Поліпшення віброакустичних характеристик системи "напрямні труби-шпиндельний барабан" багатошпиндельних пруткових автоматів - Автореферат

Національний технічний університет УкраїниРобота 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. 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. З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м.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. 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. Виконані дослідження повязані 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”. Розроблена принципово нова стохастична математична модель динамічної системи верстата, яка обєднує 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.При навантаженні заготовки її деформації в різних точках є взаємнозвязаними 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. 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 x-безрозмірний коефіцієнт, який визначає інтенсивність затухання коливань, що відповідають кожній і-й формі коливань заготовки.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. Запропоновані оптичні методи визначення вібраційних параметрів заготовки з подальшою компютерною обробкою результатів дають можливість визначити кількісні і якісні особливості коливань заготовки під час роботи верстата. 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. У результаті теоретичних досліджень вібраційного поля системи шпиндель-заготовка встановлено, що розрахункові резонансні частоти динамічної 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. 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.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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 компютерною 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 динамічної 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.

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. -

4. С. 29-41. Здобувачем виконана постановка задачі, розроблено розрахункові схеми та рівняння для визначення трансформуючих функцій математичної моделі, розроблено математичну модель вібраційного поля прутка.

5. Струтинський В.Б., Даниленко О.В., Колот О.В., Демяненко 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.

6. 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.