Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Кропівна Альона Володимирівна

УДК 621.941

Поліпшення віброакустичних характеристик системи “напрямні труби - шпиндельний барабан” багатошпиндельних пруткових автоматів

Спеціальність 05.03.01 – Процеси механічної обробки,

верстати та інструменти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі металорізальних верстатів та систем Кіровоградського національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,

Струтинський Василь Борисович,

Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри „Конструювання верстатів та машин”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Мельничук Петро Петрович,

Житомирський державний технологічний університет, ректор.

кандидат технічних наук,

Волошин Віталій Нестерович,

технічний коледж Тернопільського державного технічного університету ім. І.Пулюя, заступник директора.

Провідна установа: Донбаська державна машинобудівна академія, кафедра „Металорізальні верстати та інструменти”.

Захист відбудеться 20 червня 2006 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 у Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус 1, ауд. № 214.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 18 травня 2006 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради д.т.н. Майборода В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Розвиток і вдосконалення сучасного верстатного обладнання ставить задачу підвищення надійності його роботи при суттєвому поліпшенні його віброакустичних параметрів, зокрема зниження шуму і вібрацій верстатів.

При проектуванні та експлуатації верстатів основна увага надається підвищенню їх точності і продуктивності. Для аналізу цих характеристик розглядаються експлуатаційні навантаження, зокрема динамічні, що носять випадковий характер. У деталях динамічно збалансованих вузлів пруткових багатошпиндельних автоматів таких як, шпинделі і приводи подач, динамічні випадкові навантаження створюють помірні нестаціонарні динамічні напруги. На противагу шпиндельним вузлам система опирання і закріплення заготовки, яка включає напрямні труби і шпиндельний барабан, є незбалансованою, містить значні маси, розташовані випадковим чином щодо осі обертання прутка. У процесі обертання пруток опирається випадковим чином в різних точках. При взаємодії пруткової заготовки, що обертається, з нерухомими деталями виникають інтенсивні сили тертя, поштовхи та удари. Це також зумовлює виникнення складних коливальних процесів у динамічній системі верстата.

Особливо інтенсивні коливання у токарних пруткових багатошпиндельних автоматах виникають у системі опирання заготовки, яка містить масивний блок направляючих труб із розташованими в них хвильовими пружинами. Одночасна динамічна дія всіх заготовок на систему “напрямні труби-шпиндельний барабан” обумовлює інтенсивні динамічні навантаження і викликає виникнення шуму та вібрацій. Цілеспрямоване вдосконалення вузлів верстатів, розробка рекомендацій по зниженню шуму і вібрацій дає можливість суттєвим чином підвищити віброакустичні характеристики верстата у процесі експлуатації. У зв’язку з цим дослідження шумових і вібраційних характеристик динамічної системи “напрямні труби-шпиндельний барабан” пруткових багатошпиндельних автоматів є надзвичайно актуальним.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконані дослідження пов’язані з науковими розробками, які ведуться на кафедрі металорізальних верстатів та систем Кіровоградського національного технічного університету та на кафедрі конструювання верстатів і машин Національного технічного університету України „КПІ”. Дослідження виконані безпосередньо при розробці держбюджетних тем: ДБ № 2491 (№ державної реєстрації 0101U002282) „Розробка наукових основ статистичної динаміки та методів математичного моделювання стохастичних динамічних процесів металорізальних верстатів” та 46Д № 103 (№ державної реєстрації 0103U0008954) „Удосконалення агрегатно-модульного технологічного обладнання та верстатів нового покоління”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення віброакустичних показників роботи токарних багатошпиндельних пруткових автоматів шляхом зниження шуму та вібрацій системи “напрямні труби-шпиндельний барабан”. Досягнення мети здійснюється шляхом розв’язання наступних задач:

? розробка методики теоретичних і експериментальних досліджень, яка передбачає визначення нелінійних випадкових пружно-дисипативних характеристик основних вузлів верстата та оптичні безконтактні способи вимірів віброакустичних параметрів коливань обертової пруткової заготовки;

? розробка математичної моделі вібраційного поля динамічної системи “верстат - пруткові заготовки” з врахуванням розподіленості параметрів обертових заготовок та випадкових умов їх опирання в блоці напрямних труб і в шпинделях токарного багатошпиндельного автомата;

? експериментальне визначення пружно - дисипативних властивостей заготовок та параметрів їх вібрації у взаємозв’язку із загальними показниками точності обробки типових деталей;

? математичне моделювання віброакустичних процесів і порівняння їх з результатами експериментальних вимірів спектральних характеристик віброакустичних параметрів верстата та визначення на даній основі головних причин шуму і вібрацій токарних багатошпиндельних автоматів;

? розробка рекомендацій по підвищенню віброакустичних характеристик токарних багатошпиндельних автоматів шляхом зниження шуму і вібрацій, зокрема спеціальним конструктивним виконанням вузлів опирання заготовок у блоці напрямних труб.

Об’єктом дослідження є металорізальні верстати, зокрема токарні пруткові багатошпиндельні автомати як динамічна система, яка визначає їх віброакустичні характеристики.

Предметом дослідження є віброакустичні процеси в динамічній системі “напрямні труби-шпиндельний барабан” токарного багатошпиндель-ного автомата та їх взаємозв’язок із показниками рівня шуму та вібрацій верстата.

Методи дослідження. У роботі використовувалися методи теорії коливань, математичного моделювання динамічних коливальних процесів, методи аналізу і синтезу випадкових величин та випадкових процесів, спектральний аналіз віброакустичних процесів.

Наукова новизна одержаних результатів.

Уперше в практиці дослідження динаміки верстатів експериментально визначені кількісні параметри коливань заготовки шляхом застосування оригінальних, розроблених автором, оптичних безконтактних вимірів та комп’ютерної обробки їх результатів.

Розроблена принципово нова стохастична математична модель динамічної системи верстата, яка об’єднує моделі підсистем у розподілених (пруткової заготовки) та в зосереджених параметрах (шпиндель, блок напрямних труб), що дало можливість виконати комплексний аналіз випадкових динамічних коливальних процесів і на цій основі поліпшити віброакустичні характеристики верстатів шляхом зниження шуму та вібрацій.

Уперше встановлено взаємозв’язок нелінійних пружно-дисипативних характеристик верстатів із заданими показниками точності та параметрами вібраційного поля динамічної системи токарного багатошпиндельного автомата.

Обґрунтовано основні положення теорії проектування пристроїв зниження інтенсивності коливань заготовок у блоці напрямних труб, які забезпечують зниження динамічних навантажень на систему “напрямні труби-шпиндельний барабан”, а відповідно зменшують шуми і вібрації при роботі верстата.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці комплексу пристосувань, що дозволяють визначити параметри коливань заготовки оптичними безконтактними методами, та алгоритмічного забезпечення для комп’ютерної обробки результатів вимірів. Розроблено і адаптовано до конкретного об’єкта - пруткового токарного багатошпин-дельного автомата розрахунковий комплекс для поліпшення віброакустичних характеристик верстата шляхом зниження шуму і вібрацій.

Розроблено рекомендації щодо підвищення віброакустичних характеристик багатошпиндельних токарних автоматів. Обґрунтовано ряд конструктивних схем базових вузлів токарного багатошпиндельного автомата які дозволяють суттєво знизити рівень шуму та вібрації верстата. Результати роботи впроваджені на ВАТ „Червона зірка” (м. Кіровоград).

Особистий внесок здобувача полягає у розробці методики проведення досліджень. Здобувачем побудовано математичну модель динамічної системи заготовки, розміщеної в шпинделі верстата і напрямних трубах, проведено теоретичні та експериментальні дослідження вібраційного поля токарного багатошпиндельного автомата. Розроблено рекомендації по зниженню вібрацій металорізальних верстатів. Під науковим керівництвом д.т.н., проф. В.Б.Струтинського виконано постановку задач, аналіз їх технічного і математичного змісту та отриманих результатів.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались і дістали позитивну оцінку на ІV Міжнародній конференції “Прогресивна техніка і технології -2003” 28 червня –2 липня 2003 р., м. Севастополь; ІХ Міжнародній конференції “Гідроаеромеханіка в інженерній практиці” 2-5 червня 2005 р., м. Київ; міжнародній науково-технічній конференції “Промислова гідравліка і пневматика”, присвяченій 100-річчю з дня народження Т.М. Башти, 17-18 лютого 2004 р., м. Київ; І Міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування та металообробка-2003”, 17-19 квітня 2003 року м. Кіровоград; Х Міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивна техніка і технології-2004”, 24 червня - 28 червня 2004 р., м. Севастополь; V Міжнародній науково-технічній конференції “Вібрації в техніці та технологіях”, 17-21 жовтня 2004 року м. Вінниця; ХХХУІ науковій конференції викладачів, аспірантів та співробітників Кіровоградського національного технічного університету, 21 квітня 2005 р.; VI науково-технічній конференції АС ПГП “Промислова гідравліка і пневматика”, 17-18 листопада 2005 р, м. Львів.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 4 статті у фахових виданнях ВАК України та 1тези доповідей.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел та додатку. Робота містить 182 сторінки, в тому числі 100 рисунків, 3 таблиці і додаток на 2 сторінках. Список літератури складається зі 154 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи, визначена мета, сформульовані задачі дослідження, показано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, наведено відомості про апробацію, публікації та структуру дисертації.

У першому розділі виконано огляд проблеми з теми дисертації, здійснено обґрунтування актуальності мети і задач досліджень. У фундамен-тальних наукових працях багатьох вчених знайшли відображення результати досліджень різних металорізальних верстатів, зокрема токарних багато-шпиндельних автоматів. Питання динаміки верстатів розглянуто в працях Кедрова З.З., Ковальова В.Д., Кудінова В.А., Волошина В.Н., Левіна А.І., Мельничука П.П., Оборського Г.О., Орлікова М.Л., Струтинського В.Б та інших. З аналізу літературних джерел встановлено, що поліпшення вібро-акустичних характеристик токарних пруткових автоматів є актуальним питанням. Його значення зростає у зв’язку з широким використанням верстатів, які пройшли капітальний ремонт. Основним напрямком досліджень вибрано вдосконалення верстатів шляхом зниження інтенсивності віброакустичних процесів, що в них протікають.

У другому розділі викладена методика досліджень. Методика охоплює експериментальні і теоретичні дослідження основних статичних і динамічних характеристик токарного багатошпиндельного автомата.

Статичні характеристики деформа-тив-ності шпиндельного вузла визначалися при навантаженні заготовки в характерних точках спеціальним пристроєм (рис. 1). Основою методики є теоретично-експериментальне визначення деформацій заготовки та шпиндельного вузла верстата. При навантаженні заготовки її деформації в різних точках є взаємнозв’язаними і однозначно залежать від ряду силових факторів, що діють на заготовку. Мірою статичних і динамічних силових факторів, які діють на заготовку, є геометричні зміщення заготовки в певних точках. Задаючи або вимірюючи переміщення заготовки в характерних точках, можна виключити силові фактори з розгляду і вважати заготовку й силовий вузол не навантаженими.

Запропонована спеціальна методика визначення вібраційного поля заготовки оптичним методом. Методика полягає у фотографічній фіксації світлової плями, яка утворена джерелом світла, встановленим на рухомій заготовці. Обертова пляма має конфігурацію, яка відповідає обертовому руху і коливанням прутка (рис. 2). За формою і розмірами світлової плями визначалися параметри коливань, а, відповідно, і параметри вібраційного поля верстата.

а б

Рис. 2. Схема переміщення світлової плями під час руху заготовки: а-при коливальному переміщенні центра заготовки; б- при обертальному русі центра заготовки.

У третьому розділі розроблено математичну модель динамічної системи верстата. Розглянуті в комплексі динамічні коливальні системи кожної із шести заготовок (рис. 3).

Рис. 3. Схема опирання заготовок у токарному багатошпиндельному автоматі: 1- шпиндельний барабан; 2 - шпиндель; 3 - заготовка; 4 - вал; 5 -направляюча труба; 6 - хвильова пружина; 7,8,9 - опорні кільця.

Рис. 4. Розрахункові схеми коливальних систем заготовки із врахуванням розподіленості параметрів по довжині: а-варіант підтримки заготовки з лівого краю; б-консольний варіант опирання заготовки із введеною фіктивною опорою.

Рис. 5. Структурна схема (а), яка визначає переміщення окремого перерізу заготовки при дії поперечних сил і моментів; формування структурної схеми у вигляді одного блока (б); врахування дії відцентрових сил на заготовку введенням зворотного зв’язку (в).

Показано, що по мірі зменшення довжини прутка змінюється схема його опирання. Загалом мають місце дві схеми опирання – консольна і безконсольна (рис. 4).

Розроблено математичну модель коливальних процесів у динамічних системах заготовок із врахуванням розподіленності маси прутка по довжині. Модель охоплює всі можливі схеми консольного і безконсольного опирання заготовок. Вона подана у вигляді нескінченого набору трансформуючих функцій, які описують всі форми коливань заготовки із врахуванням розподіленності параметрів.

Трансформуючі функції, які описують переміщення заготовки під дією окремого силового фактора, мають вигляд:

,

де - безрозмірний коефіцієнт, який визначає інтенсивність затухання коливань, що відповідають кожній і-й формі коливань заготовки. Значення цього параметра для пруткових заготовок знаходиться в межах = 0,05…0,1, причому параметр затухання має тенденції росту із підвищенням номера форми коливань.

Розглянуто всі незалежні геометричні і силові фактори, які здійснюють збурюючу дію на динамічну систему заготовки. Незалежні параметри формують вихід моделі по адитивній схемі (рис. 5 а і б). Силові фактори, що залежать від поперечних коливань заготовки (відцентрові сили) визначено шляхом введення місцевих зворотних зв’язків (див. рис. 5в).

Динамічна система заготовки на двох опорах є статично-невизначеною. Невідомим є момент защемлення заготовки в цанговому патроні. Для його визначення математична модель має додатковий блок. У матрично-векторній формі математична модель має вигляд:

,

де компоненти матриці визначено залежностями:

.

Для варіанту заготовки із консоллю у якості залежного фактора додатково введено переміщення фіктивної опори яке задається таким чином, щоб її опорна реакція дорівнювала нулю. При цьому математичну модель переміщення фіктивної опори подано у наступному матрично-векторному вигляді:

,

де компоненти матриці обчислюються згідно з виразом:

,.

Частинні похідні трансформуючих функцій знайдено шляхом диференціювання відповідних залежностей по довжині пруткової заготовки.

Одержана матрично - векторна залежність дає можливість виключити опорну реакцію фіктивної опори, яка введена на лівому краю заготовки. При цьому блок-схема загальної математичної моделі коливань заготовки із консольною частиною набуває розімкнутого вигляду (рис. 6).

Рис. 6. Блок-схема математичної моделі заготовки із консольною частиною.

Розроблена математична модель є загальною і дозволяє моделювати динамічні процеси в заготовці при різних схемах її опирання.

У четвертому розділі викладено результати експериментальних і теоретичних досліджень вібраційного поля токарного багатошпиндельного автомата. При знакозмінному навантаженні визначено нелінійні пружно-дисипативні характеристики вузла закріплення заготовки, які мають гістерезисний характер.

У результаті статистичної обробки знайдені характеристики випадкових значень положення деталі в зоні різання при циклічних змінах навантаження на заготовку в області напрямних труб. Закони розподілу випадкових положень заготовки близькі до рівномірних (рис. 8).

Теоретичні дослідження вібраційного поля заготовки виконані за допомогою розробленої математичної моделі. Знайдені динамічні характеристики системи заготовки - амплітудо-частотні (рис. 9) та фазо-частотні характеристики, визначені для переміщень у різних перерізах.

Набір частотних характеристик описує вібраційне поле заготовки як системи з розподіленими параметрами. На основі частотних характеристик визначені параметри випадкових коливань кожного перерізу заготовки, віброшвидкості та віброприскорення перерізів (рис. 10). Зниження жорсткості хвильових пружин, встановлених у напрямних трубах, приводить до значного зниження інтенсивності коливань пруткової заготовки.

Рис. 7. Випадкові переміщення заготовки в зоні різання при циклічній дії на заготовку поперечної збурюючої сили в області напрямних труб.

а)

б) в)

Рис. 8. Нормовані гістограми випадкового положення прутка в робочому просторі верстата: а- положення заготовки без навантаження; б – положення заготовки при дії періодичної поперечної сили Р=+200 Н; в- положення заготовки при дії поперечної сили Р=-200 Н.

Рис. 9. Теоретично визначена амплітудно-частотна характеристика переміщення перерізу пруткової заготовки при вхідній гармонічній дії у вигляді сили різання.

Рис. 10. Поперечні переміщення (а) та віброшвидкості (б) поперечних коливань окремого перерізу заготовки, розташованого на відстані 0,3 м від патрона.

Рис. 11. Зміни в часі пружної лінії заготовки при дії випадкових збурень в динамічній системі верстата.

У результаті розрахунків знайдені континуальні стохастичні поля кінематичних параметрів вібрацій заготовок (рис. 11).

Експериментальні дослідження вібраційного поля заготовки виконані оптичними методами за розробленою методикою. На фотографії фіксувались світлові плями у вигляді кілець криволінійної форми (рис. 12).

По фотографії знайдені точкові значення середньої лінії кожного кільця в полярній системі коор-динат. Точкові значення згладжені за до-помогою кубічних сплайнів при комп’ютерній обробці одержа-них екс-периментальних даних. У резуль-таті одер-жано аналітичний опис форми середньої лінії кільця (рис. 13) та відповідні перемі-щення центра заго-товки (рис. 14).

Дані залежності характери-зу-ють низькочастотні коливання за-го-товки. До них застосовані мето-ди спект-рального аналізу. Повний спектраль-ний аналіз переміщення заготовки по-казав, що суттєвими складовими низь-ко-частотних ко-ли-вань заготовки є гар-моніки з частотами 2, 4, 6, 8, 10, 12 Гц (рис. 15).

Рис. 15. Спектр амплітуд експериментально визначених по центральній лінії світлового кільця низькочастотних коливань перерізу заготовки.

Високочастотні коливання заготовки приводять до зміни ширини світлового кільця. Встановлено, що високочастотні коливання заготовки визначаються процесом із „биттям”, складеним із двох синусоїд близьких періодів. Переміщення випромінювача в межах світлового кільця має характерний вигляд (рис. 16), що відповідає складному поперечному руху центра заготовки (рис. 17).

Шляхом спеціальних вимірів досліджено загальні віброакустичні характеристики токарних багатошпиндельних автоматів. Підтверджено, що основними джерелами вібрацій є обертові заготовки, які опираються в напрямних трубах. Причинами вібрацій також є також механічні приводи верстата, зокрема привод головного руху. Аналіз джерел вібрації здійснено шляхом детального вивчення робочих процесів основних вузлів і агрегатів верстата. Встановлено основні причини вібрацій, зокрема це: - не-врівно-важеність деталей приводу головного руху верстата; -похибки статичного і динамічного балансування; - похибки форми деталей підшипників валів, зокрема хвилястість доріжок і тіл кочення, гранність тіл кочення; - похибки установки і монтажа підшипників кочення, пристроїв забезпечення натягів підшипників; - радіальні і осьові зазори в підшипниках; - деформації деталей опор, зокрема локальні, динамічні та термічні деформації; - зміни умов змащення в підшипниках.

Шляхом експериментальних вимірів одержано комплекс спектрограм вібрацій токарного багатошпиндельного автомата в діапазоні до 1000 Гц при різних режимах роботи верстата (рис. 17).

Рис. 17. Типовий неперервний спектр випадкових вібрацій токарного багатошпиндельного автомата.

В спектрах просліджуються головні резонанси на частотах 845 та 940 Гц. Дані резонанси мають місце при різних частотах обертання шпинделя. Це підтверджує, що дані збурення виникають в приводі головного руху. В результаті аналізу встановлено, що частоти 930...960 Гц відповідають вібраційним збуренням зубчастої передачі від вала І до вала ІІ та вібраційним збуренням в електродвигуні. Інтенсивність спектра вібрацій на частотах 940...950 Гц складає 71...75 дб.

В процесі виконання досліджень визначено середні рівні шуму і вібрацій окремих ділянок динамічної системи верстата і блока напрямних труб. Встановлено, що середній рівень вібрацій загалом сягає 84...86 дб в діапазоні частот 8...64 Гц. В діапазоні частот 64...2000 Гц загальний рівень вібрацій не перевершує 80 дб. В той же час рівень вібрацій корпуса (стійки) напрямної труби під час ударів заготовки значно перевищує середні значення. В окремих випадках зафіксовані значення загального рівня вібрацій 112 дб в частотному діапазоні 500...1000 Гц.

У п’ятому розділі наведені розроблені конструктивні рішення які забезпечують поліпшення віброакустичних характеристик багатошпиндельних пруткових автоматів. Конструктивні рішення направлені в основному на зниження інтенсивності вібрацій блока напрямних труб шляхом застосування демпфера крутильних коливань блока (рис. 18).

Рис. 18. Схема демпфування крутильних коливань блока направляючих труб за допомогою спеціального пристрою.

Рис. 19. Принципові схеми варіантів виконання демпферів крутильних коливань блока направляючих труб: а – демпфер фрикційного типу з притисканням колодки кулачковим приводом; б – демпфер з притисканням колодки за допомогою пружини.

Схемні рішення й конструктивні параметри демпфера вибрано з умови оптимального поглинання енергії коливань. Запропоновано ряд кулачкових демпферів, які забезпечують суттєве зниження інтенсивності коливань блока (рис. 19). Конструктивна схема розробленого демпфера наведена на рис. 20. Перевірка ефективності розроблених пристроїв виконана шляхом макетування на верстатах демпферів кулачкового типу (рис. 21).

Рис. 20. Конструктивна схема фрикційного демпфера з геометричним притиском колодки: 1 – важіль; 2 – вісь; 3 – сухар; 5 – пружна прокладка; 6 – накладка; 7 – циліндрична поверхня блока; 8 – фасонна поверхня блока; 9 – підшипник.

Рис. 21. Демпфер крутильних коливань, який встановлено на блоці направляючих труб токарного пруткового багатошпиндельного автомата.

а)

б)

Рис. 22. Спектри вібрацій токарного багатошпиндельного автомата при частоті обертання шпинделя 61 об/хв: а - серійного зразка; б - верстату з демпфером блока напрямних труб.

Проведено виміри спектрів віброакустичного сигналу верстату із макетом демпфера (рис. 22). Встановлено, що наявність демпфера приводить до зниження загального рівня шуму і вібрацій на 10...20 дб. Особливо суттєве зниження інтенсивності вібрацій має місце у високочастотній області.

ЗАГАЛЬНІ Висновки

1. Розроблені методи досліджень, які базуються на теоретично- експериментальному визначені пружно-дисипативних характеристик системи опирання і закріплення заготовки є ефективним засобом визначення параметрів динамічної системи верстата із врахуванням їх випадкових змін у процесі обробки деталей.

2. Запропоновані оптичні методи визначення вібраційних параметрів заготовки з подальшою комп’ютерною обробкою результатів дають можливість визначити кількісні і якісні особливості коливань заготовки під час роботи верстата. Використання оптичних методів досліджень підтвердило їх високу ефективність, надійність та інформативність.

3. Розроблена математична модель динамічної системи заготовки, яка включає динамічні підсистеми із розподіленими та зосередженими параметрами дає можливість врахувати наявність статично невизначених різноманітних схем опирання заготовки, які ґрупуються в залежності від довжини заготовки. В кожній групі виникнення відповідної схеми опирання визначається закономірностями випадкового характеру.

4. На основі експериментально визначених пружно-дисипативних характеристик системи опирання та закріплення пруткової заготовки встановлено, що її переміщення приводять до випадкових змін положення оброблюваної деталі. Закони розподілу значень випадкового положення деталі є близькими до рівномірних з діапазоном зміни положення шпинделя в зоні різання 2…3 мкм.

5. У результаті теоретичних досліджень вібраційного поля системи шпиндель-заготовка встановлено, що розрахункові резонансні частоти динаміч-ної системи визначаються в основному пружно-інерційними параметрами прутка і умовами його опирання та складають 8,8; 35,3; 79,4; 141,3; 220,8; 317,9 Гц. Випадкові вібраційні переміщення в динамічній системі верстата мають максимуми на частотах близьких до резонансних. Інтенсивність резонансних піків, в основному, залежить від жорсткості хвильових пружин і зменшується в 3…5 разів при зменшенні жорсткості пружин у 2 рази.

6. На основі визначення параметрів коливань пруткової заготовки безконтактними оптичними методами встановлено, що заготовка в процесі обертання здійснює інтенсивні поперечні коливання, амплітуда яких в середній частині прутка сягає 10мм. Поперечні коливання мають дві якісно відмінні складові низькочастотну і високочастотну. Спектр низькочастотної складової включає чотири суттєві гармоніки, частоти яких кратні частоті обертання заготовки (2 Гц). Високочастотна складова коливань заготовки відповідає коливальному процесу з “биттям” і складається із двох гармонік з близькими періодами, причому частоти цих гармонік (близько 9 Гц) наближено дорівнюють частоті першої (основної) форми поперечних коливань заготовки як балки з розподіленими параметрами.

7. На основі визначення спектральних характеристик віброакутстичних параметрів верстата встановлено, що основними джерелами віброакустичних збурень є обертові вали в приводі головного руху і в механізмах періодичної дії. Експериментальні спектрограми віброакустичних параметрів у діапазоні до 1000 Гц мають 50..80 резонансних піків, головні з яких мають місце на частотах 845; 940 Гц. Дані частоти відповідають збуренням, що виникають у зубчатій передачі між валом І і валом ІІ в приводі головного руху. Інтенсивність резонансних піків сягає 70..75 дб.

8. Для суттєвого поліпшення експлуатаційних та ергономічних параметрів токарного багатошпиндельного автомата шляхом зниження шуму і вібрацій необхідно здійснити ряд конструктивних заходів, які зменшують ударні навантаження в механізмах верстата. Суттєве зниження рівня шуму і вібрацій досягається активним демпфуванням крутильних коливань блока напрямних труб. Параметри демпфера вибираються на основі встановлених раціональних співвідношень. Для зменшення ударних навантажень вводяться спеціальні безлюфтові пристрої механізму фіксації блока напрямних труб.

Список робіт, опублікованих за темою дисертації

1. Кропівна (Алексєєва) А.В. Вибір параметрів спеціальних пристроїв демпфування коливань блока прямих труб токарного багатошпиндельного автомата // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. – Вип. 14. – Кіровоград: КНТУ, 2004. – С. 143-160.

2. Струтинський В.Б., Кропівна (Алексєєва) А.В. Визначення випадкових статичних гістерезисних властивостей вузла закріплення заготовки в токарному верстаті // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. – Вип. № 18. – Кіровоград: КНТУ, 2005. – С. 63-72. Здобувачем проведено експериментальне дослідження положення прутка в патроні при дії циклічного навантаження, встановлено закон розподілу ймовірності певного положення заготовки.

3. Струтинський В.Б., Кропівна (Алексєєва) А.В. Математична модель вібраційного поля довгомірної маложорсткої заготовки при обробці деталей токарним автоматом // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. – Вип. № 12. Кіровоград, 2003. –
С. 29-41. Здобувачем виконана постановка задачі, розроблено розрахункові схеми та рівняння для визначення трансформуючих функцій математичної моделі, розроблено математичну модель вібраційного поля прутка.

4. Струтинський В.Б., Даниленко О.В., Колот О.В., Дем’яненко С.К., Кропівна (Алексєєва) А.В. Аналіз точності токарного верстата методами спектрального аналізу форми обробленої поверхні // Вестник НТУУ “КПИ”. Машиностроение, № 43. – Т.1. – Киев, 2002. – С. 86-88. Здобувачем розроблено методи спектрального аналізу форми обробленої поверхні.

5. Струтинський В.Б., Кропівна (Алексєєва) А.В. Математична модель вібраційного поля довгомірної маложорсткої заготовки при обробці деталей токарним автоматом. // Тези доповідей Першої Міжнародної науково-технічної конференції “Машинобудування та металообробка-2003”. – Кіровоград: КДТУ, 2003. – С. 220-222. Здобувачем розроблено розрахункові схеми та рівняння для визначення трансформуючих функцій математичної моделі вібраційного поля прутка.

Анотація

Кропівна А. В. Поліпшення віброакустичних характеристик системи “напрямні труби - шпиндельний барабан” багатошпиндельних пруткових автоматів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 „Процеси механічної обробки, верстати та інструменти”, Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут”. Київ – 2006.

Дисертація присвячена підвищенню експлуатаційних характеристик токарних багатошпиндельних автоматів шляхом зниження віброакустичних параметрів системи “напрямні труби - шпиндельний барабан”. Розроблено спеціальну методику визначення параметрів вібрацій оптичним методом. Розроблена математична модель динамічної системи прутка, яка враховує розподіленність маси по довжині та різні схеми опирання заготовки. Досліджено пружно-дисипативні властивості вузла закріплення заготовки. Знайдено власні частоти і форми коливань заготовки із врахуванням умов її опирання, визначено особливості вібрацій заготовки в низькочастотній та високочастотній областях. Визначено основні джерела шуму і вібрацій та їх кількісні характеристики.

На основі проведених досліджень розроблені рекомендації щодо поліпшення віброакустичних характеристик пруткових багатошпиндельних автоматів, які включають режимні засоби боротьби з шумом і вібраціями та виконання розробок спеціальних пристроїв для зниження рівня вібрацій в динамічній системі верстата.

Ключові слова: токарні автомати, напрямні труби, шпиндельний барабан, віброакустичні характеристики, математачна модель.

Аннотация

Кропивная А. В. Улучшение виброакустических характеристик системы “направляющие трубы - шпиндельный барабан” многошпиндельных прутковых автоматов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 „Процессы механической обработки, станки и инструменты”, Национальный технический университет Украины „Киевский политехнический институт”. Киев – 2006.

Диссертация посвящена повышению эксплуатационных характеристик токарных многошпиндельных автоматов путем снижения виброакустических параметров системы “направляющие трубы - шпиндельный барабан”. Разработана специальная методика определения параметров вибраций прутка оптическим методом. По форме и размерам светового пятна определялись параметры вибрационного поля станка. Разработана методика теоретико-экпериментального определения статических характеристик деформативности шпиндельного узла путем нагружения заготовки и измерения ее перемещений в характерных точках.

Розработана математическая модель динамической системы вращающейся заготовки, которая учитывает распределенность массы по длине и разные схемы опирания заготовки. Заготовка рассматривается как упруго-диссипативная статически неопределимая система на которую действуют силовые факторы, зависящие от динамических перемещений заготовки. В математической модели указанные силовые факторы учтены путем введения местных обратных связей по соответствующим параметрам динамических перемещений заготовки. Исследованы упруго-диссипативные свойства узла закрепления заготовки с учетом случайных изменений его характеристики. Определены динамические свойства системы вращающейся заготовки, найдены собственные частоты и формы колебаний прутка с учетом условий его опирания. Установлены особенности вибрации заготовок в низкочастотной и высокочастотной областях. Показано, что основными источниками вибраций являются вращающиеся заготовки, которые опираются в направляющих трубах.

В результате комплекса экспериментальных исследований получены спектральные характеристики виброакустических параметров станка. Определены основные источники шума и вибраций, а также их количественные характеристики. Показано, что основными источниками вибраций являются вращающиеся заготовки, которые опираются в направляющих трубах. Исследования дополнены измерениями усредненных показателей шума и вибраций в разных точках рабочего пространства станка.

Обосновано основные положения теории проектирования устройств, обеспечивающих снижение интенсивности колебаний заготовок в блоке направляющих труб. На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по улучшению виброакустических характеристик прутковых многошпиндельных автоматов, которые включают режимные средства борьбы с шумом и вибрациями и выполнение разработок специальных приспособлений для снижения уровня вибраций в динамической системе станка. Предложены схемные и конструктивные решения специальных приспособлений для снижения колебаний блока направляющих труб. Результаты работы внедрены на ВАТ “Красная звезда” (г. Кировоград).

Ключевые слова: токарные автоматы, направляющие трубы, шпиндельный барабан, виброакустические характеристики, математическая модель.

ANNOTETION

Kropivna А. V. Improvement of vibroacoustic characteristics for a “way tubing- spindle carrier” system of multi-spindle rod automats. -Manuscript.

Dissertanion on compatition of graduate degree of candidate of engineering sciences of specialty 05.03.01 “Processes of tooling, machine-tools and instruments”, the National technical university of Ukraine “Kiev politechnic institute”, Kiev, 2006.

The dissertation is devoted to improvement of operational and ecological performance of multi-spindle automatic lathes by means of reducing vibroacoustic characteristics for a “ way tubing- spindle carrier” system. There has been developed a technique of determining rod vibration parameters by optical method. There has been developed a mathematical model of a rotating blank dynamic system. This model takes into account lengthwise weight distribution and different patterns of blank fixing. There have been studied properties of blank fixing unit.

There have been found proper frequency and rod oscillation forms taking into account conditions of rod fixing. There have been determined main noise and vibration sources , as well as their specification of quantity. There have been worked out recommendations intended to improve vibroacoustic characteristics
of multispindle rod automats.

Key words. Rod automats, way tubing, spindle carrier, vibroacoustic characteristics, mathematical model.