Разработка и исследование приводов возвратно-вращательного движения для оборудования отделочных производств: На примере жидкостного экономайзера

Актуальность темы

.

В некоторых видах оборудования для отделки тканей используется возвратновращательное движение рабочих органов. В деталях механизмов привода при этом могут возникать значительные нагрузки, обусловленные силами инерции, которые в свою очередь зависят от закона движения выходного звена. Эти нагрузки способствуют снижению ресурса машины, а также увеличению затрат энергии. Установка маховиков в таких механизмах решает задачу частично, поскольку при этом уменьшается влияние инерционных нагрузок на двигатель. Нагрузки же на звенья и подшипниковые узлы механизма остаются, поэтому их изготавливают массивными, что приводит к увеличению инерционных сил. Для сглаживания их влияния на двигатель требуется большой момент инерции масс маховика. В связи с этим возникает необходимость уравновешивания колебаний другими методами, например, при помощи пружин или маятника, подобно часовым механизмам, что позволяет снизить затраты энергии на работу механизма. Используя этот принцип можно создавать самые разнообразные приводы возвратновращательного движения.

При создании оборудования для утилизации тепла сточных вод промывных линий возникла проблема очистки теплообменной поверхности аппарата от загрязнений. Установлено, что применение возвратновращательного движения теплообменника с определенной частотой и амплитудой предотвращает их отложение. Этот эффект используется в экономайзерах жидкостных динамических (ЭЖД), разработанных для комплектования линий, в составе которых имеются промывные ванны башенного.

— б типа. Эффективность и надежность работы этих аппаратов определяется выбранной схемой привода возвратновращательного движения.

Цель и задачи работы.

Цель настоящей работы — разработка приводоввозвратно-вращательного движения для жидкостных динамических экономайзеров.

В процессе работы необходимо решить следующие задачи:

— разработать конструкцию жидкостного экономайзера с приводом, обеспечивающим длительный режим работы;

— разработать ряд механизмов привода возвратновращательного движения ротора экономайзера;

— разработать методику расчета этих механизмов;

— определить технические характеристики механизмов привода;

— провести сравнительный анализ механизмов привода ротора экономайзера;

— экспериментально исследовать механические явления, происходящие в экономайзере при работе приводов, рекомендованных к применению;

— экспериментально определить технологические параметры экономайзера с приводом возвратно-вращательного движения;

— построить математическую модель процесса теплообмена для экономайзера с предлагаемым приводом.

Методика исследования.

Диссертационная работа содержит теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования проводились методом математического моделирования с применением средств вычислительной техники. Экспериментальные исследования проводились на специально спроектированном стенде СРТ-1. Некоторые характеристики получены при исследовании работы экономайзера в производственных условиях. Математическая обработка результатов производилась с использованием пакета прикладных программ STATGRAFICS. Проверка значений скоростей и ускорений звеньев, полученных аналитически, производилась методом планов в графическом редакторе AUTOCAD.

Научная новизна.

В диссертационной работе впервые:

— получены математические модели механизмов приводов возвратно-вращательного движения роторов экономайзера 31Д-5 и импульсного привода ротора экономайзера ЭЛИ-140, проведен их динамический и силовой анализ.

— получены законы движения ротора для экономайзеров: ЭЖДГ-5/60, ЭЖД-1, ЭЖД-140, СРТ-1 в виде разложения в ряд Фурье;

— исследовано влияние различных факторов на амплитуду качания ротора и на устойчивость работы импульсного привода ротора экономайзера;

— исследовано динамическое действие воды на движущийся ротор;

— исследована работа приводов в случае, когда частота вынуждающей силы совпадает с частотой собственных колебаний ротора;

— получена зависимость теплового КПД и коэффициента теплопередачи от частоты качания ротора, амплитуды и расхода воды;

— теоретически исследована зависимость момента сил инерции на валу привода от вида гравитационного маятника;

— определена частота крутильных колебаний ротора.

Практическая ценность.

Полученные в работе уравнения и методики расчета позволяют определить работоспособность конструкций на стадии проектирования, решать задачи оптимизации работы как привода, так и аппарата в целом. Результаты исследования, алгоритмы расчета и конструктивные решения рассмотренных механизмов можно применять в других областях техники. Изложенные в работе рекомендации позволяют сократить время на разработку аппарата.

Реализация результатов работы.

Результаты работы использованы при создании опытных образцов экономайзеров ЭЗНД-10 (с импульсным приводом) и ЭВДГ-5/60 (с приводом «качающаяся шайба»), предназначенных для комплектования промывных линий типа ЛПС-140−11. Применение экономайзера такого типа на одной промывной линии при трехсменном режиме работы позволяет сэкономить 183 т условного топлива в год.

Менее эффективный образец экономайзера ЭЖД-140 с импульсным приводом, работающем в режиме, далеком от резонанса с пониженной частотой был установлен на хлопчатобумажном комбинате в г. Кохма и показал удовлетворительные результаты.

Апробация работ и публикации.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— всесоюзной конференции «Научные основы создания энергосберегающей техники и технологий» МЭИ, Москва, 1990 г.;

— заседании секции научно-технического совета Ивановского НИЭКМИ 21 сентября 1990 г.

— заседаниях кафедры механики Ивановской государственной инженерно-строительной академии, кафедры теплотехники и теории механизмов и машин Ивановской государственной текстильной академии в 1996;1998 г.

— научно-технической конференции «Актуальные проблемы отделочного производства. Прогресс-97 «. ИГТА, Иваново, 1997 г.-,.

— научно-технической конференции «Научные школы и направления в ИГАСА «. ИГАСА, Иваново, 1998 г.

— научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы в текстильной и легкой промышленности. Прогресс-98 м. ИГТА, Иваново, 1998 г.

По теме диссертации получено семь авторских свидетельств и патентов Р.Ф. и опубликован один отчет.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 160 страниц машинописного текста, 61 рисунок, 6 таблиц.

Список литературы

включает 52 наименования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработаны алгоритмы решения задач о положениях, скоростях и ускорениях для механизмов приводов возвратновращательного движения: «шарнирный четырехзвенник», «косая шайба», а также механизма привода роторов экономайзера ЭВД-5 и импульсного привода ротора экономайзера.

2. Проведен кинематический анализ указанных механизмов. Применена методика сравнения законов движения механизмов путем приведения их к общему виду разложением в ряд Фурье.

3. Показано, что при амплитудах качания ротора до 60° предпочтительно применять привод типа «косая шайба» .

4. Проведен силовой анализ рассмотренных механизмов в случае применения их для привода ротора жидкостного экономайзера горизонтального типа и получены соответствующие характеристики.

5. Получены характеристики, необходимые для прогнозирования работы импульсного привода на стадии проектирования и для его настройки при сборке.

6. В результате экспериментальных исследований получены тензограммы напряжений в роторе экономайзера с приводом «косая шайба». Показано, что аппарат работает устойчиво при частотах до 1 Гц и амплитудах до 30°.

7. Теоретически и экспериментально доказано, что при работе аппарата на резонансных частотах снижаются инерционные нагрузки в деталях механизма привода.

8. Экспериментально подтверждена методика расчета импульсного привода ротора экономайзера, в которой предложено при расчетах ударной силы считать ротор неупругим, а ударное.

— 140 воздействие на него передается через упругий элемент с жесткостью к. Опытным путем получено его значение, а также значение декремента затухания.

9. Теоретически исследована зависимость момента сил инерции на валу привода от вида гравитационного маятника. Предложена схема с уменьшенной массой груза, реализованная в экономайзере ЭЖДГ-5/60, разработанном в Ивановском НИЭКМИ.

10. Вычислена частота крутильных колебаний ротора. Экспериментально установлено, что частота колебаний зависит от угла его поворота.

11. Установлено, что наличие воды снаружи и внутри ротора уменьшает пики напряжений в деталях привода. При частотах качаний ротора свыше 1,1 Гц это явление пропадает.

12. На основании экспериментальных данных получена математическая модель процесса теплообмена для экономайзера с приводом «косая шайба». Установлены оптимальные параметры работы аппарата с точки зрения рекуперации тепла.

13. В результате эксплуатации экономайзера с импульсным приводом установлено, что работа на частоте 0,5 Гц и амплитуде 20° обеспечивает удовлетворительную очистку теплооб-менной поверхности.

14. На основании теоретических и экспериментальных исследований запатентованы и разработаны: две конструкции жидкостных экономайзеров для промывных линий отделочного производства, стенд для исследования рекуперации тепла, конструкция ротора для экономайзера, механизм «косая шайба» с регулируемой амплитудой движения.