Методы построения, особенности динамических свойств и способы изменения значений и структур распределения амплитуд колебаний точек рабочих органов технологических машин Нгуен Дык Хуинь

Введение к работе

Актуальность работы. Производственная деятельность в большинстве отраслей промышленного производства обеспечивается работой различного рода технологических машин и транспортных средств. Эксплуатация машин, оборудования, механизмов, аппаратуры и приборов в условиях необходимости обеспечения высокой производительности часто сопровождается значительными динамическими нагрузками, вибрационными процессами и проявлениями ударных взаимодействий элементов машин. Обеспечение надежности и безопасности эксплуатации машин требует на всех стадиях их жизненного цикла серьёзного внимания к вопросам соблюдения определенных ограничений на параметры динамических состояний технических объектов, разработки способов и средств оценки контроля и управления процессами динамических взаимодействий.

Современное машиноведение является научным базисом для решения основных задач динамики машин, что, в целом, опирается на научный потенциал, созданный отечественными и зарубежными учеными в областях теоретической и прикладной механики, теории механизмов, динамика и прочности машин, теории автоматического управления, прикладного системного синтеза и др.

Актуальность научных разработок в области динамики технических объектов, работающих в условиях интенсивных вибрационных воздействий предопределяется ростом внимания к проблемам обеспечения динамического качества машин, расширению их возможностей безопасной и надежной эксплуатации при повышении скорости движения рабочих органов. Сложившаяся практика предпроектных исследований создаваемых машин, оборудования и аппаратуры основана на широком использовании средств математического моделирования, применении средств вычислительной техники. Вместе с тем, многие проблемы современного машиноведения, связанные с учетом особенностей динамических взаимодействий элементов механических колебательных систем с несколькими степенями свободы, наличием в их структуре разнообразных элементов и устройств различной физической природы, в том числе и механизмов, требуют разработки более детализированных представлений, создающих условия для уточненных расчетов.

Цель диссертационного исследования заключается в развитии методологического базиса структурного математического моделирования в задачах построения и преобразования математических моделей технических систем и разработке на этой основе методов частотного анализа динамического качества и свойств технологических машин и транспортных средств при вибрационных воздействиях.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели предполагается решение ряда следующих задач.

1. Изучение особенностей динамических свойств механических колебательных систем с несколькими степенями свободы, рассматриваемых как расчетные схемы технических объектов, при вибрационных взаимодействиях элементов различной физической природы, в том числе, рычажных механизмов и устройств для преобразования движения.

2. Разработка новых приемов, способов и подходов в преобразованиях структурных математических моделей исходных механических систем, которые могут представлять собой технологическую основу формирования математических моделей, отображающих необходимые связи и свойства механических колебательных систем в задачах частотного динамического синтеза.

3. Разработка метода определения динамических свойств структурных образований, состоящих из типовых элементарных звеньев, прининающих формы парци-

альных систем, квазипружин, механизмов и устройств для преобразования движения, вводимых в исходные системы для получения специальных динамических режимов, таких как динамическое гашение колебаний, совместные движения по нескольким координатам и др.

4. Разработка метода оценки динамических свойств системы, в том числе с определением их частот собственных колебаний, на основе использования специально вводимой частотной энергетической функции, отличающейся возможностями учета особенностей совместных движениях по нескольким координатам.

Научная новизна работы заключается в следующем.

4. Разработан метод построения математических моделей для оценки динамических свойств механических колебательных систем, основанный на преобразованиях структурных моделей с использованием характеристического уравнения передаточных функций систем, отражающих особенности межпарциальных связей и конструктивно-технические формы исходных механических систем и их элементов.

5. Разработан оригинальный метод определения частот собственных колебаний механических систем на основе введения понятия о частотной энергетической функции; предложена технология построения таких функций, которая позволяет учитывать особенности свойств систем в формах реализации свободных движений с частотами собственных колебаний.

6. Предложены новые понятия об особенностях динамических свойств механических колебательных систем, проявляющихся при введении дополнительных связей на основе устройств для преобразования движения с передаточными функциями звеньев двойного дифференцирования.

Объектом исследования являются технологические вибрационные машины, транспортные средства, оборудование и аппаратуры, работающие в условиях интенсивных динамических нагрузок.

Предметом исследований являются особенности динамических свойств механических колебательных систем, которые проявляются при вибрационных взаимодействиях элементов технических систем с учетом возможностей вариации форм связей, особенностей конструктивно-технических форм элементов.

Теоретическая и практическая значимость результатов исследования. Развита и расширена методологическая основа структурного математического моделирования. Показаны возможности использования математических моделей механических колебательных систем как структурных схем эквивалентных в динамическом отношении систем автоматического управления. Важным аспектом в оценке динамических свойств является возможность выделения всей совокупности динамических связей, которыми обладает система с детализацией представлений об их особенностях, которые представлены конструктивно-техническими формами взаимодействия элементов систем.

Практическая значимость результатов предполагается в возможностях оценки динамических свойств рабочих органов вибрационных технологических машин и транспортных средств. Развиваемый аналитический аппарат позволяет изучать, корректировать структуры и формы вибрационных полей рабочих органов технологических машин в горно-добывающей промышленности, машиностроении и других отраслях.

Методология и методы исследования. Работа построена на использовании методов теоретической и прикладной механики, составляющей на основу теории механизмов и машин, теории механических колебаний, динамики и прочности машин. В

работе используются методы прикладного системного анализа и теории автоматического управления.

Положения, выносимые на защиту.

7. Метод структурных преобразований, позволяющий детализировать представления о динамических свойствах систем на основе выделения необходимы связей по отношению к объекту, динамические свойства которого подлежат оценке.

8. Метод определения динамических свойств систем, основанный на введении понятия о частотной энергетической функции, формируемой на основе учета особенностей форм реализации динамических связей в исходной системе.

Достоверность результатов исследования. Работа построена на основе использования аналитического аппарата современного машиноведения, опирающегося на законы, методы и технологии исследования, апробированных в различных инженерно-технических приложениях. Получаемые выводы по конкретным задачам коррелируют со свойствами систем и особенностями динамических состояний в смежных и родственных научных дисциплинах. Численное моделирование процесса вибрационных взаимодействий проводилось на основе использования известных пакетов прикладных программ Mathcad, Matlab.

Реализация работы. Результаты работы исследований были получены при проведении научно-исследовательских работ по программам Минтранса России по теме «Математические модели формирования зазора в динамических взаимодействиях твердого тела с вибрирующей поверхностью» (№ 01201352798, 2013–2016 гг., код ВНТИЦ 0201092150325); а также в разработках, проведенных Иркутским государственным университетом путей сообщения по программе фундаментальных госбюджетных исследований по проблеме «Разработка методов структурного математического моделирования в задачах динамики технологических машин, робототехниче-ских систем и транспортных средств с учетом формирования рычажных связей, создаваемых механизмами и устройствами для преобразования движения» (номер госрегистрации АААА-А16-116112350117-7, дата регистрации 23.11.2016). Результаты научных исследований приняты к использованию в нескольких организациях и предприятиях региона в решении производственных и научных задач (ООО «СпецСтрой-Инвест», Инженерный центр Иркутского государственного университета путей сообщения, Красноярская Дирекция инфраструктуры). Материалы научных исследований приняты к использованию в учебных курсах по техническим дисциплинам «Детали машин и основы конструирования» на кафедре «Конструирования и стандартизации в машиностроении» Иркутского национального исследовательского технического университета.

Апробация диссертации. Материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Международная научно-практическая конференция «Наука и образование в жизни современного общества» (Тамбов, 2015); VI Международная научная конференция «» (Улан-Удэ, 2015); Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные научные исследования» (Уфа, 2015); Международная научно-практическая конференция «Наука и образование в современном обществе» (Смоленск, 2015); III Международная научно-практическая конференция «» (Белгород, 2015); XV Международная научно-практическая конференция «» (Чита, 2015); XIX Международная научно-практическая конференция «» (Красноярск, 2015); V Всероссийская конференция «» (Красноярск, 2015); Международная научно-практическая конференция «Со-

временные технологии и научно-технический прогресс» (Ангарск, 2016); III Международная школа-конференция молодых ученых «Нелинейная динамика машин» (Москва, 2016); Международная научно-практическая конференция «» (Белгород, 2016); XV Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Механики XXI веку» (Братск, 2016); Международная научно-практическая конференция «» (Смоленск, 2016); XII международная научно-техническая конференция «Вибрация – 2016» (Курск, 2016); The fifth international symposium on innovation and sustainability of modern railway « 2016» (Nanchang, 2016); Международная конференция «» (Иркутск, 2016); Международная научно-практическая конференция «» (Красноярск, 2016); международная научно-практическая конференция «» (Ростов-на-Дону, 2016); Международная научно-практическая конференция «Современные технологии и научно-технический прогресс» (Ангарск, 2017).

Публикации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 20 печатных работах, из них 9 в журналах из перечня ВАК РФ; получено два российских патента (один на изобретение, второй на полезную модель), поданы две заявки на изобретения.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе и библиографии, общим объемом 187 страниц машинописного текста. В структуре текста 82 рисунков, 3 таблиц и 153 ссылок на библиографии.