Динамическое моделирование и создание средств снижения виброактивности ручных механизированных машин вращательного действия

СОДЕРЖАНИЕ
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ............
ВВЕДЕНИЕ.............................................
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Обзор работ по исследованию динамических характеристик подшипников ручного механизированного инструмента вращательного действия............................
1.2 Обзор работ по проектированию роторной части ручного механизированного инструмента вращательного действия
1.3 Обзор работ по разработке и исследованию средств повышения ресурса и снижению виброактивности ' ручного механизированного инструмента..........................
1.4 Обзор работ по созданию средств внешней виброзащиты ручного механизированного инструмента вращательного действия...............................................
1.5 Выводы и постановка задачи исследования.............
2. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ЧЕЛОВЕК - РУЧНОЙ МЕХАНИЗИРОВАННЫЙ ИНСТРУМЕНТ. ПАРАМЕТРЫ ПОДОБИЯ СИСТЕМЫ
2.1 Общая характеристика динамической системы «человек -ручной механизированный инструмент вращательного действия»..............................................
2.2 Конструктивные особенности ручного механизированного инструмента вращательного действия и расчетная схема системы «человек - ручной механизированный инструмент вращательного действия» ...............................
2.3 Линейная математическая модель динамической системы «человек - ручной механизированный инструмент вращательного действия»..............................................
2.4 Параметры подобия и критерии динамического качества системы «человек - ручной механизированный инструмент вращательного действия»......................................
2.5 Выводы...................................:.........
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫНУЖДЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ РОТОРА
ПНЕВМОШЛИФОВАЛЬНЫХ МАШИН...............................
3.1 Расчетные схемы и математические модели системы «РМИВД-двухкаскадная - система виброзащиты - рука оператора».
3.2 Анализ результатов расчета вынужденных колебаний....
з
3.3 Анализ устойчивости ротора в пневмошлифовальных машинах с 74 газовыми порами.................................
3.4 Методика расчета вынужденных колебаний динамической системы.................................:.......... 78
3.5 Выводы............................................ 80
4. РАСЧЕТНО - ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ОТРАБОТКА
РАЗРАБОТАННЫХ СИСТЕМ ВИБРОЗАЩИТЫ
ПНЕВМОШЛИФОВАЛЬНЫХ МАШИН ................................... 82
4.1 Особенности изготовления цельнометаллических демпферов с £2
сухим трением............................................
4.1.1 Описание спроектированных упругодемпфирующих ^
элементов ......................................
4.1.2 Технология изготовления демпферов.................. 87
4.2 Теоретические исследование особенностей упругофрикционных свойств малоразмерных демпферов пневмошлифовальных ^
машин................................................
4.2.1 Исследование свойств гофрированного демпфера при одноосном и прецессионном нагружении для ^
пневмошлифовальной машины ИП-2008...............
4.2.2 Описание конструкции экспериментального стенда и
методики проведения эксперимента.................... 107
4.2.3 Экспериментальное исследование демпферов различного
типа для одноосного нагружения...................... 109
4.3 Опытно-прОхМЫшленные испытания хмодернизированных пневмошлифовальных машин ГТШТ - 2, ИП-2008 и ПШМ -1 ... 115
4.4 Анализ результатов испытаний пневмошлифовальных машин ... 128
4.5 Выводы.................................’................. 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................... 132
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................ 135
ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................... 148
Приложение 1. Акт об использовании в СамГУПС.................... 148
Приложение 2. Акт о внедрении в ЗАО «Нефтегазмаш»............... 149
Приложение 3. Протоколы санитарно промышленной лаборатории НОУ «Региональный центр безопасности труда». Замеры вибрации на рабочем месте.................................... 150
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика ВМ - высокоскоростные машины МУ - методические указания
МР - металлорезина, упругопористый демпфирующий материал
НИЛ «ДГ1 ВТС» - научно-исследовательская лаборатория «Динамическая
прочность и виброзащита транспортных средств»
НПО - научно- производственное объединение
ИГ1-2008 - пневмошлифовальная машина с ротационным двигателем
ПШМ - пневмошлифовальная машина
ПШМ-1 - пневмошлифовальная машина с турбинным двигателем на газовых опорах
11ШТ-2 - пневмошлифовальная машина с турбинным двигателем РМИ - ручной механизированный инструмент
РМИВД - ручной механизированный инструмент вращательного действия СамГУПС - Самарский государственный университет путей сообщения СГАУ - Самарский государственный аэрокосмический университет им.академика Королева (национальный исследовательский университет)
СКД - система конструкционного демпфирования УДХ - упругодемпфиругащие характеристики XI8Н1 ОТ, 1X18Н9Т - марка стали
ЧРМИВД — система «человек - ручной механизированный инструмент вращательного действия»
7
5
ВВЕДЕНИЕ
Ручной механизированный инструмент вращательного действия (РМИВД) гайковерты, электродрели, пневмошлифовальные машины широко применяются в машиностроении, в строительстве и других отраслях промышленности и, в частности, при производстве и ремонте подвижного состава железных дорог, в нефтегазовой промышленности. Пневмошлифовальные машины используются при разделке сварных швов, доводке штампов, при шлифовании поверхности перед напылением лакокрасочных покрытий и других операциях т.к. являются одним из эффективных средств механизации слесарных работ [82, 94, 95].
Широкое использование РМИВД обусловлено резким повышением производительности труда и высоким качеством выполнения операций, так как их удельная мощность в 10-30 раз превышает удельную мощность стационарных машин аналогичного назначения (отнесенная- к массе машины).
Однако те преимущества, которые дает применение ручного
механизированного инструмента, мшуг быть сведены на нет из-за интенсивной вибрации возникающей при их работе [7, 16, 19, 20, 28]. Кроме того, высокий уровень вибрации, генерируемый- • при работе ручного
механизированного инструмента (РМИ), ведет к быстрому износу подшипников; а следовательно, к уменьшению межремонтного ресурса машины, который обычно не превышает порядка 100 часов.
Поэтому важность исследований но снижению уровня
виброактивности механизированного инструмента определяется необходимостью обеспечения безопасных условий труда человека-оператора и повышением межремонтного срока службы РМИВД и, в конечном счете, повышением эффективности использования РМИВД. Жёсткие ограничения массы и габаритных размеров ручных машин, необходимость поддержания должной силовой и тактильной связи оператора с машиной, высокие
6
значения удельной мощности машины вынуждают уделять особое внимание мероприятиям по снижению интенсивности вибрации такого инструмента [18, 25,30, 64,71,93, 101].
Динамическая система «человек - ручной механизированный инструмент - обрабатываемая среда» состоит из большого количества элементов резко отличающихся друг от друга по своей природе и свойствам, и подверженную воздействию многочисленных сил. В системе имеются' сложные внутренние связи, носящие нелинейный характер. Для грамотного проектирования таких систем необходимо знание параметров, характеризующих отдельные элементы системы и их взаимозависимость.
Несмотря на большое количество публикаций по проблемам снижения вибрации ручного механизированного инструмента отечественных и зарубежных авторов [16, 65, 66, 68, 109, 112] проблема остается не решенной до конца. Это объясняется большой сложностью системы и связанной с этим отсутствием методики расчета.
Снижение уровня вибрации РМИВД возможно либо путем разработки мероприятий по снижению вибрации в источнике, либо применением виброзащитных систем-[28, 49, 72, 73, 75].
В свете изложенного представляется актуальным разработка математической модели системы и на ее базе методики расчёта колебательных процессов в ней, исследование взаимовлияния- упругих и демпфирующих характеристик отдельных элементов; системы на ее вибрационное состояние, разработка и создание новых систем виброзащиты, ручного механизированного инструмента вращательного действия.
Основной акцент в работе сделан на исследовании^ динамических свойств РМИВД, межремонтный срок службы которых ограничен интенсивным износом их подшипников, а также вредным воздействием на человека-оператора ввиду высокого уровня- вибрации, генерируемых РМИВД серийного производства.
Работа выполнялась в соответствии с постановлением Правительства РФ №796 от 17.11.2001г., которым утверждена Федеральная программа «Энергоэффективная экономика на 2002-2005 годы и на перспективу до 2010 года» в рамках ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008г.г.), (код проекта 3.2.2.4770), и в соответствии с постановлением № 964 от 31 августа 2007 года, которым утверждена программа «Стратегические направления научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г. и на перспективу до 2020 г.», договором о творческом содружестве с ЗАО «Нефтегазмаш» г.Самара.
Цель работы. Повышение эффективности и вибробезопасности ручного механизированного инструмента вращательного действия на базе разработки двухкаскадной системы виброзащиты и улучшения на этой основе вибрационных характеристик машин.
Задачи* исследования:
проанализировать существующие конструкции и средства виброзащиты РМИВД, их влияние на межремонтный ресурс машины и. воздействие на человека-оператора^ с учётом упругих и демпфирующих характеристик.руки человека;
- разработать обобщённую математическую* модель и методику расчёта системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора», учитывающие вибрационные характеристики средств виброзащиты и упругодемпфирующие свойства руки* человека - оператора;
- выявить параметры подобия системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора» и провести вычислительный эксперимент по их влиянию на амплитудно-частотную характеристику и самовозбуждающиеся-колебания системы;
создать эффективную систему защиты человека - оператора РМИВД с использованием демпферов сухого трения для внутреннего и внешнего каскадов виброзащиты;
8
- провести экспериментальные исследования разработанных средств виброзащиты и оценить возможность их использования в РМИВД.
Объектом исследования являются динамические процессы, реализуемые при работе ручного механизированного инструмента, упругие и демпфирующие характеристики систем виброзащиты.
Предметом исследования является динамическая система «ручной механизированный инструмент вращательного действия - двухкаскадная система виброзащиты — рука оператора», совершенствование которой позволит снизить виброактивность ручного инструмента вращательного действия.
Методы исследований:
Принятые в диссертации принципы математического описания базируются на современных представлениях о физических процессах, происходящих в динамической системе «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора». Теоретические положения, построены на теории малых колебаний, теории подобия и размерностей, теории дифференциальных, матричных исчислений и других математических и
I инженерных методах. Численное решение задач динамики выполнено с
использованием стандартной программы «МаЛСАО 14 2007».
Экспериментальные исследования. РМИВД проведены по стандартной методике с использованием аттестованной аппаратуры. Достоверность принятых допущений и полученных результатов подтверждены экспериментами при отработке реальных изделий. Опытно-промышленные испытания пневмошлифовальных машин выполнены с привлечением аккредитованной санитарно-промышленной лаборатории.
и
Научная новизна:
разработана новая обобщённая математическая модель системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора»,
г
1 учитывающая влияние осрсднённых значений динамических характеристик
I
с
}
1
<
к
рук человека во взаимодействии со средствами виброзащиты данной системы;
впервые получены безразмерные параметры подобия динамической системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты -рука оператора», учитывающие воздействие оператора на' механизированный инструмент с учетом инерционных, жёсткостных и демпфирующих свойств элементов системы, обеспечивающая сокращение объёма вычислительных операций;
разработана методика расчёта вынужденных колебаний динамической системы «РМИВД - двухкаскадная» система виброзащиты -рука оператора», обеспечивающая- рациональный выбор отдельных элементов системы, при разработке вибробезопасных РМИВД с уровнем вибрации ниже санитарных норм и повышения межремонтного ресурса машины;
- получены новые закономерности обобщённых параметров при одноосном и прецессионных нагружениях для,малого-числа гофров и лент, равных 6, которые позволяют при циклическом прецессионном нагружении контролировать разброс геометрических характеристик но окружности демпферной опоры. Установлено, что для инженерных расчётов в изучаемых режимах работы РМИВД можно использовать параметры, полученные при одноосном нагружении средств виброзащитьь роторов при прецессионном нагружении.
Практическая, значимость полученных результатов работы определяется: разработанной методикой расчёта вынужденных
динамической системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты -рука оператора», обеспечивающая1 рациональное сочетание динамических характеристик, из условия снижения вибрации до санитарных норм и повышения ресурса подшипников, позволяющая сократить сроки создания систем виброзащиты; рекомендациями по конструированию высокоэффективных РМИВД с двухкаскадной системой виброзащиты, с
• . , 10 использованием демпферов сухого трения обеспечивающие снижение вибрации- на 5-7 дБ; новыми запатентованными разработками конструктивных элементов виброзащитных систем, отличающиеся от существующих повышенной эффективностью подавления вибрации и надежностью;
Личный, вклад: вклад автора, в работы, выполненные в соавторстве, состоит в непосредственном участии во; всех стадиях работы, начиная- от постановки задач,, выполнения! теоретических и экспериментальных исследований и до внедрения полученных результатов.
Конкретная доля участия автора указана.в списке научных трудов, по каждой статье. При разработке патентов: автор принимал участие в разработке и непосредственном воплощении идей; \ .
Апробация работы;
Основные положения работы докладывались на конференциях:.
на научных конференция студентов и аспирантов Самара: СамГУПС с 2006 по 2010 г.; на шестой международной-научно-технической конференций (Воронеж: Воронеж, техн. ун.-т., 2005), международная научно-практическая; • конференция «Актуальные проблемы^ развития железнодорожного транспорта» (Самара: СамГАПС,. 2005, 2006); международная научно-техническая- конференция- «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России»- (Екатеринбург: УрГУПС, 2006), международная-' научно-техническая: конференция
«Актуальные проблемы динамики и. прочности, материалов и. конструкций» (Самара:. - Орел: ОрелГТУ,,. 2007),. международная научная конференция «Современные проблемы; математики, механики; информатики». (Тула, ТулГУ,. 2007),. международная научно-техническая конференция «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем. - Саранск: МГУ им.Огарева, 2007,. научно-практическая конференция «Надежность железнодорожной техники и управление» (Самара: СамГУПС, 2007), международная научно-техническая
конференция «Проблемы и перспективы двигателестроения» (Самара, СГАУ, 2009), V Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (Самара: СамГАПС, 2009), IX международная научно-техническая конференция' «Вибрация - 20.10.
Управляемые вибрационные технологии и машины» (Курск: КурскГТУ, 20Ю). . . • . "
Апробация исследования была осуществлена путем выступления автора перед студентами и сотрудниками на кафедре «Безопасность жизнедеятельности и экология» в СамГУПС и на кафедре «Конструкция и проектирование двигателей летальных аппаратов» в СГАУ, а также путем подготовки публикаций в сборниках: Вестник СамГУПС, Вестник СГАУ им.Королева, Вибрация - 2010. Управляемые вибрационные технологии и машины КурскГТУ, Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии ОрелГТУ, Известия Самарского научного центра РАН.
В ходе работы над исследуемой темой были разработаны и запатентованы в соавторстве новые элементы систем виброзащиты. /
Работа представлена к защите в диссертационном совете на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.06 -Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры:
Публикации: По теме диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе статей - 16, из них 5 в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенном ВАК РФ, патентов РФ на изобретение - 4, патентов на полезную модель - 1.. ‘
Структура диссертации. /
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения,, библиографического списка и приложений. Общий объем работы 156 страниц. В работе содержится 69 рисунков, 12 таблиц, библиографический список из 112 наименований и 3 приложений.
. 12
В первой главе проведен критический анализ состояния проблемы виброзащиты человека-оператора и повышения ресурса машины. Сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе на основании анализа конструкции машин и условий их эксплуатации разработана, и обоснована их расчётная схема и математическая модель. Выявлены параметры подобия динамической системы «РМИВД- двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора».
Третья -глава посвящена разработке методики расчёта и вынужденных колебаний системы «РМИВД - двухкаскадная, система виброзащиты - рука оператора». Определены значения параметров системы, обеспечивающие минимум вибрации и максимум устойчивости машины. .
В четвертой. главе приведены; результаты. расчётно-
экспериментальных исследований разработанных средств; виброзащиты и спроектированных опытных образцов иневмошлифовальных машин. Даны рекомендации по проектированию высокоэффективных виброзащитных систем..' % ’ / "•
В заключении сформулированы общие выводы по диссертационной; работе.- . . * • .. '• • • . !’.■
На защиту выносятся научные положения: •• • •* ,
. 1. Обобщенная математическая, модель системы .«Ручной
механизированный инструмент вращательного г действия. — двухкаскадная; система . виброзащиты, - рука; оператора»; учитывающая- влияние осреднённых значений-; динамических характеристик рук; человека во взаимодействии.со средствами виброзащиты данной:системы..
2. Выявленные безразмерные параметры подобия динамической
системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука, оператора» учитывающие воздействие оператора на механизированный инструмент с учётом инерционных, жёсткостных и демпфирующих свойств: элементов системы, обеспечивающие сокращение объёма вычислительных операций.
13
3. Методика расчета вынужденных колебаний динамической системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора», обеспечивающая рациональный выбор отдельных элементов системы при разработке вибробезопасных РМИВД с уровнем вибрации ниже санитарных норм и повышения межремонтного ресурса машины.
4. Полученные новые закономерности обобщённых параметров при одноосном и прецессионных наїружениях для малого числа гофров и лент, равных 6, которые позволяют при циклическом прецессионном нагружении контролировать разброс геометрических характеристик по окружности демпферной опоры. Установлено, что для инженерных расчётов в изучаемых режимах работы РМИВД можно использовать параметры полученные при одноосном нагружении средств виброзащиты роторов при прецессионном нагружении.
5. Результаты экспериментальных исследований динамической системы «РМИВД - двухкаскадная система виброзащиты - рука оператора», и разработанные на их основе практические рекомендации по-'
і
конструированию высокоэффективных машин с демпферами сухого трения во внутреннем и внешнем каскадах виброзащиты.