Проблемы машиностроения и надежности машин, 2020, № 3, стр. 94-101
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ МАШИННОГО ПИЛЬНОГО АГРЕГАТА
Д. М. Мухаммадиев 1, *, Ф. Х. Ибрагимов 1, Т. Д. Мухаммадиев 1
1 Институт механики и сейсмостойкости сооружений им. М.Т. Уразбаева АН РУз
Ташкент, Узбекистан
* E-mail: davlat_mm@mail.ru
Поступила в редакцию 21.07.2018
Принята к публикации 31.01.2020
Аннотация
В статье рассмотрены динамические характеристики пильного джина как подсистемы с сосредоточенными и распределенными параметрами. На основе изучения машинного агрегата построены графики, позволившие установить максимальные значения угла относительного поворота и угла поворота вала пильного цилиндра при кручении.
1. Анализ современного состояния рассматриваемой проблемы. Изучение машин в виде машинных агрегатов позволяет более точно оценить динамические процессы, происходящие в системе привод–передаточный–исполнительный механизм под действием технологических нагрузок [1].
В работе [2] разработана динамическая модель машинного агрегата, включающего рабочий орган, электропривод и упруго-диссипативную муфту. Составлена математическая модель машинного агрегата. Реализация модели в компьютерной программе позволяет выполнить компьютерный эксперимент при варьировании механических параметров динамической системы, обосновать энергосберегающие параметры и режимы функционирования машинных агрегатов.
В работе Н.В. Лощинина [3] выводится дифференциальное уравнение движения машинного агрегата с вариатором при передаточном отношении ω1/ω2 = i(t, ω2), зависящем от времени t и угловой скорости ω2 ведомого вала вариатора. Составлены соответствующие формулы и выявлен динамический смысл для определенных обобщенных параметров агрегата: момента инерции агрегата, движущего момента, а также суммарного момента движущих сил и сил полезного сопротивления, приведенных к ведомому валу вариатора.
Авторы [4] теоретически исследовали многомассовые крутильные системы, сопряженные с большим объемом вычислений. В [4] рассматриваются теоретические вопросы свободных и вынужденных многомассовых крутильных колебаний при наличии зазоров в системах машин.
Согласно [5], правильный выбор параметров электропривода служит – необходимым условием высокопроизводительной и экономичной работы машинного агрегата. При динамическом синтезе электропривода предложено определять не только момент инерции маховой массы, но и передаточное отношение передаточного механизма из условия обеспечения максимального КПД двигателя и возможности запуска привода. В соответствии с предложенной методикой проведен динамический анализ и рассмотрен синтез плунжерного насоса.
В статье Ю.С. Корнеева и др. [6] о машинном агрегате с пускозащитной муфтой определено время разгона ведомой полумуфты вместе с технологической машиной.
В работе [7] предложен систематический подход при моделировании машинных агрегатов. Установлено отсутствие общего согласия относительно определения, структуры и классификации подсистем машинных агрегатов. Изложены общие принципы моделирования машинных агрегатов. Показано, что машинный агрегат обрабатывается как полная интеграция электронной подсистемы управления, подсистемы электропривода и механической рабочей подсистемы.
И.И. Вульфсоном [8] проанализированы некоторые неисследованные факторы, влияющие на колебания в приводах машин с цикловыми механизмами при учете характеристик электродвигателя. Предложена инженерная методика расчета подобных систем, базирующаяся на применении матриц перехода, хорошо приспособленных к компьютерным процедурам. Выявлен специфический эффект, связанный с высокой эквивалентной “податливостью” двигателя и изменением приведенных инерционных и упруго-диссипативных характеристик привода. Показана эффективность реализации условий квазистационарности при оптимизации параметров.
В монографиях [9, 10] изложены современные методы расчета колебаний машин, включая механизмы циклового действия (рычажные, кулачковые, шаговые и т.п.). Приведены приемы схематизации и корректного математического описания колебательных систем при учете переменности параметров и нелинейностей, в частности, составление системы дифференциальных уравнений для динамических моделей механизмов, включающих элементы с распределенными параметрами. Для снижения трудоемкости расчета предложена менее идеализированная расчетная схема, в которой соответствующий элемент отображается в виде подсистемы с распределенными параметрами.
Н.С. Пискуновым [11], составлено уравнение крутильных колебаний однородного цилиндрического стержня в виде уравнения Лапласа.
В работах [12, 13] установлено, что неравномерное вращение пильного цилиндра может ухудшить процесс джинирования и повредить волокна. В статье [14] с использованием уравнения Лагранжа II рода составлено уравнение движения машинного агрегата 156-пильного цилиндра джина для определения закона изменения частоты и неравномерности вращения ротора электродвигателя и пильного цилиндра в зависимости от упруго-диссипативных параметров муфты, момента инерции электродвигателя, момента инерции и сопротивления пильного цилиндра при различных их значениях.
Значение величины кратности пускового момента относительно номинального составляет 1.5–6. Но для использованного нами асинхронного электродвигателя оно равно 2 [15]. Из этого следует, что максимальная нагрузка на электродвигатель приходит в момент пуска.
2. Обоснование актуальности рассматриваемой проблемы. В настоящей статье изучается динамика пуска электродвигателя и крутильных колебаний вала пильного цилиндра джина с сосредоточенными и распределенными параметрами, который характеризуется достаточно большой длиной и обладает немалой податливостью.
3. Постановка задачи. Для изучения динамических характеристик рассчитаем систему, состоящую из подсистем с сосредоточенными и распределенными параметрами. Математическую модель первой подсистемы составим, согласно материалам работ [12–14], второй подсистемы – по материалам [8–11].
4. Изложение существа решения задачи, проблемы.
4.1. Подсистема машинного агрегата с сосредоточенными параметрами. Как следует из динамической модели пильного цилиндра (ПЦ) (рис. 1), угловое перемещение электродвигателя (Д) через муфту передается длинному валу ПЦ, крутильные колебания которого могут оказаться довольно существенными.
В принятой динамической модели пильного цилиндра (рис. 1) использованы следующие условные обозначения: ${{\Im }_{d}}$, ${{\Im }_{2}}$ – сосредоточенные моменты инерции электродвигателя и пильного цилиндра, кг м2; $\Im $ – распределенный момент инерции вала пильного цилиндра и жестко связанных с ним деталей, кг⋅м2; с, в – коэффициенты жесткости (Н м/рад) и диссипации (Н м с/рад) муфты; φd, φ2(х) – абсолютные координаты соответствующих сечений, рад; Q(x) – распределенная обобщенная сила, приложенная к валу пильного цилиндра.
В качестве обобщенных координат примем φd и φ2(х). Сечением х = 0 разделим динамическую модель (рис. 1) на подсистемы с сосредоточенными и распределенными параметрами.
В указанном сечении к отсеченным частям следует приложить два реактивных момента М– и М+, которые равны по величине и противоположны по направлению, т.е. М+ = –М– (рис. 2).
Во избежание возможных ошибок при выборе знака реактивного момента целесообразно руководствоваться следующим правилом: реактивный момент на “выходе” элемента (рис. 2, справа) считается положительным, если его направление совпадает с выбранным положительным направлением отсчета углов φ2(х); для реактивного момента на “входе” элемента (рис. 2, слева) правило знаков обратное.
Подставив определенные члены в уравнения Лагранжа, получим дифференциальные уравнения движения машинного агрегата пильного цилиндра в общем виде
(1)
$\left. \begin{gathered} {{\Im }_{d}}{{{\ddot {\varphi }}}_{d}} = {{M}_{d}} - c({{\varphi }_{d}} - i{{\varphi }_{2}}) - в({{{\dot {\varphi }}}_{d}} - i{{{\dot {\varphi }}}_{2}}) \hfill \\ {{\Im }_{2}}{{{\ddot {\varphi }}}_{2}} = ci({{\varphi }_{d}} - i{{\varphi }_{2}}) + вi({{{\dot {\varphi }}}_{d}} - i{{{\dot {\varphi }}}_{2}}) - M \hfill \\ \end{gathered} \right\},$При исследовании машинных агрегатов важно правильно выбрать характеристики двигателя. В настоящее время используются статическая, линеаризованная динамическая, уточненная динамическая и механическая динамическая характеристики асинхронных электродвигателей. Одним из наиболее перспективных направлений является приближенное рассмотрение электромагнитных переходных процессов, протекающих в двигателе, и их математическое описание системой дифференциальных уравнений. Поэтому при исследовании динамических параметров ПЦ мы использовали динамическую механическую характеристику асинхронного электродвигателя. Эта характеристика учитывает, как электромагнитные переходные процессы пуска, так и установившееся движение, описываемое системой дифференциальных уравнений, содержащих составляющие вектора потокосцеплений статора и ротора при синхронной скорости вращения осей координат, и имеет вид [12–14]
(2)
$\left. \begin{gathered} {{M}_{D}} = 3P{{K}_{r}}{{\omega }_{o}}\left( {{{\psi }_{{X2}}}{{\psi }_{{Y1}}} - {{\psi }_{{X1}}}{{\psi }_{{Y2}}}} \right){\text{/}}2\sigma {{x}_{S}} \hfill \\ {{{\dot {\psi }}}_{{X1}}} = {{U}_{m}}\cos \gamma - {{\omega }_{o}}\alpha _{S}^{'}{{\psi }_{{X1}}} + {{\omega }_{o}}\alpha _{S}^{'}{{K}_{r}}{{\psi }_{{X2}}} + {{\omega }_{o}}{{\psi }_{{Y1}}} \hfill \\ {{{\dot {\psi }}}_{{Y1}}} = {{U}_{m}}\sin \gamma - {{\omega }_{o}}\alpha _{S}^{'}{{\psi }_{{Y1}}} + {{\omega }_{o}}\alpha _{S}^{'}{{K}_{r}}{{\psi }_{{Y2}}} - {{\omega }_{o}}{{\psi }_{{X1}}} \hfill \\ {{{\dot {\psi }}}_{{X2}}} = - {{\omega }_{o}}\alpha _{r}^{'}{{\psi }_{{X2}}} + {{\omega }_{o}}\alpha _{r}^{'}{{K}_{S}}{{\psi }_{{X1}}} + {{\omega }_{o}}{{\psi }_{{Y2}}} - {{\varphi }_{D}}{{\psi }_{{Y2}}} \hfill \\ {{{\dot {\psi }}}_{{Y2}}} = - {{\omega }_{o}}\alpha _{r}^{'}{{\psi }_{{Y2}}} + {{\omega }_{o}}\alpha _{r}^{'}{{K}_{S}}{{\psi }_{{Y1}}} - {{\omega }_{o}}{{\psi }_{{X2}}} + {{\varphi }_{D}}{{\psi }_{{X2}}} \hfill \\ \end{gathered} \right\},$Далее определяем паспортные параметры и коэффициенты асинхронного двигателя 4А280М8УЗ [12, 13, 15]: ND = 75 кВт; nD = 735 об./мин; MK = 1948.8 Н·м; МН = MDK/2 = = 974.4 Н м; ${{f}_{C}}$ = 50 Гц; Um = 220 B; η = 0.925; cosφ = 0.85; ω0 = 78.54 c–1; ωн = 76.97 c–1; Sн = 0.02; SK = 0.07464; Р = 4; IDн.ф. = 144.53 А; ${{\Im }_{D}}$ = 4.20 кг м2; KS = хμ/αS= 0.956; Kr = = хμ/αr= 0.952; xμ= 3.957 Ом; r1= 0.043 Ом; r2= 0.032 Ом; αS= r1/xS = 0.0103; $\alpha _{S}^{'}$ = = αS/σ = 0.115; αr= r2/xr = 0.0077; $\alpha _{r}^{'}$ = αr/σ = 0.0858; σ = 1 – KSKr = 0.0896; хS = хμ+ х1= = 4.14 Ом; хr = хμ+ х2= 4.155 Ом; x1= 0.1826 Ом; x2= 0.1979 Ом.
Для исследования машинного агрегата пильного цилиндра джина 5ДП-156 были экспериментально определены момент инерции пильного цилиндра методом разгона ${{\Im }_{2}}$ = 1.244 кг м2, технологическая нагрузка, действующая на вращающийся вал пильного цилиндра M = Мср+ М0 sin(πω2t + φ20) (здесь Мср= 843.72 Н м; М0= 78.78 Н м; ω2 = π × 735/30 рад/с; t – время; φ20 – начальная фаза) и далее расчетным путем установлена жесткость c = 23065.2 Н м/рад и коэффициент диссипации в = 128.5346 Н м с/рад муфты [12, 13].
Для изучения на ЭВМ динамики пуска электродвигателя и крутильных колебаний вала пильного цилиндра с сосредоточенными параметрами решены уравнения движения машинного агрегата пильного цилиндра (1) с характеристикой приводного двигателя (2). Использован численный метод Рунге–Кутта для дифференциального уравнения второго порядка S = d2φ/dt2 = F(t, φ, φ'), имеющий погрешность Δt4.
Реализация уравнений движения машинного агрегата пильного цилиндра (1) с характеристикой приводного двигателя (2) позволила установить закономерность изменения углового ускорения пильного цилиндра в зависимости от t (рис. 3, 4).
Как показывают результаты анализа рис. 3, критический движущий момент электродвигателя составляет 40 000 Н м, переходный процесс протекает в течение 3 с, а максимальное значение углового ускорения пильного цилиндра достигает 8739.828 рад/с2 при t = 1.844 с. Закономерность изменения углового ускорения можно выразить в виде функции
(3)
$\frac{{{{\partial }^{2}}{{\varphi }_{2}}}}{{\partial {{t}^{2}}}} = \ddot {\varphi }(t) = 200{{e}^{{2.05t}}}\cos 75t.$4.2. Подсистема машинного агрегата с распределенными параметрами. Рассмотрим подсистему с распределенными параметрами [8–11]. Выделим на валу пильного цилиндра элементарный участок с длиной dx (рис. 1, 2), момент инерции которого равен $\rho = \frac{{\partial \Im }}{{\partial x}}dx$. В общем случае, если под $\Im $ понимать переменный приведенный момент инерции, неравномерно распределенный вдоль оси х, может оказаться, что ρ = ρ(x, t); при $\Im $ = const имеем ρ = ρ(x); при равномерном распределении масс ρ = $\Im $/l = const, где l – длина вала.
Для выделенного элемента воспользуемся теоремой об изменении кинетического момента, согласно которой производная от кинетического момента по времени равна сумме приложенных внешних моментов
(4)
$\frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho \frac{{\partial {{\varphi }_{2}}}}{{dt}}} \right)dx = - M + (M + dM) + Qdx,$Элементарную угловую деформацию dφ2 можно выразить следующим образом:
где G = 8 × 1010 Н/м 2– модуль сдвига для вала из стали; I(х) – полярный момент инерции вала, который в общем случае может меняться вдоль оси х.Из зависимости (5) найдем момент
а из выражения (6) – его дифференциал $dM = G\frac{\partial }{{\partial x}}\left( {I(x)\frac{{\partial {{\varphi }_{2}}}}{{\partial x}}} \right)dx$.После подстановки зависимости (6) в уравнение (4) и сокращения на dx получим
(7)
$\frac{\partial }{{\partial t}}\left( {\rho \frac{{\partial {{\varphi }_{2}}}}{{\partial t}}} \right) - G\frac{\partial }{{\partial x}}\left( {I(x)\frac{{\partial {{\varphi }_{2}}}}{{\partial x}}} \right) = Q(x).$Если ρ = const и I(х) = const = 9.817 × 10–6 м4, уравнение (7) примет вид
(8)
$\rho \frac{{{{\partial }^{2}}{{\varphi }_{2}}}}{{\partial {{t}^{2}}}} - GI\frac{{{{\partial }^{2}}{{\varphi }_{2}}}}{{\partial {{x}^{2}}}} = Q(x),$(9)
$Q(x) = \frac{{{{M}_{{{\text{ср}}}}}{\text{ + }}{{M}_{{\text{0}}}}{\text{cos(}}\pi {{\omega }_{2}}t + {{\varphi }_{{{\text{20}}}}}{\text{)}}}}{{R\Delta {{\varphi }_{2}}l}}x,$(10)
$\frac{{{{\partial }^{2}}{{\varphi }_{2}}}}{{\partial {{x}^{2}}}} = \frac{1}{{GI}}\left( {200\rho {{e}^{{2.05t}}}\cos 75t - \frac{{{{M}_{{{\text{ср}}}}} + {{M}_{0}}\cos \pi {{\omega }_{2}}t}}{{R\Delta {{\varphi }_{2}}l}}x} \right).$При $\frac{{{{\partial }^{2}}{{\varphi }_{2}}}}{{\partial {{x}^{2}}}} = {{\varphi }_{{2x}}}$ уравнение (10) запишем как
(11)
${{\ddot {\varphi }}_{{2x}}} = \frac{1}{{GI}}\left( {200\rho {{e}^{{2.05t}}}\cos 75t - \frac{{{{M}_{{{\text{ср}}}}} + {{M}_{0}}\cos \pi {{\omega }_{2}}t}}{{R\Delta {{\varphi }_{2}}l}}x} \right),$(12)
${{\dot {\varphi }}_{{2x}}} = \frac{1}{{GI}}\left( {(200\rho {{e}^{{2.05t}}}\cos 75t)x - \frac{{{{M}_{{{\text{ср}}}}} + {{M}_{0}}\cos \pi {{\omega }_{2}}t}}{{2R\Delta {{\varphi }_{2}}l}}{{x}^{2}} + {{С}_{1}}} \right),$(13)
${{\varphi }_{{2x}}} = \frac{1}{{GI}}\left( {(200\rho {{e}^{{2.05t}}}\cos 75t)\frac{{{{x}^{2}}}}{2} - \frac{{{{M}_{{{\text{ср}}}}} + {{M}_{0}}\cos \pi {{\omega }_{2}}t}}{{6R\Delta {{\varphi }_{2}}l}}{{x}^{3}} + {{С}_{1}}x + {{С}_{2}}} \right).$Если х = 0, $\frac{{\partial {{\varphi }_{2}}}}{{\partial x}} = {{\dot {\varphi }}_{{2x}}} = 0$, ${{\varphi }_{{2х}}} = 0$, тогда при С1 = 0 и С2 = 0 уравнения (12) и (13) примут вид
(14)
${{\dot {\varphi }}_{{2x}}} = \frac{1}{{GI}}\left( {(200\rho {{e}^{{2.05t}}}\cos 75t)x - \frac{{{{M}_{{{\text{ср}}}}} + {{M}_{0}}\cos \pi {{\omega }_{2}}t}}{{2R\Delta {{\varphi }_{2}}l}}{{x}^{2}}} \right),$(15)
${{\varphi }_{{2x}}} = \frac{1}{{GI}}\left( {(200\rho {{e}^{{2.05t}}}\cos 75t)\frac{{{{x}^{2}}}}{2} - \frac{{{{M}_{{{\text{ср}}}}} + {{M}_{0}}\cos \pi {{\omega }_{2}}t}}{{6R\Delta {{\varphi }_{2}}l}}{{x}^{3}}} \right).$На основе решения уравнений (14), (15) изучена динамика крутильных колебаний вала пильного цилиндра джина с распределенными параметрами. Построены графики изменения угла относительного поворота вала пильного цилиндра (рис. 5) и углового поворота вала при кручении (рис. 6) в зависимости от длины вала l.
В результате этого установлены максимальные значения угла относительного поворота и угла поворота вала пильного цилиндра при кручении равные, соответственно 1.89°/м и 4.39°.
5. Обсуждение результатов в научном и прикладном аспектах. Изучение машин в виде машинных агрегатов позволило установить динамику пуска электродвигателя и крутильных колебаний вала пильного цилиндра джина с распределенными параметрами. Для этого были использованы подсистемы как с сосредоточенными параметрами (уравнения Лагранжа II рода), так и с распределенными (уравнение Лапласа в цилиндрических координатах).
Изучение машинного агрегата пильного цилиндра с сосредоточенными параметрами показало, что критический движущий момент электродвигателя составляет 40 000 Н⋅м, переходный процесс протекает в течение 3 с, а максимальное значение углового ускорения пильного цилиндра достигает 9000 рад/с2 при t = 1.8 с.
На основе построенных графиков (рис. 5, 6) в результате изучения машинного агрегата пильного цилиндра с распределенными параметрами установлены максимальные значения угла относительного поворота и угла поворота вала пильного цилиндра при кручении – соответственно 1.89°/м и 4.39°.
Список литературы
Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин / Учеб. для втузов. Изд. 4, перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 640 с.
Коршун В.Н. Обоснование энергосберегающих параметров машинных агрегатов с электроприводом // Вестник КрасГАУ. 2013. № 5. С. 188.
Лощинин Н.В. Уравнение движения и обобщённые параметры машинного агрегата с вариатором // Вестник РАЕН. 2017. № 4. С. 44.
Попович В.С., Пестрецов Р.Е. Особенности приведения крутильных систем в машинных агрегатах с зазорами // Ползуновский вестник. ФГБОУ ВПО “Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова”. 2015. № 4-1. С. 27.
Тимофеев Г.А., Люминарский И.Е., Люминарская Е.С. Динамический анализ и синтез механизмов с учетом механической характеристики асинхронного электродвигателя // Инженерный журнал “Наука и инновации. МГТУ имени Н.Э. Баумана”. 2017. № 5. С. 8.
Корнеев Ю.С., Гордон В.А., Корнеева Е.Н., Гулидова Т.Ю. Расчет времени разгона привода с пускозащитной муфтой. Динамический анализ и синтез механизмов с учетом механической характеристики асинхронного электродвигателя // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева. 2016. № 2. С. 41.
Jozef Steinhauser, Milan Naď. Principles of Modelling of Machine Aggregates. Acta Technica Corvininesis – Bulletin of Engineering. Oct–Dec. 2015. V. 8. Issue 4. P. 57.
Вульфсон И.И. К проблеме снижения виброактивности приводов цикловых машин при учете динамических характеристик электродвигателя // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2017. № 4. С. 12.
Вульфсон И.И. Динамика цикловых машин. СПб.: Политехника, 2013. 425 с.
Vulfson I. Dynamics of Cyclic Machines. (Expanded Edition of the Monograph [3] translation). Heidelberg. New York. Dordrecht; London: Springer, 2015. 410 p.
Пискунов Н.С. Дифференциальное интегральное исчисление для втузов // Учебное пособие для втузов. Изд. 13. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. Т. 2. 560 с.
Мухаммадиев Д.М. Исследование математической модели машинного агрегата двухбарабанного питателя // Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 2008. № 4. С. 115.
Мухаммадиев Д.М., Рахматкариев Ш.У., Арифджанов А.З. Анализ статических и динамических характеристик пильного цилиндра волокноотделителя // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2009. № 2. С. 13.
Мухаммадиев Д.М. Исследование неравномерности вращения пильного цилиндра джина 5ДП-156 при различных характеристиках асинхронного электродвигателя // Вестник КрасГАУ. 2008. № 1. С. 236.
Кравчик А.Э и др. Асинхронные двигатели серии 4А. М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Проблемы машиностроения и надежности машин