Київський державний університет технологій та дизайну

ТАРАСЕНКО ОЛЕКСАНДР АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 677.055

ЗНИЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ

У МЕХАНІЗМІ В‘ЯЗАННЯ КРУГЛОВ‘ЯЗАЛЬНИХ МАШИН ШЛЯХОМ УДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКЦІЙ

ГОЛОК ТА КЛИНІВ

05.05.10 – Машини легкої промисловості

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському державному університеті технологій та дизайну Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Піпа Борис Федорович, Київський державний університет технологій та дизайну (КДУТД), професор кафедри інженерної механіки

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, доцент Параска Георгій Борисович, Технологічний університет Поділля, професор кафедри

– кандидат технічних наук, доцент Федоров Юрій Дмитрович, Київський державний університет технологій та дизайну, професор кафедри

Провідна установа – Чернігівський державний технологічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Чернігів

Захист відбудеться " 17 " жовтня 2001 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.02 в Київському державному університеті технологій та дизайну за адресою: 01601, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці КДУТД за адресою: м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2

Автореферат розісланий " 4 " вересня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кострицький В.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Круглов‘язальні машини належать до найбільш поширеного і перспективного виду обладнання легкої промисловості, як такі, що мають високу продуктивність і широкі технологічні можливості в‘язання трикотажного полотна.

Перспективним напрямком вдосконалення існуючих і створення нових типів круглов‘язальних машин є подальше підвищення продуктивності машин за рахунок збільшення швидкості в‘язання і підвищення якості полотна за рахунок зменшення числа відмов робочих органів механізму в‘язання.

Стримуючим фактором у вирішенні цієї проблеми є динамічні навантаження, що виникають у механізмі в‘язання в результаті ударної взаємодії голок і клинів.

Незважаючи на те, що відомо багато досліджень і технічних розробок, спрямованих на зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання в‘язаль-них машин, ряд питань згаданої проблеми залишається ще не вирішеним. Відомі конструкції робочих органів механізму в‘язання (голки, клини) не дозволяють ефективно знизити динамічні навантаження, що виникають при роботі в‘язаль-них машин, особливо при зміні режиму в‘язання (пружні елементи клинів розраховані на конкретну швидкість в‘язання і т. ін.). Відсутні також дослідження стосовно вибору раціональних параметрів голок та клинів, спрямованих на підвищення ефективності зниження динамічних навантажень у зоні їх взаємодії.

Враховуючи ці обставини, дисертація присвячена комплексним дослідженням щодо розробки нових конструкцій робочих органів в‘язальних машин та інженерних методів їх проектування з метою зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання, що сприяє підвищенню ефективності роботи круглов‘язальних машин.

Зв‘язок роботи з науковими планами. Дисертація відповідає напрямку наукових досліджень Київського державного університету технологій та дизайну (напрямок "Обладнання, системи управління технологічними процесами та контролю якості виробів").

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка нових конструкцій робочих органів механізму в‘язання (голок та клинів) круглов‘язальних машин та теоретичних основ і інженерних методів їх проектування, спрямованих на зниження динамічних навантажень у зоні взаємодії голок та клинів, що сприяє підвищенню ефективності роботи круглов‘язальних машин (підвищення їх продуктивності та якості трикотажного полотна).

Для досягнення поставленої мети були визначені і вирішені такі задачі:

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Об‘єкт дослідження – процес динамічної взаємодії робочих органів механізму в‘язання круглов‘язальних машин.

Предмет дослідження – голки та клини і вплив їх конструкцій на зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання круглов‘язальних машин.

Методи досліджень. При вирішенні задач, поставлених у даній роботі, були використані сучасні методи теоретичних та експериментальних досліджень: методи математичного моделювання та динамічного аналізу механічних систем з пружними в‘язями – для створення моделей процесу взаємодії голок з клинами в‘язальних машин та знаходження динамічних навантажень у механізмі в‘язання круглов‘язальних машин; методи теорій міцності та пружності механічних систем – для знаходження навантаженості робочих органів механізму в‘язання та податливості пари голка-клин у зоні їх взаємодії; математичні методи планування експерименту – для планування експериментальних досліджень щодо оцінки впливу параметрів круглов‘язальної машини з потоншенням стержня на динамічні навантаження в механізмі в‘язання; математичні методи статистичної обробки результатів досліджень – для обробки та аналізу результатів експериментальних досліджень впливу конструкцій голок і клинів на динамічні навантаження в механізмі в‘язання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

-

-

-

-

Особистий внесок здобувача полягає у вирішенні основних теоретичних та експериментальних задач дисертації. За безпосередньою участю автора розроблено методики досліджень, теоретичні основи та інженерні методи проектування нових конструкцій робочих органів круглов‘язальних машин, що забезпечують ефективне зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання, а також виконано теоретичні та експериментальні їх дослідження. Автору належать основні ідеї опублікованих праць та винаходів, аналіз та узагальнення одержаних результатів.

Апробація дисертації. Основні положення і результати роботи доповідались і одержали позитивну оцінку на:

-

-

-

-

-

Дисертація доповідалась повністю і одержала позитивну оцінку на:

-

-

-

Публікації. За темою дисертації опубліковано 31 робота, серед яких 10 наукових статей у журналах, 1 тези наукової конференції, 12 депонованих наукових статей і 8 патентів України на винаходи та корисні моделі.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації 230 сторінок, із них 29 сторінок займають ілюстрації, 10 сторінок – таблиці, 15 сторінок – додатки, 20 сторінок – список використаних джерел зі 187 найменувань. Обсяг основної частини дисертації становить 142 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, поставлено мету та сформульовано задачі досліджень.

Перший розділ присвячено огляду та аналізу досліджень щодо динамічних навантажень у механізмі в‘язання в‘язальних машин та їх зниження. Приведено огляд досліджень динамічних навантажень у механізмах в‘язання і показано роль їх зниження в підвищенні ефективності роботи в‘язальних машин. Дано огляд досліджень по удосконаленню конструкцій робочих органів в‘язальних машин (голок та клинів) з метою зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання. Приведено огляд досліджень щодо удосконалення конструкцій механізмів в‘язання та їх роль у зниженні динамічних навантажень.

Встановлено, що динамічні навантаження в механізмі в‘язання, зумовлені ударною взаємодією голок з клинами, є вирішальним фактором в ефективності роботи в‘язальних машин. Проблема зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання існує і є актуальною, оскільки вирішення її дозволяє підвищити продуктивність роботи в‘язальних машин і якість трикотажного полотна.

Найбільш доцільним у вирішенні проблеми зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання є удосконалення існуючих і розробка нових конструкцій голок та клинів. При цьому клини і голки повинні мати більш податливі робочі зони, які взаємодіють одна з одною.

Встановлено, що про доцільність використання нових конструкцій голок та клинів для зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання можна судити лише при виконанні комплексних досліджень їх працездатності та ефективності. Усе це дозволило визначити тему і задачі даного дослідження.

Другий розділ присвячено дослідженням щодо зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання шляхом удосконалення конструкцій клинів. Показано, що найбільш ефективним у вирішенні цієї проблеми є заміна існуючих конструкцій клинів клинами з пружним робочим елементом. Внаслідок аналізу конструктивних особливостей клина з пружним елементом у вигляді упора та циліндричної пружини стиску, була створена математична модель динамічної взаємодії такого клина з голкою. При цьому було розглянуто два випадки: перший випадок, коли реальна конструкція клина та голки представлені у вигляді двомасової динамічної моделі з защемленням пружної в‘язі (маса пружини не враховувалась), і другий (враховувалась маса пружини) – у вигляді тримасової рядної динамічної моделі з защемленням пружної в‘язі (рис. 1).

Для випадку, коли маса пружини враховується, нехтуючи незначними величинами сил Fт, F3 і F4, рівняння динамічної рівноваги мас системи голка-клин для третього етапу їх взаємодії набуває вигляду:

(1)

Оскільки в даному випадку нас цікавлять динамічні навантаження, що виникають у зоні взаємодії голки з клином (F=F12), враховуючи, що , з системи рівнянь (1) знаходимо:

. (2)

Розв‘язок рівняння (2) доцільно представити у вигляді:

(3)

де А (12)1, А (12)2, А (12)3, В (12)1, В (12)2, В (12)3 – постійні інтегрування; 1, 2, 3 – частоти коливань відповідних мас системи; а12 – частинний розв‘язок рівняння (2).

В результаті виконаних досліджень було отримано алгоритм розрахунку динамічних навантажень, що виникають у механізмі в‘язання при використанні клинів з пружним елементом у вигляді упора та пружини. Розглянуто приклад знаходження динамічних навантажень у механізмі в‘язання круглов‘язальної машини КО-2 при використанні таких клинів. При цьому прийнято: швидкість удару голки об клин v=1,1 м/с; масу голки т1 =0,47710 –3 кг (голка поз. 0-1565); масу упора т2 =0,5 10 –3 кг; масу пружини т3 =0,26110 –3 кг; жорсткість голки С1= 824,5 103 Н/м; жорсткість пружини С2= С3= 32,5 103 Н/м; сили, що діють на систему голка-клин F1= 3 Н, F2= 1 Н. Розрахунки показали, що у випадку, коли масою пружини знехтувати, F=F12max=19,67 Н; при врахуванні маси пружини F=21,92 Н. Це дає підставу з метою спрощення методики знаходження динамічних навантажень у механізмі в‘язання реальну пару голка-клин з пружним елементом у вигляді упора і пружини представити у вигляді двомасової динамічної моделі з защемленням пружної в‘язі.

З метою перевірки правомірності прийнятих при створенні математичної моделі взаємодії голки з таким клином припущень були проведені експериментальні дослідження. При цьому були використані спеціальний стенд і клин з пружним елементом, що містить упор і пружину. В результаті досліджень підтверджена можливість прийнятих згаданих припущень при аналізі динамічних навантажень у механізмі в‘язання з клинами, що містять пружний елемент у вигляді упора і пружини (розходження результатів експерименту і розрахунків становить 6,12 %).

У розділі наведена методика знаходження робочих параметрів пружного елемента клина консольного типу. При цьому виходили з умови збереження працездатності та ефективності роботи клина ( – деформація торця пружного елемента, що взаємодіє з п‘яткою голки в момент удару; – величина частини пружного елемента, яка виступає над робочою поверхнею клина).

Встановлено, що для круглов‘язальних машин типу КО жорсткість пружного елемента такого клина повинна бути не меншою 49,6 103 Н/м. При виконанні пружного елемента зі сталь-ного дроту діаметром 1,5 мм його робоча довжина повинна дорівнювати 15 мм. При цьому динамічні навантаження в механізмі в‘я-зання кругло-в‘язальної машини КО-2 знижуються в 3,5 рази.

У розділі наведені також дослідження ефективності використання кли--нів з робочою поверхнею на пружній основі (рис. 2) для зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання. Використовуючи розрахункову схему взаємодії голки з таким клином (рис. , б), одержано рівняння деформації згину пластини клина:

(4)

де 0, 0, М0, Q0 – початкові параметри (прогин пластини, кут повороту перерізу пластини, згинальний момент та поперечна сила) у вибраному початку координат (Х=0); – гіперболічні функції; Е – модуль пружності пластини; J – момент інерції перерізу пластини; Fі – і-а сила, що діє на пластину клина; а і – відстань і-ї сили від початку координат.

Для нашого випадку (рис. 2), де М0= 0; Q0 = 0, рівняння (4) приймає вигляд:

. (5)

Оскільки нас цікавить деформація пластини клина в зоні удару п‘ятки (Х=а), рівняння (5) після знаходження 0 та 0 може бути представлене у вигляді:

, (6)

Жорсткість робочої поверхні клина на пружній основі С знаходиться із виразу:

С = = . (7)

Розрахунки показують, що використання клинів, робоча поверхня яких опирається на пружну основу, в механізмі в‘язання круглов‘язальної машини типу КО дозволяє знизити динамічні навантаження в ньому в 2,89 рази (при розрахунках прийнято: розміри стальної пластини b=3 мм; 1= 0,5 мм; l=20 мм; товщина пружної основи 2= 2 мм; плече дії сили удару п‘ятки на пластину а=3,5 мм; модуль пружності стальної пластини Е=2,2 103 Н/мм 2; характеристика пружної основи (гума) =24 Н/мм 2).

Дослідження працездатності і ефективності роботи клинів з пружним кріпленням їх до блоку замків, результати яких наведені в цьому розділі, показують, що таке конструктивне рішення для зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання є недоцільним. Як показують розрахунки, величина динамічних навантажень у механізмі в‘язання круглов‘язальних машин типу КО з клинами з пружним кріпленням відрізняється від величини динамічних навантажень при використанні клинів з жорстким кріпленням на 0,6 %.

У третьому розділі наведені дослідження стосовно зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання шляхом вдосконалення конструкції голок. При цьому основну увагу приділено найбільш перспективній конструкції голки з симетричним потоншенням стержня, запропонованої автором (рис. 3). Наявність потоншення стержня голки зумовлює значне підвищення податливості її п‘ятки в зоні удару об клин, що знижує динамічні навантаження в механізмі в‘язання.

Податливість п‘ятки , враховуючи конструктивні особливості голки і взаємодію п‘ятки з клином, знаходиться із виразу:

, (8)

де – податливість п‘ятки, зумовлена відповідно прогином стержня, його скручуванням і скручуванням п‘ятки.

Розроблена математична модель взаємодії голки з симетричним потоншенням стержня з клином дозволила знайти складові податливості п‘ятки:

, (9)

де

;

;

Е – модуль пружності матеріалу голки;

J1, J2 – відповідні моменти інерції перерізу стержня голки на відрізках l1 (l3) i l2 (див.рис.3);

, (10)

де h2 – плече сили, що скручує стержень голки; G – модуль пружності матеріалу голки при деформації зсуву; Jk1, Jk2 – моменти інерції при скручуванні відповідних відрізків потоншення голки;

, (11)

де а – плече сили, що діє на п‘ятку під час удару голки; Jk4 – момент інерції перерізу п‘ятки при скручуванні.

Умовою працездатності голки буде:

, (12)

де D – деформація потоншення стержня голки в зоні переходу його в п‘ятку; F – сила удару голки об клин (складова, що діє перпендикулярно осі голки).

Як показують розрахунки, при використанні голок з потоншенням стержня в круглов‘язальній машині КЛК-3 (параметри потоншення голки поз. 0-1262: l1=l3=8,2 мм; l2=3,6 мм;2=3=0,15 мм; =0,5 мм) динамічні навантаження в механізмі в‘язання зменшуються в 6,2 рази, що вказує на ефективність використання таких голок для вирішення проблеми зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання круглов‘язальних машин.

Автором розроблено алгоритм і програму розрахунку раціональних параметрів голки з симетричним потоншенням стер-жня та знаходження максимальної величини динамічного навантаження в механізмі в‘язання з такими голками. Використовуючи одержані ре-зультати досліджень, було виконано аналіз впливу довжини потоншення стержня голки поз.0-1262 на її податливість та динамічні навантаження в механізмі в‘я-зання круглов‘язальної ма-шини КЛК-3. Результати представлені на рис.4.

З метою спрощення методики оцінки впливу параметрів голки з потоншенням стержня на динамічні навантаження в механізмі в‘язання були проведені дослідження, в результаті яких одержана залежність для знаходження податливості такої голки:

. (13)

Порівнюючи результати розрахунків податливості голки, одержані з використанням раніше запропонованих алгоритму та програми і рівняння (13) (див. рис. 4), приходимо до висновку, що запропонована залежність, враховуючи її наочність, простоту і достатню точність, може бути використана в практиці інженерних розрахунків при вирішенні проблеми зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання круглов‘язальних машин.

З метою перевірки правомірності припущень, прийнятих при розробці математичної моделі взаємодії голки з симетричним потоншенням стержня з клином, автором були проведені експериментальні дослідження. Було розроблено і виготовлено спеціальний прилад, який, на відміну від відомих, дозволяє вимірювати та реєструвати деформацію голки в зоні взаємодії її з клином як в статиці, так і в динаміці. Результати експериментальних досліджень підтвердили правомірність прийнятих припущень.

У розділі наведені також експериментальні дослідження впливу голки з потоншенням стержня на величину динамічних навантажень у механізмі в‘язання круглов‘язальних машин типу КО. При цьому встановлено, що використання удосконалених голок поз. 0-388 з потоншенням стержня в зоні п‘ятки (параметри потоншення: довжина l=10 мм; товщина стержня голки в зоні потоншення =0,4 мм) знижує динамічні навантаження в круглов‘язальній машині МС-9 в 2,73 рази. Оцінка ефективності такої голки для зниження динамічних навантажень у механізмі в‘язання цієї ж машини, виконана з використанням раніше наведеної методики, показує, що коефіцієнт зниження динамічних навантажень дорівнює 2,57. Розбіжність результатів становить 5,9 %.

У дисертації наведено дослідження впливу параметрів круглов‘язальної машини з голками, що мають потоншення стержня, на динамічні навантаження в механізмі в‘язання. З цією метою був проведений математичний експеримент. Враховуючи технічну характеристику круглов‘язальної машини типу КЛК, перспективу підвищення її швидкості в‘язання та можливу зміну параметрів потоншення стержня голки поз. 0-1262, а також вимоги методу математичного планування експерименту, за діапазон та інтервал варіювання досліджуваних параметрів (лінійна швидкість голкового циліндра – v; кут клина в зоні удару голки – ; маса голки – т; довжина потоншення голки – l) прийнято:

(14)

В результаті виконаних досліджень одержано рівняння регресії, що дозволяє оцінити вплив параметрів круглов‘язальної машини типу КЛК з голками з потоншенням стержня на максимальну величину динамічних навантажень F у механізмі в‘язання:

. (15)

Результати досліджень представлені у вигляді графіків (рис. 5).

У четвертому розділі наведено дослідження, що стосуються розробки нових перспективних конструкцій робочих органів круглов‘язальних машин (клинів та голок), які дозволяють значно знизити динамічні навантаження в механізмі в‘язання, а також перевірка їх працездатності та ефективності роботи. В результаті проведених дослі-джень автором запропоновано ряд нових конструкцій клинів та голок, на які одержано патенти України.

Встановлено, що раціональними параметрами пристрою для регулювання жорсткості пружного елемента консольного типу клина слід приймати:

(16)

де a, b, h – розміри гайки; d, l – діаметр та довжина гвинта; с, lр – товщина та довжина робочої поверхні клина.

З метою забезпечення працездатності пластинчастого клина необхідно виконати умову: пр ( де , пр – відповідно робоча та допустима деформації пластини клина в зоні удару голки).

Використовуючи теорію пружності, було одержано рівняння для знаходження критичної величини деформації пластини клина к, зумовленої заклинюванням голки в пазі голкового циліндра:

(17)

де вр – границя міцності матеріалу голки; а – плече сил, що діють на п‘ятку голки; – товщина п‘ятки; h – ширина п‘ятки; – кут нахилу пластини (кут клина); – коефіцієнт співвідношень розмірів перерізу п‘ятки; l – робоча довжина пластини; Е – модуль пружності матеріалу голки; J – момент інерції перерізу пластини.

Встановлено, що відома конструкція пластинчастого клина в момент заклинювання голок, що завжди має місце при експлуатації круглов‘язальних машин, непрацездатна (як показують розрахунки, для круглов‘язальних машин типу КО к=2,5 мм; пр=0,2 мм).

З метою ліквідації цього недоліку автором запропоновано конструкцію пластинчастого клина з упором, що обмежує критичну величину прогину пластини, а отже виконується умова працездатності клина.

Для голки з пружною п‘яткою податливість п‘ятки , як показують дослідження, знаходиться із виразу:

(18)

де а1 – плече сили, що діє на п‘ятку; – кут клина; Е – модуль пружності матеріалу п‘ятки; JX, Jy – моменти інерції перерізу п‘ятки відносно відповідних осей; а, b, c, r1, r2 – відповідні розміри п‘ятки.

Розрахунки показують, що при використанні в круглов‘язальних машинах типу КО голок з пружною п‘яткою динамічні навантаження в механізмі в‘язання зменшуються в 9,34 рази, що підтверджує їх високу ефективність.

При розробці конструкції голки з пружним уступом, як показують дослідження, доцільно користуватися співвідношеннями:

l = h; a = (36); b = (24), (19)

де l, h – глибина відповідно пазу і уступу; а – відстань пазу від робочої грані уступу; – товщина голки; b – ширина пазу.

Для голок при використанні їх в круглов‘язальних машинах типу КО раціональними є: l=h=4 мм; а=2 мм; b=1,5 мм. При цьому динамічні навантаження в механізмі в‘язання зменшуються в 3,34 рази.

Для голок, п‘ятка-вставка яких має криволінійні робочі кінці, доцільно приймати такі співвідношення їх параметрів:

(20)

де 1, 2, 1, 2, l1, l2 – кути нахилу, деформація згину та робоча довжина відповідних кінців п‘ятки.

Для таких голок у разі використання їх у складі круглов‘язальних машин типу КО доцільними є такі параметри: l1= l2 = 2,5 мм; 1= 87; 2=87,7.

Виробнича перевірка працездатності та ефективності роботи голок з симетричним потоншенням стержня, проведена на ЗАТ "Чексіл-Киянка", показала високу надійність нової конструкції голки. При цьому кількість відмов голок у порівнянні з голками поз. 0-1262 зменшилась в 1,7 раз, продуктивність машини збільшилась на 2,5 %, сортність трикотажного полотна підвищилась у середньому на 0,6 %.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

28.

29.

30.

31.