close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Моделирование процессов в оборудовании при утилизации изношенных автомобильных покрышек измельчением с учетом их динамических свойств

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Козарь Дмитрий Михайлович
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ОБОРУДОВАНИИ ПРИ
УТИЛИЗАЦИИ ИЗНОШЕННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ПОКРЫШЕК
ИЗМЕЛЬЧЕНИЕМ С УЧЕТОМ ИХ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Специальность 05.02.13 – «Машины, агрегаты и процессы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Братск – 2018
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский
Томский политехнический университет».
Научный руководитель:
Крауиньш Пётр Янович
доктор технических наук, профессор кафедры
«Технологии машиностроения и промышленной робототехники», ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск
Официальные оппоненты: Соколов Михаил Владимирович
доктор технических наук, профессор кафедры
«Компьютерно-интегрированные системы в
машиностроении», ФГБОУ ВО «Тамбовский
государственный технический университет»,
г. Тамбов
Каимов Евгений Витальевич
Кандидат технических наук, ведущий советник
отдела железнодорожного транспорта в управлении водного, воздушного, железнодорожного
транспорта и связи министерства жилищной
политики, энергетики и транспорта Иркутской
области, г. Иркутск
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»,
г. Пермь
Защита диссертации состоится «26» октября 2018 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д212.018.02 при ФГБОУ ВО «Братский государственный университет», ауд. 3205, корп.3, по адресу: 665709, Иркутская область, г. Братск, ул. Макаренко, д.40.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Братский
государственный университет», а также на сайте http://brstu.ru/universitetskijkompleks/struktura/dissertatsionnyj-sovet/dissertatsii-prinyatye-k-rassmotreniyu-vsovete/10303-kozar-dmitrij-mikhajlovich
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять по указанному выше адресу на имя ученого секретаря
диссертационного совета. Для связи с секретарем могут быть использованы:
факс (8-3953) 33-20-08, тел. (8-3953) 32-53-63, e-mail: efremov@brstu.ru
Автореферат разослан «____» ___________ 2018 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент
И.М. Ефремов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. На сегодняшний день существует большое разнообразие методов утилизации покрышек. Каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки. С точки зрения энергоэффективности, простоты и разнообразия применимости получаемого вторсырья, механическое измельчение покрышек более выгодно. В работе рассматривается измельчение протектора покрышек с использованием цилиндрической прямозубой шарошки.
Преимущества метода: короткий технологический цикл, простота и компактность установки, что позволяет сделать ее транспортабельной.
Недостатки метода: сильные вибрации в оборудовании и значительный
разброс размеров получаемого гранулята.
Уровень вибраций во многом связан со свойствами покрышки: низкая
жесткость, особенно в радиальном направлении, высокая упругость и прочность.
Снижение уровня вибрации при измельчении позволит повысить надежность
оборудования и повторяемость гранул.
Оборудование не является обрабатывающим, поскольку в нем отсутствует
процесс целенаправленного формообразования поверхностей конечного изделия
путем удаления части материала.
Обзор исследований в области динамики машин и моделирования динамических процессов показал, что отсутствуют работы, связанные с изучением процессов в оборудовании при измельчении упругих полимерных оболочек методом
отсечения.
Исследование влияния вибрации в оборудовании на формирование гранул
при измельчении вязкоупругой маложесткой оболочки, выполняется в данной
работе, чем и объясняется ее актуальность.
Цель диссертационной работы заключается в изучении процессов в динамической системе мобильной установки для утилизации изношенных автомобильных покрышек измельчением, путем математического моделирования динамической системы и процесса формирования гранул, с учетом динамических
свойств измельчаемой покрышки и материала протектора.
Задачи, решаемые для достижения поставленной цели:
1. Разработать математическую модель динамической системы оборудования для утилизации изношенных автомобильных покрышек измельчением с учетом упруго-инерционных вязких свойств узлов технологического оборудования.
2. Определить статические и динамические свойства измельчаемой покрышки.
3. Исследовать влияние параметров измельчения на эффективность процесса измельчения.
4. Исследовать влияние параметров измельчения на формирование импульсов вынуждающей силы.
5. Исследовать влияние параметров импульсного воздействия вынуждающей силы на размер получаемого гранулята.
6. Исследовать влияние параметров импульсного воздействия вынуждающей силы на динамические процессы в оборудовании.
3
7. Разработать метод подбора параметров динамической системы при проектировании подобного оборудования.
Научная новизна:
1. Установлено, что математическая модель измельчаемой упругой оболочки должна рассматриваться с учетом разделения ее свойств по жесткости: в
виде контактной жесткости материала оболочки, передающей воспринимаемую
вынуждающую силу на упруго-инерционную модель оболочки с незначительным внутренним трением.
2. Изучено влияние динамических свойств измельчаемой упругой оболочки на динамические процессы в оборудовании путем математического моделирования с учетом кинематики инструмента.
3. Определены рациональные параметры импульсного воздействия зубьев
инструмента на измельчаемую упругую оболочку, позволяющие уменьшить или
полностью устранить влияние динамических свойств упругой оболочки на динамические процессы в оборудовании.
4. Исследовано влияние размера и свойств измельчаемой упругой оболочки на рациональные параметры импульсного воздействия зубьев инструмента.
Объектом исследования является математическая модель динамической
системы оборудования для утилизации изношенных автомобильных покрышек
измельчением.
Предметом исследований являются динамические процессы и их особенности в оборудовании при измельчении протекторной части изношенных покрышек с использованием цилиндрической прямозубой шарошки.
Теоретическая и практическая значимость результатов.
1. Найденные рациональные режимы измельчения позволяют увеличить
производительность измельчения протекторной части покрышек.
2. Найденные рациональные параметры импульсного воздействия зубьев
инструмента позволяют при измельчении получать гранулят заданного размера.
3. На основании результатов моделирования сформулированы практические рекомендации по подбору технических характеристик оборудования для
утилизации изношенных автомобильных покрышек измельчением.
4. Разработанная математическая модель обладает большой степенью применимости к различного рода измельчающему и обрабатывающему оборудованию и не является узкоспециализированной при незначительной корректировке.
Исследования соответствуют паспорту научной специальности:
1. В разделе «Формула специальности» цель и задачи исследования согласуются с пунктом «Разработка научных и методических основ конструирования
… машин, агрегатов и процессов», а также с пунктом «Теоретические и экспериментальные исследования».
2. В разделе «Область исследования» рассматриваемые вопросы относятся
к пункту 1 «Разработка научных и методологических основ проектирования и
создания новых машин», к пункту 3 «Теоретические и экспериментальные исследования параметров машин и агрегатов и их взаимосвязей», к пункту 5 «Раз4
работка научных и методологических основ повышения производительности машин», а также к пункту 6 «Исследование технологических процессов, динамики
машин, агрегатов, узлов».
Методология и методы исследования. Поставленные задачи решаются
на основе применения прикладной и теоретической механики, динамики, теории
колебаний, математики, векторного исчисления и численных методов решения
обыкновенных дифференциальных уравнений и их систем, путем математического моделирования на персональном компьютере с использованием языка программирования C.
Положения, выносимые на защиту.
1. Математическая модель динамической системы оборудования для утилизации изношенных автомобильных покрышек измельчением, с учетом динамики и кинематики формирования вынуждающей силы при измельчении маложесткой упругой оболочки с нелинейными жесткостными характеристиками.
2. Результаты исследования динамических процессов в оборудовании при
измельчении вязкоупругой маложесткой оболочки на маложестком технологическом оборудовании с использованием разработанной математической модели.
Достоверность результатов. Научные результаты получены с использованием современных численных алгоритмов в решении задач динамики, подтвержденных экспериментальным уточнением отдельных характеристик объекта и сопоставлением полученных результатов с реально наблюдаемыми явлениями.
Реализация работы. Результаты научных исследований использованы в
учебном процессе кафедры «Технология машиностроения и промышленной робототехники» Томского политехнического университета, а также внедрены на
одном из предприятий Томской области: ООО «Экологические системы», занимающимся утилизацией изношенных автомобильных покрышек.
Апробация диссертации. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на следующих Международных и Всероссийских
конференциях:
1. XII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», г. Томск, 2010г.
2. VI Международная научно-технической конференция «Современные
проблемы машиностроения», г. Томск, 2011.
3. V Международная конференция «Проблемы механики современных машин», г. Улан-Удэ, 2012.
4. Международная заочная научно-практической конференция «Современные проблемы теории машин», г. Новокузнецк, 2013.
5. Научный семинар кафедры «Теория механизмов и машин» Омского государственного технического университета, г. Омск, 2013.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ: 4 статья в журнале из перечня ВАК РФ, 8 статей в сборниках трудов конференций;
получен 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство о регистрации программы
для ЭВМ.
5
Структуру и объем диссертации. Диссертация содержит 178 страниц основного текста, 106 рисунков, 2 таблицы и состоит из введения, четырех глав,
заключения, списка литературы из 231 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования,
сформулирована цель и поставлены задачи. Изложены: научная новизна, практическая значимость, положения, выносимые на защиту, сведения об апробации.
Первая глава диссертации является обзорной. В начале главы рассмотрены основные методы утилизации покрышек. Сделан вывод, что к настоящему
моменту их создано множество и в основу каждого положен какой-либо физический, химический или термический процесс, либо их сочетание.
Утилизации покрышек измельчением шарошкой обладает следующими
достоинствами: высокая энергоэффективность, короткий технологический цикл,
низкая ресурсоемкость и стоимость оборудования, возможность создания мобильной установки, востребованный конечный продукт.
Сформулированы основные проблемы метода: сильная вибрация, значительный разброс размеров получаемых гранул. Отмечена проблема, связанная с
проектированием подобного оборудования: отсутствие каких-либо справочных
рекомендаций в литературе.
Сделан вывод о необходимости исследования динамических процессов в
оборудовании при измельчении. Выбран метод исследования – математическое
моделирование. Данный метод позволяет изучать поведение модели оборудования в широком диапазоне характеристик, без значительных материальных затрат.
Выполнен обзор исследований в области динамики машин и моделирования динамических процессов. Работ, связанных с динамическими процессами в
оборудовании при измельчении полимерных материалов методом отсечения, не
найдено. Рассмотрены работы, связанные с динамикой фрезерных станков, как
наиболее близкие.
Cделан вывод, что проблема вибраций при обработке маложестких деталей
глубоко изучена. Отмечено, что в рассмотренных работах, динамическая система
оборудования принята абсолютно жесткой и изучаются колебания упругой детали при обработке. Работ, в которых бы выполнялось исследование динамики
маложесткого оборудования при обработке маложесткой детали с учетом кинематики и динамики формирования вынуждающей силы не найдено.
На основании данного ряда проблем, обзоров и логических рассуждений
сформулирована цель диссертации и поставлены задачи исследования.
Вторая глава диссертации посвящена построению математической модели оборудования для утилизации изношенных автомобильных покрышек измельчением.
Схема, показывающая неразрывную связь динамики и кинематики процессов в оборудовании показана на рисунке 1. Из схемы видно, что динамическая
система (ДС) измельчителя представляет собой систему с обратной связью.
6
Рисунок 1. Блок-схема взаимного влияния кинематики и динамики процессов в
оборудовании
Анализ конструкции устройства (рисунок 2) позволил выделить основные
элементы модели: инструментальный узел; часть протектора, контактирующая с
инструментом; набор покрышек; приспособление для закрепления покрышек.
Рисунок 2. Установка для утилизации покрышек измельчением:
0 – элемент поверхности покрышек; 1 – инструментальный узел; 2 – набор
покрышек; 3 – приспособление для закрепления покрышек; M – привод вращения
инструмента; sраб – рабочая подача; sкруг – круговая подача покрышек;
Vфр – скорость вращения инструмента.
При измельчении возникает вынуждающая сила (ВС) F (рисунок 3), которую можно разложить на составляющие Fx, Fy и Fz. Сила Fx направлена перпендикулярно плоскости изображения и возникает только при косоугольном расположении измельчающих пластин, которое в данной работе не рассматривается.
В отсутствии силы Fx задача сводится к задаче на плоскости. Для уменьшения
перегруженности рисунка 3 на нем не показаны элементы вязкого трения α01X, α
01Y, α12n, α 12τ, α 23n, α 23τ, α 30X, α 30Y.
Динамическая модель покрышки представлена эквивалентной массой m2,
жесткостными элементами c12n, c12τ, c23n, c23τ и вязким трением. Жесткости c12n,
7
c12τ, c23n, c23τ являются нелинейными. Их функциональные зависимости определяются в третьей главе диссертации. Однако известно, что c12n, c12τ являются
функциями от площади поперечного сечения отсекаемых гранул S, а c23n, c23τ
функциями от деформации покрышки: δ2n – δ3n и δ2τ – δ3τ соответственно.
Рисунок 3. Детальная схема ДС измельчителя
В случае если максимальное значение угла α2 не превышает 14°, то разница
между силами FX, FY и их соответствующими проекциями на оси координат покрышки Fn, Fτ составляет не более 3% по значению. В этом случае, можно упростить модель покрышки, совместив ее систему координат с глобальной системой
координат XY.
Схематичное представление физической модели ДС измельчителя с этим
допущением показано на рисунке 4.
Рисунок 4. Обобщенная схема ДС измельчителя
8
На рисунке 4 использованы следующие обозначения: FX, FY – проекции ВС
на координатные оси X, Y; α – коэффициент вязкого сопротивления; c – жесткость пружины; m1 – масса инструментального узла; m2 – масса части покрышки,
воспринимающей динамическую нагрузку; m3 – масса приспособления для закрепления покрышек.
На виде А между массами m1 и m2 показан схематичный разрыв, поскольку
эти два элемента конструкции не связаны жестко между собой, а воздействуют
друг на друга через точку контакта, в которой возникает сила F. Таким образом,
каждая система состоит из двух более простых, разделенных точкой контакта.
В соответствии со схемой, получена система дифференциальных уравнений, описывающих модель ДС измельчителя
 F = f (a ); FX = f ( F ,  1 ); FY = f ( F ,  1 ); R X = FX ; RY = FY ;
c = f (a ); c = f ( x − x ); c = f (a ); c = f ( y − y );
23 X
2
3
12Y
23Y
2
3
 12 X
2
 d x1 
dx1

− c01X x1  / m1 ;
 2 =  R X −  01X
dt


 dt
 dx 
dx

 0 =  FX +  12 X 2 − c12 X ( x0 − x2 ) /  12 X ;
dt

 dt 
d 2 x 
dx dx

dx dx
 2 2 =   12 X  0 − 2  + c12 X ( x0 − x 2 ) −  23 X  2 − 3  − c23 X ( x 2 − x3 ) / m2 ;
dt 
dt 
 dt
 dt
 dt


 2
dx

 dx2 dx3 
 d x3 
−
 + c23 X ( x2 − x3 ) −  30 X 3 − c30 X x3  / m3 ;
 2 =   23 X 
dt 
dt
 dt


 dt
d 2 y 
dy

 2 1 =  RY −  01Y 1 − c01Y y1  / m1 ;
dt


 dt
 dy 
dy
 0 =  FY +  12Y 2 − c12Y ( y 0 − y 2 ) /  12 X ;
dt
 dt 

 2
 d y 2 =    dy0 − dy2  + c ( y − y ) −   dy2 − dy3  − c ( y − y ) / m ;
12Y
0
2
23Y
23Y
2
3 
2
 12Y dt
 dt 2
dt 
dt 

 dt


 2
dy3

 dy2 dy3 
 d y3 

 / m3 .
(
)
=

−
+
c
y
−
y
−

−
c
y


23
Y
23
Y
2
3
30
Y
30
Y
3
2

 dt
dt
dt
dt





(1)
Связь между проекциями FX, FY и Fy, Fz имеет вид
 FX   cos α1
 F  = − sin α
 Y 
1
sin α1   Fy 
cos α1   Fz 
(2)
В свою очередь силу Fz для одного зуба инструмента можно определить по
формуле
(3)
Fz = b  a1− z  k S
где b – ширина зуба, мм; a – мгновенная толщина отсекаемого слоя, мм; z – показатель, характеризующий нелинейность изменения ВС при изменении мгновенной толщины отсекаемого слоя и зависящий от свойств измельчаемого материала; kS – удельное значение ВС, Н/мм2.
9
Проекция силы F на ось y вычисляется с использованием коэффициента
пропорциональности ky:
Fy = Fz  k y
(4)
В конце главы представлена математическая модель удаления материала
при его отсечении зубьями шарошки.
В третьей главе выполнено определение механических параметров изношенной покрышки: жесткостей c12n, c12τ, c23n, c23τ; собственной частоты колебаний ω0, коэффициента затухания λ и эквивалентной массы m2.
Коэффициенты c12n, c12τ – контактная жесткость протектора в радиальном
и тангенциальном направлениях. Значение контактной жесткости зависит от
площади контакта S. Для известного материала его можно приближенно вычислить с использованием закона Гука, по формуле
c=
ES
,
l
(5)
где c – жесткость, Н/м; E – модуль Юнга, Па; S – площадь контакта, м2; l – длина
деформируемого стержня, м.
Формула верна лишь для полубесконечного деформируемого стержня, поэтому для расчета жесткости массива материала при контакте с зубом инструмента в нее были введены эмпирические коэффициенты: kp – зависящий от площади контакта и высоты деформируемого массива материала; kr – зависящий от
соотношения длин сторон для прямоугольного зуба; kc – зависящий от отношения радиуса кривизны пластины к величине заглубления инструмента для круглого зуба; kα – зависящий от угла заострения для треугольных и ромбических
зубьев. В результате получена модифицированная формула
c=
ES
 k p  kr  kc  kα
l
(6)
Для резины, из которой делают автомобильные покрышки, модуль Юнга E
принимает значения от 10 до 20 МПа. Коэффициенты kp, kr, kc и kα были экспериментально определены при E = 10 МПа. Функциональные зависимости для каждого из коэффициентов показаны на рисунках 5-8.
Рисунок 5. График зависимости kp от Рисунок 6. График зависимости kr от
площади контакта S и высоты десоотношения сторон A и B для пряформируемого массива материала l
моугольной формы зуба
10
При вычислении c12n, c12τ величина l принята равной толщине протектора
покрышки. Изменение площади контакта S зависит от формы зуба и траектории
его движения.
Рисунок 7. График зависимости kс от Рисунок 8. График зависимости kα от
соотношения радиуса пластнны r к
угла застрения для треугольной и
величине заглубления a для круглой
ромбической формы зуба
формы зуба
Коэффициенты c23n, c23τ представляют собой жесткости покрышки в радиальном и тангенциальном направлениях. Они были экспериментально измерены
для легковой автомобильной покрышки.
Установлено, что функциональная зависимость радиальной жесткости при
нагрузке и разгрузке не одинакова. Площадь контакта также оказывает влияние.
Графики зависимости радиальной деформации покрышки от силы, полученные путем аппроксимации экспериментальных данных методом наименьших
квадратов, показаны на рисунках 9 и 10.
Рисунок 9. График радиальной
деформации покрышки с постоянной
площадью контакта
Рисунок 10. График радиальной
деформации покрышки с
возрастающей площадью контакта
Из графиков видно, что характеристика жесткости покрышки при постоянной площади контакта является падающей, а при возрастающей также возрас-
11
тает. Несовпадение линий нагрузки и разгрузки, показывает, что покрышка в радиальном направлении обладает гистерезисом, что характерно для оболочек из
полимерных материалов.
Функциональные зависимости жесткости от деформации для первого случая имеют вид: с = 37,43 − 2,43δ при нагрузке и с = 34,66 − 0,87δ при разгрузке. Для
второго: с = 31,24 + 3,99δ при нагрузке и с = 17,73 + 9,04δ при разгрузке.
График зависимости тангенциальной деформации покрышки от силы, показан на рисунке 11.
Рисунок 11. График тангенциальной деформации покрышки
В тангенциальном направлении гистерезис практически отсутствует, что
связано с гораздо более высокой жесткостью покрышки в этом направлении.
Функциональная зависимость жесткости от деформации имеет вид:
с = 193,67 − 11,04δ при нагрузке и при разгрузке.
Определены: собственная частота колебаний легковой покрышки
γ0 = 66,6 Гц; коэффициент демпфирования λ = 8,3 рад/с; коэффициент относительного демпфирования ν = 0,02; эквивалентная масса покрышки m2 = 0,19 кг.
Рисунок 12. Механические
характеристики покрышек разного
размера
Рисунок 13. Динамическая
податливость покрышек разного
размера
12
С использованием теории подобия получены зависимости эквивалентной
массы m2, вязкого сопротивления α, собственной частоты колебаний γ 0, статической жесткости (рисунок 12) и динамической податливости (рисунок 13) для размеров покрышек от 10 до 32 дюймов.
В четвертой главе выполнено исследование математической модели в
трех направлениях: стабильное получение гранул заданного размера; повышение
производительности измельчения; подбор параметров ДС.
При измельчении покрышек шарошкой, изменение ВС во времени имеет
вид импульсов. Импульсы ВС характеризуются амплитудой A, частотой γ и длительностью t.
Выполнено исследование зависимости импульсов ВС от параметров измельчения при следующих входных параметрах: диаметр инструмента
dИ = 250 мм; окружной шаг зубьев инструмента p = 88 мм; удельное значение ВС
kS = 20 Н/мм2.
Влияние подачи sZ изучено при окружной скорости инструмента
VИ = 5 м/с, величине заглубления инструмента h = 2 мм, sZ = 1…50 мм/зуб. Установлено, что sZ значительно влияет на A (рисунок 14), t линейно растет от 4,2 до
7,2 мс. Влияние h исследовано при VИ = 5 м/с, sZ = 1 мм/зуб, h = 1…5 мм. Установлено, что t квазилинейно растет от 2,8 до 6,2 мс, A линейно от 83 до 195 Н.
Влияние VИ изучено при sZ = 1 мм/зуб, h = 2 мм, VИ = 1…10 м/с. Установлено,
что γ линейно растет от 13 до 112 Гц, t меняется обратно пропорционально VИ от
22 до 3 мс по функции t = 0,284/VИ (рисунок 15).
Понимание этих зависимостей позволяет связать конкретные режимы измельчения с формируемыми при этом параметрами импульсов ВС.
Рисунок 14. Зависимость амплитуды
A импульсов ВС от подачи sZ
Рисунок 15. Зависимость
длительности t импульсов ВС от
окружной скорости VИ
Исследовано влияние параметров импульсного воздействия ВС на размер
гранулята. Установлено, что наибольшее влияние на размер гранулята, оказывает частота воздействия γ рабочего органа (рисунок 16). Подбор рациональной
частоты воздействия γР инструмента на измельчаемую покрышку позволяет полностью устранить влияние ее колебаний и упругих деформаций материала на
размер получаемых гранул. Для графика на рисунке 16 рациональная частота
13
γР = 110 Гц, а заданный размер гранул – 1 мм, t = 3 мс. Изменение амплитуды
импульсов ВС оказывает незначительное влияние. Так при A = 25…155 Н,
γ = 110 Гц, t = 3 мс отклонение среднего размера гранул от заданного в 1 мм не
превышает 3%. Увеличение длительности импульсов ВС ведет к уменьшению
размера получаемых гранул (рисунок 17).
Рисунок 16. Зависимость размера
гранул от частоты импульсов ВС
Рисунок 17. Зависимость размера
гранул от длительности импульсов
ВС
Изучено влияние параметров импульсного воздействия ВС на динамические процессы в оборудовании. Установлено, что наибольшее влияние также
оказывает частота γ воздействия ВС (рисунок 18). Это утверждение справедливо
как для горизонтальной, так и для вертикальной плоскости колебаний.
Рисунок 18. Зависимость амплитуд колебаний элементов ДС в
горизонтальной плоскости от частоты воздействия импульсов ВС
14
Установлено, что динамические свойства оболочки также оказывают значительное влияние на динамические процессы в оборудовании. Рост амплитуды
колебаний измельчаемой оболочки при резонансе (γ0 = 66 Гц) приводит к резкому увеличению амплитуд колебаний всех остальных элементов ДС оборудования (рисунок 18).
В связи с этим, частота γ импульсов ВС не должна совпадать с частотами
собственных колебаний элементов ДС и в особенности с собственной частотой
колебаний покрышки или кратных ей.
Исследовано влияние параметров измельчения на эффективность процесса
измельчения. Определены теоретические значения рациональных по производительности режимов измельчения для шарошки dИ = 280 мм (рисунок 19). Рациональные режимы обеспечивают равенство размера получаемых гранул заданной
величине заглубления h инструмента.
Из рисунка 20 видно, что данные режимы измельчения не обеспечивают
максимальной производительности на один зуб инструмента. Такая производительность, возможна лишь когда каждый зуб шарошки отсекает часть материала,
ранее не подвергавшуюся измельчению. При этом снижается общая эффективность измельчения материала, поскольку значительная его часть остается, что
требует дополнительных заходов инструмента с неизменными режимами измельчения. Рациональные режимы измельчения обеспечивают высокую эффективность измельчения материала за один заход инструмента при более низкой
производительности на зуб. Эти режимы являются целевой функцией, к которой
необходимо стремится при эксплуатации подобного оборудования.
Рисунок 19. Зависимость толщины
получаемых гранул от режимов
измельчения
Рисунок 20. Зависимость продольной
площади гранул от режимов
измельчения
Подачу для рациональных режимов измельчения можно вычислить по
формуле
s z = 7,5t + 7,9 ,
(7)
где sZ – подача на зуб, мм; t – величина заглубления инструмента, мм.
Для dИ = 250 мм, VИ = 5 м/с и ранее полученных режимах измельчения
были определены рациональные частоты γР воздействия ВС (рисунок 21).
15
Рисунок 21. Рациональные частоты
воздействия γР ВС для покрышек разного размера
Рисунок 22. Резонансная область для
различных сочетаний массы и жесткости узлов оборудования
Рациональная частота воздействия – частота воздействия зубьев инструмента на измельчаемое тело, при которой выдерживается заданный размер отсекаемых гранул.
Из графика (рисунок 21) видно, что для большинства размеров покрышек
и режимов измельчения γР находится в зарезонансной области колебаний покрышки. Однако для покрышек типоразмером до 14 дюймов γР попадает в резонансную область при величине заглубления 4 мм и более, а для покрышек до 18
дюймов – 5 мм и более.
График γР позволяет подобрать требуемое количество рядов измельчающих зубьев по дуге окружности шарошки при заданной VИ для конкретного типоразмера покрышек по формуле
i=
γ Р πd И
,
VИ
(8)
где i – рациональное число рядов зубьев, расположенных по дуге окружности
шарошки, шт.; γР – рациональная частота воздействия для данного размера покрышек, Гц; dИ – диаметр шарошки, м; VИ– рекомендуемая окружная скорость
инструмента для данного материала, м/с.
В случае применения инструмента одного типоразмера для некоторого
диапазона покрышек, γР можно подбирать за счет изменения окружной скорости
VИ. В этом случае число рядов зубьев по дуге окружности шарошки следует подбирать для середины частотного диапазона рационального для этих покрышек.
Например, при использовании инструмента dИ = 250 мм для покрышек от
10 до 32 дюймов γР = 90 Гц, что при VИ = 5 м/с делает рациональным наличие 14
рядов зубьев, расположенных по дуге окружности инструмента. При этом, диапазон изменения VИ составляет 2,4÷7,7 м/с.
Увеличение частоты воздействия выше рациональной приводит к уменьшению толщины гранул, однако процесс измельчения остается устойчивым.
Уменьшение частоты воздействия ниже рациональной приводит к попаданию в
зону резонанса покрышки и нестабильному измельчению.
16
При уменьшении подачи, рациональная частота воздействия незначительно снижается. При снижении подачи более чем в два раза, процесс измельчения становится нестабильным.
Увеличение ширины зубьев шарошки также приводит к незначительному
снижению рациональной частоты воздействия. Из-за этого снижения рациональной частоты при больших величинах заглубления можно попасть в область резонанса покрышки.
Анализ влияние формы измельчающих зубьев инструмента на формирование импульсов ВС показал, что форма зуба оказывает значительное влияние на
амплитуду импульсов, но это связано не столько с формой, сколько с изменением
площади поперечного сечения отсекаемых гранул в зависимости от формы. Если
мгновенную площадь отсекаемых гранул для различных форм зубьев уравнять
за счет их количества, то амплитуды импульсов ВС будут близкими. Также в зависимости от формы зубьев меняется форма импульсов ВС, однако изменения
незначительны: круглая и треугольная формы зубьев обеспечивают более плавную форму импульсов, без резкого пика, что более предпочтительно для ДС.
Полученные результаты позволяют на этапе проектирования или во время
эксплуатации выполнить подбор параметров ДС.
Знание рациональных частот воздействия зубьев инструмента позволяет
выполнить подбор параметров ДС обеспечивающих допустимый уровень вибрации в оборудовании. Так частота вынужденных колебаний инструментального
узла и механизма фиксации покрышек должна быть выше или ниже рациональных частот воздействия инструмента (рисунок 22).
Это обеспечит гарантированную устойчивость колебаний ДС, поскольку
частота вынужденных колебаний лежит в узком диапазоне. Жесткость ДС зависит от допустимой амплитуды ВС, а масса зависит от конструктивных решений.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Получена математическая модель динамической системы оборудования
для утилизации изношенных автомобильных покрышек измельчением, с учетом
упруго-инерционных вязких свойств узлов технологического оборудования.
2. Экспериментально определены статические и динамические свойства
измельчаемой покрышки. Установлено, что жесткость измельчаемой покрышки
в радиальном и тангенциальном направлениях неодинаковая и квазилинейная.
Контактная жесткость протектора существенно нелинейная.
3. Изучено влияние параметров измельчения на эффективность процесса
измельчения. Определены рациональные параметры измельчения.
4. Изучено влияния параметров измельчения на формирование импульсов
вынуждающей силы. Установлено, что подача оказывает существенное влияние
на амплитуду импульсов вынуждающей силы и не значительное на их длительность. Длительность импульсов квазилинейно зависит от величины заглубления.
Амплитуда импульсов линейно зависит от величины заглубления. Частота линейно зависит от окружной скорости и окружного шага между зубьями инструмента.
17
5. Изучено влияния параметров импульсного воздействия вынуждающей
силы на размер получаемого гранулята. Установлено, что значительное влияние
на размер получаемого гранулята при измельчении оказывает частота воздействия рабочего органа. Подбор рациональной частоты воздействия позволяет
полностью устранить влияние колебаний динамической системы на размер получаемого гранулята.
6. Изучено влияния параметров импульсного воздействия вынуждающей
силы на динамические процессы в оборудовании. Установлено, что динамические свойства покрышки оказывают значительное влияние на процессы в оборудовании. Из всех параметров импульсного воздействия: частоты, длительности
и амплитуды, наибольшее влияние оказывает частота.
7. Предложен метод подбора параметров динамической системы оборудования обеспечивающий устойчивость колебаний динамической системы.
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК
1. Козарь Д.М., Крауиньш П.Я. Кинематика и динамика формирования
сил резания при фрезеровании упругой оболочки [Электронный ресурс] // Наука
и образование: электронное научно-техническое издание. – 2013. – №.4. – C.287308. – Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/541767.html
2. Козарь Д.М., Крауиньш П.Я. Динамические процессы в оборудовании
при измельчении упругих тороидальных оболочек // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2017. – №2. – С.33-40.
3. Козарь Д.М., Крауиньш П.Я. Влияние параметров импульсного воздействия вынуждающей силы на размер получаемого гранулята при измельчении
упругой тороидальной оболочки // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2017. – Т.21. – №6. – С.30-38.
4. Козарь Д.М., Крауиньш П.Я. Влияние параметров измельчения на формирование импульсов вынуждающей силы // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2017. – №8. – С.25-31.
Патенты и свидетельства
5. Патент 104511 RUS, МПК B29B 17/00. Устройство для утилизации отработанных шин / М.Г. Гольдшмидт, Д.М. Козарь, А.Г. Темиров, З.И. Вендров.
– №2010149939/05; заявл. 07.12.10; опубл. 20.05.11. Бюл. №14.
6. Свидетельство 2017617347 RUS. Моделирование динамических процессов в оборудовании при измельчении упругих оболочек / Д.М. Козарь, П.Я.
Крауиньш. – №2017614298; заявл. 10.05.2017; опубл. 04.07.2017.
Публикации в других изданиях
7. Козарь Д.М. Повышение эффективности измельчения резины на линии
утилизации // Современные техника и технологии: Сборник трудов XVI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых
учёных. В трёх томах. Т.1. – Томск, ТПУ, 12-16 апр. 2010. – Томск: Изд. ТПУ,
2010. – С.336-337.
8. Гольдшмидт М.Г., Яворский М.И., Козарь Д.М. Энергосбережение при
проектировании машин и технологий // Энергосбережение. –2011.–№8.–C.62-64.
18
9. Козарь Д.М., Мымрин Н.Ю., Гольдшмидт М.Г. Устройство для утилизации отработанных автомобильных шин // Современные проблемы машиностроения: труды VI Международной научно-технической конференции, Томск,
28 Сентября – 2 Октября 2011. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – C.264-266.
10. Козарь Д.М., Гольдшмидт М.Г. Пути сокращения вспомогательного
времени при утилизации покрышек фрезерованием // Проблемы механики современных машин: материалы V Международной конференции, Улан-Удэ, 25-30
Июня 2012. – Улан-Удэ: Восточно-Сибирский государственный университет
технологий и управления, 2012. – Т.1 – C.67-71.
11. Козарь Д.М., Крауиньш П.Я. Математическая модель станка для утилизации автомобильных покрышек фрезерованием // Проблемы механики современных машин: материалы V Международной конференции, Улан-Удэ, 25-30
Июня 2012. – Улан-Удэ: Восточно-Сибирский государственный университет
технологий и управления, 2012. – Т.1 – C.213-216.
12. Крауиньш П.Я., Гольдшмидт М.Г., Буханченко С.Е., Козарь Д.М. Информационное обеспечение математических моделей в технических задачах //
Проблемы информатики. – 2012. – №5 – C.134-137.
13. Козарь Д.М., Крауиньш П.Я. Определение радиальной и тангенциальной жесткости автомобильной покрышки // Современные проблемы теории машин: материалы I Международной заочной научно-практической конференции,
Новокузнецк, 13-20 Мая 2013. – Новокузнецк: Издательский центр СибГИУ,
2013. – C.136-140.
14. Козарь Д.М., Крауиньш П.Я. Определение собственной частоты колебаний упругой оболочки и ее присоединительной массы // Теоретические и прикладные аспекты современной науки: сборник научных трудов по материалам
Международной научно-практической конференции, Белгород, 30 Июня 2014. –
Белгород: Белгород, 2014. – C. 21-29
Подписано к печати _________. Формат 60×84/16.
Бумага «Снегурочка». Печать Xerox.
Усл. печ. л. 1,11. Уч.-изд. л. 1,00.
Заказ
. Тираж 100 экз.
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.
Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru
19
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа