Анализ путей влияния на жесткостные параметры пакетных рабочих органов различных факторов

АННОТАЦИЯ

В статье исследованы вопросы особенностей влияния на жёсткостные параметры пакетных конструкций, представляющих собой пакет, образованный из  жестких дисков, имеющих  малые толщины по сравнению с  его длиной и поперечными размерами различными способами. Поставленная задача решена способом качественного анализа работы пакетной конструкции на изгиб, кручение и сжатие-растяжение.

ABSTRACT

The article investigates the features of the effect on the stiffness parameters of package designs, which are a package formed of hard drives having small thicknesses in comparison with its length and transverse dimensions in various ways. The problem is solved by a method of qualitative analysis of the work of the batch design for bending, torsion and compression-tension.

Ключевые слова: гибкий пакетный стержень; изгибная жёсткость; продольная жёсткость; крутильная жёсткость; влияние конструктивных факторов; влияние эксплуатационных факторов.

Keywords: flexible packet rod; bending stiffness; longitudinal stiffness; torsional stiffness; the influence of design factors; the impact of operational factors.

Для современного машиностроения одной из характерных тенденций остается стремление к повышению производительности машин путем увеличения быстроходности, что обусловливает рост рабочих нагрузок, повышение требований к показателям точности, надежности и экономичности.

Одновременное удовлетворение указанных противоречивых требований является весьма сложной задачей, успешное решение которой требует использования нетрадиционных подходов к ее решению. Одним из таких подходов является оптимальное проектирование. Особенностью оптимального проектирования является нахождение оптимального или экстремального значения некоторого параметра, например, массы или стоимости при нескольких заданных исходных параметрах или факторах ограничения. Увеличение количества подлежащих к учету факторов при одновременном повышении требований к точности проектирования, характерные оптимальному проектированию, привели к потребности резкого повышения точности определения указанных факторов, имеющих различную физическую природу. В условиях интенсификации рабочих процессов и усложнения конструкции, особенно характерных для развития машин текстильной, легкой и хлопковой промышленности в последние годы выдвигают на передний план проблемы динамики и прочности, в частности расчетов на вибрацию. Эти проблемы приобретают особую актуальность при проектировании составных рабочих органов, имеющих пакеты, образованные из плоских  рабочих и прокладочных элементов. К ним относятся основные рабочие органы ряда технологических машин текстильной и легкой промышленности – тканеформирующие органы многозевных ткацких машин типа ТММ-360, разделительные цилиндры чесальных аппаратов, конденсоры чесально-вязальных агрегатов ЧН-180, наборные валы отделочных машин, пильные цилиндры в различных хлопковых машинах, ножевые барабаны трепальных машин и т.д. При этом имеется в виду, что рассматриваемые составные конструкции работают как монолитное тело. Проведем исследование путей влияния на жесткостные параметры таких рабочих органов различных конструктивных и эксплуатационных факторов методом качественного анализа. Были выполнены исследования теоретических основ определения изгибной жесткости пакетных конструкций, вопросов определения изгибной жесткости  пакетных конструкций и вопросов аналитического и феноменологического определения параметров  изгибной, крутильной и продольной жесткостей пакетных конструкций, в результате чего было выявлено в частности, что изгибная жесткость гибких пакетных стержней (ГПС) в виде плоских элементов, стянутых в пакет продольным усилием сжатия  в первом приближении может быть определена как удвоенное произведение усилия сжатия на квадрат расстояния от крайней точки на поверхности контакта плоских элементов на вогнутой стороне изгибающегося ГПС до геометрической оси сжимающей его гибкой нити R.

Такие ГПС являются составной частью основных рабочих органов ряда технологических машин, строительных конструкций и способствуют обеспечиванию требуемой их жесткости. Исследуем особенностей влияния на жесткостные параметры ГПС конструктивных и эксплуатационных факторов.

Принимаем следующие условности и допущения, которым будем следовать в пределах этой работы.

а. Пакетный стержень – это составная конструкция, состоящая из плоских элементов произвольной конфигурации, возможно из различных материалов, соединенных в пакет любым способом. Основным требованием, которому должен отвечать пакетный стержень – его способность сохранения целостности конструкции при внешнем силовом воздействии.

б. Пакетный стержень описанного вида и выполняющий  определенную конструктивную или технологическую функцию будем называть пакетным рабочим органом. Наиболее характерными представителями пакетных рабочих органов данного типа являются пильные цилиндры различных хлопкоочистительных машин.

в. Пакетный стержень, в котором образование пакета производит не обладающая изгибной и крутильной жесткостью гибкая нить, будем называть гибким пакетным стержнем (ГПС).

г. Пакетный стержень, который образован не благодаря усилию сжатия пакета, а благодаря тому, что плоские элементы по контактным поверхностям скреплены друг с другом так, что пакет может работать на растяжение, изгиб и кручение, будем называть монолитным пакетным стержнем (МПС).

О путях влияния на жесткостные параметры ГПС конструктивных и эксплуатационных факторов. Влияние на жесткостные параметры пакетных рабочих органов различных факторов определяется в основном их влиянием на жесткостные параметры ГПС, являющихся конструктивной частью пакетных рабочих органов. Толщины плоских элементов пакета ГПС на 2-3 порядка меньше его поперечных размеров. В связи с этим при действии продольных сил сжатия на пакет практически весь его объем состоит в объемном напряженном состоянии и испытывает контактные объемные деформации. Особенно велика роль объемных деформаций в пакетах ГПС, состоящих из плоских элементов с прерывистыми поверхностями контакта между ними. Проведенный теоретический анализ показывает, что конструктивные и эксплуатационные факторы на величины жесткостных параметров всех видов ГПС оказывают опосредованное влияние в первую очередь вследствие изменения величин объемных контактных упругих и пластических деформаций дисковых элементов пакета под действием изменения силы сжатия пакета и внешних силовых факторов, изменения формы, геометрических размеров элементов пакета, количества элементов пакета и величин контактных поверхностей между ними, толщины элементов и материала элементов, времени и других факторов. Другим важным путем опосредованного влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на величины жесткостных параметров ГПС является изменение величин сил трения на поверхностях взаимного контакта плоских элементов пакета под действием силы сжатия пакета, изменения формы, геометрических размеров и распределения поверхностей контакта плоских элементов, количества поверхностей контакта плоских элементов, фрикционных свойств материала плоских элементов, состояния контактных поверхностей и наличия на них веществ с фрикционными или антифрикционными свойствами. И, наконец, конструктивные и эксплуатационные факторы могут оказывать влияние на величины жесткостных параметров ГПС также вследствие появления и изменения величин упругих и пластических продольных деформаций стягивающих элементов пакета под действием изменения силы их растяжения, геометрических размеров их поперечных сечений и длины, механических свойств материала нити во времени, ее износа, явлений релаксации и т.д.

Особенности влияния упругих и пластических контактных деформаций плоских элементов, возникающих в процессе эксплуатации, в основном заключается в следующем:

Контактные деформации приводят к уменьшению численных значений всех жесткостных параметров ГПС. При этом если упругие деформации обуславливают незначительное уменьшение жесткостей, то пластические деформации приводят к значительному уменьшению изгибной, продольной и крутильной жесткостей ГПС. С увеличением величин первичных упругих и пластических контактных деформаций, вызванных монтажным усилием сжатия, снижается чувствительность к действию контактных деформаций, вызываемых впоследствии рабочими нагрузками.

Особенности влияния сил трения между плоскими элементами определены следующим образом:

Силы трения между плоскими элементами развивают силы и моменты сил трения, дополняющие силы и моменты, образуемые усилием растяжения гибких нитей, и способствуют увеличению жесткости на изгиб и кручение ГПС.

Силы трения в определенной мере препятствуют развитию упругих и пластических контактных деформаций плоских элементов, и таким образом, способствуют некоторому увеличению изгибной продольной и крутильной жесткости ГПС. Особенности влияния упругих и пластических деформаций стягивающих элементов пакета плоских элементов заключаются в следующем:

Дополнительные упругие деформации стягивающих элементов пакета при рабочем нагружении способствуют появлению дополнительных усилий сжатия в них, и увеличению таким образом величины изгибной, продольной и крутильной жесткостей.

Пластические же деформации стягивающих элементов пакета способствуют уменьшению усилий сжатия пакета и уменьшению, таким образом, и величин параметров жесткостей всех видов. Качественный анализ влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на жесткостные параметры ГПС. Влияние величины усилия сжатия пакета. Величина усилия сжатия пакета определяет величину контактных деформаций при отсутствии внешней рабочей нагрузки. Благодаря отмеченным выше характерным особенностям влияние контактных деформаций на параметры жесткости при сжатии ГПС с увеличением усилия сжатия пакета степень относительного ее влияния уменьшается. При этом параметры жесткости при сжатии ГПС монотонно возрастают и асимптотически приближаются к расчетным величинам, определенным для монолитного пакетного стержня. Влияние количества плоских элементов пакета. Количество плоских элементов пакета ГПС определяет количество контактных поверхностей, поэтому, чем больше количество плоских элементов, тем больше влияние всех других факторов, действующих благодаря контактным деформациям, например, величины усилия сжатия на жесткостные параметры ГПС при сжатии. При прочих неизменных конструктивных факторах увеличение числа плоских элементов приводит к неуклонному уменьшению величин жесткостных параметров ГПС.

Влияние физико-механических свойств материала плоских элементов. Величина контактных деформаций при прочих равных условиях зависит от механических свойств материала плоских элементов, а сила трения – от коэффициента трения материалов. Поэтому с увеличением величины модуля упругости, твердости, величины коэффициента взаимного трения материалов неизменно увеличиваются жесткостные параметры ГПС. И наоборот, уменьшение перечисленных параметров, а также увеличение пластичности материалов плоских элементов будут приводить к уменьшению жесткостных параметров ГПС. Влияние геометрических параметров плоских элементов пакета. В случаях, когда поверхности контакта представляют собой не сплошные плоскости, а прерывистые, интенсивность контактных деформаций возрастает. Поэтому с уменьшением величин одного или двух размеров площадей контакта во взаимоперпендикулярных направлениях в результате увеличения контактных деформаций плоских элементов при рабочем нагружении ГПС и его параметры жесткости уменьшаются. Определенное влияние оказывает также характер распределения отдельных поверхностей контакта по поперечному сечению. С увеличением степени рассредоточенности отдельных поверхностей контакта, увеличением расстояний между ними также будет происходить интенсификация контактных деформаций и уменьшение параметров жесткости ГПС. Имеют определенное значение также величина углов откоса нерабочих поверхностей, примыкающих к контактным поверхностям и характер перехода одних нерабочих поверхностей в другие. Уменьшение углов откоса до нуля и тем более их отрицательные значения, а также уменьшения их радиусов перехода одних поверхностей в другие также приводят к интенсификации контактных деформаций, что в конечном итоге будет приводить к уменьшению параметров жесткости ГПС. Влияние состояния поверхностей контакта плоских элементов пакета. В развитии деформаций сжатия, а также контактных деформаций, определенную роль играет наличие и величина сил трения в поверхностях контакта взаимодействующих элементов. В связи с этим состояние поверхностей контакта плоских элементов будет оказывать определенное влияние также и на величину жесткостных параметров ГПС. Так, уменьшение показателей шероховатости контактных поверхностей, наличие в зоне контакта посторонних веществ, оказывающих смазочное действие, в конечном счете, будут приводить к уменьшению параметров жесткости, особенно крутильной, ГПС. И наоборот, увеличение шероховатости, и наличие в зоне контакта веществ с фрикционными свойствами будет оказывать противоположный эффект. Влияние точности выполнения геометрических форм и размеров.

Как показывают эксперименты, при небольших значениях усилия сжатия параметры жесткости ГПС имеют значительно меньшие значения и имеют устойчивую тенденцию к увеличению с ее увеличением. Одним из главных причин этого явления является то обстоятельство, что имеются отклонения от плоскостности и параллельности контактных поверхностей плоских элементов, например, их коробоватости вследствие наличия погрешностей изготовления, а также наличия остаточных пластических деформаций и внутренних напряжений. Поэтому при малых значениях усилия сжатия численные показатели жесткости ГПС имеют пониженные значения. Однако с увеличением усилия сжатия плоские элементы испытывая упругие и небольшие пластические деформации, начинают контактировать большей частью контактных поверхностей и соответственно параметры жесткости ГПС постепенно увеличиваются. Очевидно, эта тенденция будет иметь место до определенного значения усилия сжатия, при котором обеспечивается плотный контакт всех элементов по всей контактной поверхности. Отсюда следует, что с увеличением точности выполнения геометрических форм и размеров плоских элементов в направлении продольной оси стержня будет способствовать увеличению жесткостных показателей при значениях усилия сжатия, меньших определенной величины. Такую величину некоторые авторы считают наименьшим допустимым значением осевого усилия сжатия в пакетных рабочих органах.

Влияние фактора времени, как показывают наши наблюдения, проявляются независимо от того, находится ли пакетный рабочий орган в эксплуатации или на хранении. Влияние фактора времени обусловлено явлениями ползучести и релаксации и реологическими свойствами исследуемых объектов. В связи с этим это влияние больше проявляется в пакетных конструкциях, в которых применены цветные металлы и ряд неметаллических материалов. Использование же только черных металлов в реальных конструкциях определенно исключает время как фактор влияния на жесткостные параметры. Если при умеренных усилиях сжатия как в рабочих валиках джинов с плоскими элементами влияние фактора времени проявляется наиболее четко, то при очень больших предварительных и номинальных усилиях как в наборных валах отделочных машин это влияние практически отсутствует. Проведенный нами анализ показывает, что влияние фактора времени на жесткостные параметры ГПС качественно может быть представлено следующим образом. С течением времени величины контактных деформации плоских элементов, выполненных их цветных металлов, например, из алюминия благодаря явлениям ползучести и релаксации возрастают, а контактных напряжений уменьшается и в результате усилия сжатия пакетов уменьшаются. Конечным результатом этого процесса является некоторое уменьшение величины параметров жесткости ГПС при небольших усилиях внешнего сжатия пакетного стержня.

Основными факторами влияния на жесткостные параметры ГПС конструктивных факторов являются количество, форма, геометрические размеры элементов пакета, величины контактных поверхностей между ними, толщина элементов, материал элементов, фрикционные свойств материала плоских элементов, состояние контактных поверхностей и наличие на них веществ с фрикционными или антифрикционными свойствами.

Выполнен качественный анализ особенностей влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на жесткостные параметры ГПС.

Основными путями влияния на жёсткостные параметры пакетных конструкций конструктивных и эксплуатационных факторов являются изменение величин объемных контактных упругих и пластических деформаций дисковых элементов пакета, изменение величин сил трения на поверхностях взаимного контакта плоских элементов, и изменение величин упругих и пластических продольных деформаций стягивающих элементов пакета. Выполнен качественный анализ особенностей влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на жесткостные параметры ГПС.

Список литературы:
1. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том 1. – М.: Машиностроение, 1968. – 832 с.
2. Абдувахидов М. Исследование изгибных и крутильных колебаний пакетных роторов. // Проблемы машиностроения и надежности машин.-1994.-Т.5. -С. 141. 3. Абдувахидов М. Динамика пакетных роторов текстильных машин. Монография. –Т.: Фан, 2011 - 165 с.
3. Abduvaxidov M. Paxta tozalash mashinalari taxlamli ishchi organlari mexanikasi. Monografiya. –Т.: TTYSI, 2017. - 258 с.
4. Акрамжанов Д. Исследование вопросов аналитического определения параметров жесткости пакетных конструкций. // Научный журнал Universum: Выпуск: 4(61)-Апрель 2019. –C. 16.