древесины с сучками возможны резонансные процессы в приводе, приводящие к значительному возрастанию динамического момента и в этом режиме работы рейсмусового станка.

17.В режиме разгона под нагрузкой наиболее нагруженным является вал электродвигателя,а в режиме стопорения наоборот наиболее нагруженной является упругая связь сгз. Причем, максимальные значения момента происходят тогда,когда в процессе стопорения момент на валу электродвигателя возрастает мгновенно и действует как мд = const.

Режим торможения сопровождается менее значительными динамическими нагрузками в упругих связях вальцовой подачи по сравнению с перечисленными выше.

18.Внедрение рекомендаций и разработанных методов расчета основных параметров рейсмусовых станков позволит улучшить динамическое качество станков,повысить их долговечность,производительность и качество обработки деталей,а также сократить вынужденные простои оборудования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Александров, Алексей Валентинович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1.Кудинов В, А. Динамика станков.-М.:Машиностроение, 1967. -359 с.

2. Андрейчиков Б.И. Динамическая точность систем программного управления станками.-М.:Машиностроение,1964.-388 с.

3.Вейц В.Л. Динамика машинных агрегатов. -Л.: Машиностроение, 1989. -370 с.

4.Вейц В.Л. ,Кочура А.Е. ,Мартыненко A.M. Динамические расчеты приводов машин.-Л.:Машиностроение,1971.-352 с.

5.Вежц В.Л., Кочура А.Е., Царев Г.В. Расчет механических систем приводов с зазорами . -М.:Машиностроение,1979.-182 с.

б.Орликов М.А. Динамика станков.-Киев.Вища школа,1980.-256 с.

7.Кедров С.О. Колебания металлорежущих станков.-М.:Машиностроение ,1978.-234 с.

в.Мурашкин Л.О. Дурашкин С.Л. Прикладная нелинейная механика станков.-Л.:Машиностроение,1977.-215 с.

9.Ривин Е. И. Динамика привода станков.-М.:Машиностроение, 1977.-204 с.

Ю.Михайлов О.П. Динамика электромеханического привода металлорежущих станков.-М.:Машиностроение,1989.-224 с.

11.Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов.-М.:Машиностроение,1990.-304 с.

12.Маслов Г.0. Расчеты колебаний валов:Справочник.2-е изд. -М.:Машиностроение,1990.-151 с.

13.Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов.-М.¡Машиностроение,

1968.-270 с.

14.Асташев А.К.»Бабицкий В.И.»Вульфсон И.И. и др.Под ред. Крейнина Г.В. Динамика машин и управление машинами. -М.:Машиностроение, 1988. -240 с.

15.Левин А.И. Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков.-М.'.Машиностроение, 1978.-184 с.

16.Хандрос А.Х.»Молчановский Е.Г. Динамика и моделирование гидроприводов станков.-М.:Машиностроение,1969.-155 с.

17.Мовнин М.С. Вальцовые и гусеничные подачи в деревообрабатывающих станках.Дисс.на соискание уч.степ.д.т.н.Л.:ЛТА,1954. -289 с.

18.Ботвин М.М. Исследование сцепления древесины с подающими органами, снабженными шипами. Дисс. на соискание уч. степ, к.т.н. Л.:ЛТА, 1956.-212 с.

19.Грубе А.Э.,0анев В.й. Основы расчета элементов привода деревообрабатывающих станков. -М.: Лесная промышленность,1969. -344 с.

20.Грубе А.Э.,Санев В.И. Основы теории и расчета деревообрабатывающих станков, машин и автоматических линий. -М.: Лесная промышленность,1973.-384 с.

21.Грубе А.Э,,0анев В.И. Динамическое исследование движения заготовок в рейсмусовом станке.-Архангельск: Лесной журнал, 1963.-М 4.-с.145-158.

22.Грубе А.Э.,Оанев В.И. Экспериментальное исследование величины "мгновенного" скольжения заготовок в вальцовых органах подачи станка "0Р9-5Г". -Архангельск: Лесной журнал, 1963.-М 5. -с.149-155.

23.Амалицкий В.В.,Санев В. И. Оборудование и инструмент деревообрабатывающих предприятий.-М.:Экология,1992.-480 с.

24.0анев В.И.Результаты теоретического исследования скольжения заготовок в вальцовых органах подачи деревообрабатывающих станков.-Архангельск: Лесной журнал, 1960.-NT 5.-с.97-111.

25.Маковский Н.В. ,Амалицкий В.В. »Комаров Г.А. »Кузнецов В.М Теория и конструкции деревообрабатывающих машин.-М.:Лесная промышленность »1990.-808 с.

28.Ширяева Т.П. Исследование динамики вальцовой подачи деревообрабатывающих станков продольно-фрезерной группы. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.-Л.:ЛТА,1970.-193 с.

27.Малышев Ю,В. Проектирование деревообрабатывающих машин. Лекции.-Л.:ЛТА,1984.-74 с.

28.Ефимов Ю.П. Исследование виброустойчивости шпиндельного узла универсального фрезерного станка по дереву типа ФА-4.Дисс. на соискание уч.степ.к.т.н.-Л.:ЛТА,1988,-223 с.

29.Межов В.Г. Обоснование параметров вальцовых механизмов подачи фрезерно-обрезных станков. Дисс. на соискание уч. степ, к.т.н. -С-Петербург: ЛТА,1993.-159 с.

30.Тракало Ю.И. Улучшение эксплуатационных свойств механизма резания фрезерно-обрезных деревообрабатывающих станков. -С-Петербург:ЛТА,1993.-136 с.

31.Филькевич В.Я. Некоторые вопросы теории непрерывных подач в лесопильных рамах.-Л.:ЛТА,1961.-135 с.

32.Филькевич В.Я. Динамика лесопильных рам,-М.:Лесная промышленность, 1968. -244 с.

33.Санников A.A. Пути снижения колебаний лесопильного обо-

рудования.-М.: Лесная промышленность,1980. -150 с.

34.Дерягин Р.В. Вибрация лесопильных рам.-Л.:ЛГУ, 1986. -144 с.

35.Гафанович B.C.,Якунин Н.К. Автоматическое регулирование скорости подачи на многопильных круглопильных станках. -М.-Л.: Гослесбумиздат,1963.-124 с.

36.Солопова К.Е. Исследование непрерывно-переменной подачи в лесопильных рамах. Автореферат дисс. на соискание уч. степ, к.т.н.-Л.:ЛТА,1968. 18с.

37.Солопова К.Е. Определение собственной частоты многомассовой системы с дифференциальным редуктором.МНТК.-Л. :ЛТА, 1967. с. 82-88.

38.Амалицкий В.В.,Нуллер И.Я. Об устойчивости динамической системы при резании древесины.-Архангельск:Лесной журнал, 1976. -М 5. -с.20-21.

39.Апостолюк O.A. К вопросу моделирования вибраций системы '•'станок - инструмент - деталь - приспособление" при фрезеровании древесины.-Архангельск: Лесной журнал, 1978.-М 6. -с.19-21.

40.Комаров Г,А.,Чуков г.С. К вопросу разработки теоретической модели колебаний шпинделя.-Мытищи:Научн.тр.МЛТИ,вып.132. 1980.-с.29-31.

41.0тукова Т.П. Теоретические основы динамики дереворежущих станков.-Л.:ЛТА,1984.-74 с.

42.Гудцев Р.И. Исследование жесткости шпиндельных узлов продольно-фрезерных станков по дереву с консольным расположением режущего инструмента. Дисс.на соискание уч. степ.к.т.н.-Л.: ЛТА,1971.-211 с.

43. Апостолом С. А. К вопросу моделирования вибраций системы "станок - инструмент - деталь - приспособление" при фрезеровании древесины.-Архангельск: Лесной журнал, 1978.-М 8. -с.74-80.

44.Иориш Ю.й. Виброметрия.-М.:ГНТй Машиностроение,1938. -771 с.

45.Полубояринов О.И. Сучковатость древесного сырья. -Л.: ЛХА,1971.-55 с.

46.Левченко В.П. Физико-механические свойства древесины сучков сосны.// Лесной журнал, 1969.-М 1.-е.

47.Волков Д.П. Динамические нагрузки в универсальных экскаваторах-кранах .-М.:Машиностроение,1958.-267 с.

48.Тетельбаум М.М.,Шнейдер Ю.Р. 400 схем для АВМ.-М. ".Энергия, 1978.-248 с.

49.Анисимов Б.В.,Годубин В.Н.»Петраков C.B. Аналоговые и гибридные ЭВМ.-М.:Высш.школа,1986.-288 с.

50.Применение ЭВМ при конструировании и расчете автомобиля. Под. общ. ред. А. Й.Гришкевича. -Минск: Высшая школа,1978.- 284 с.

51.Левитский H. И. Колебания в механизмах.-М.:Наука,1988. -336 с.

52.Химмельблау Д.Прикладное нелинейное программирование. Пер.с англ.-М.,1975.-534 с.

53.Соболь И.М.,Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями.-М.:Наука,1981.-108 с.

54.Вашедченко А.Н. Автоматизированное проектирование судов .-Л.: Судостроение,1985.-184 с.

55.Александров В.А. Динамические нагрузки в лесосечных машинах .-Л.:ЛГУ,1984.-152 с.

56.Андреев В.Н. Математическое планирование экспериментов. -Л.:РИОЛТАД982.-38 с.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.