Науково-прикладні основи створення гвинтових транспортно-технологічних механізмів

Abstract

Дисертаційна робота присвячена важливій науково-технічній проблемі, яка полягає в розробленні науково-прикладних основ створення гвинтових транспортно-технологічних механізмів. Для цього на основі механіко-математичних методів, а також розробленої методики структурного синтезу гвинтових механізмів з розподілом конструктивних ознак їх елементів на ієрархічні групи та підгрупи запропоновано методику вибору гвинтових транспортно-технологічних механізмів за чотирма параметрами: зведеною собівартістю, продуктивністю, якістю виконання процесу та запасом міцності з урахуванням динамічного навантаження слабшої ланки. Проведено математичне моделювання характеру навантаження на шнек, виведено нелінійні диференціальні рівняння його поперечних і крутильних коливань, розроблено математичні моделі динамічних процесів роботи гвинтових механізмів. Реалізовано комплекс експериментальних досліджень для встановлення функціонально-експлуатаційних характеристик розроблених гвинтових механізмів і їх муфт з використанням розробленого стендового обладнання з автоматизованим електроприводом. Проведено багатокритеріальну оптимізацію параметрів гвинтових транспортно-технологічних механізмів і розроблено алгоритм їх проектування, що складається з дванадцяти основних етапів, який забезпечує вибір найраціональніших конструкцій для виконання визначених функціональних операцій. Результати досліджень впроваджені на виробничих підприємствах. Диссертационная работа посвящена важной научно-технической проблеме, которая заключается в разработке научно-прикладных основ создания винтовых транспортно-технологических механизмов. Для этого на основе механико-математических методов, а также разработанной методики структурного синтеза винтовых механизмов с распределением конструктивных признаков их элементов на иерархические группы и подгруппы с учетом существенности влияния выбора этих признаков на достижение заданных критериев оценки предложена методика выбора винтовых транспортно-технологических механизмов за четырьмя параметрами: возведенной себестоимостью, производительностью, качеством выполнения процесса и запасом прочности с учетом динамической нагрузки более слабого звена. Установлена взаимосвязь конструктивных характеристик винтовых механических систем и защитных механизмов от характера нагрузки и разработана модель выбора предохранительных муфт винтовых транспортно-технологических механизмов за разработанной классификацией в зависимости от их функционального назначения. Разработаны нелинейные математические модели поперечных и крутильных колебаний шнека, из которых установлены зависимости АЧХ от угловой скорости вращения, длины, продольной силы, физико-механических характеристик материалов, периодического возмущения (в том числе импульсного). Приведены особенности динамического процесса шнека, которые получили практическое приложение для расслоения материала путем его кратковременной эксплуатации в резонансной зоне с целью устранения «мертвых зон». Также проведено оценивание напряжений, которые предопределены поперечными колебаниями шнека. Проведено математическое моделирование характера нагрузки на шнек и разработаны математические модели динамических процессов, которые возникают в работе винтового сепаратора с импульсными возмущениями рабочей среды и винтового транспортера-смесителя, выведено уравнение для расчета динамических моментов. Согласно разработанной методики математического планирования эксперимента по плану полнофакторного эксперимента реализован комплекс экспериментальных исследований для установления функционально-эксплуатационных характеристик разработанных винтовых механизмов и их муфт с использованием разработанного стендового оборудования, в котором использовался автоматизированный привод с преобразователем частоты и персональным компьютером с соответствующим программным обеспечением. Проведена многокритериальная оптимизация параметров винтовых транспортно-технологических механизмов за критериями трудоемкости выполнения сопутствующих технологических операций, энергозатратами и материалоемкостью, где за комплексный критерий принята сумма стоимостного эквивалента использованного ресурса. Основными параметрами оптимизации избрано восемь переменных: внешний диаметр желоба, относительный зазор между желобом и внешней кромкой шнека, тангенс угла подъема витка, коэффициент быстроходности, тангенс угла наклона конвейера, коэффициент соотношения внутреннего и внешнего диаметров спирали, толщину винтовой спирали и длину технологического конвейера. Целевая функция представлена энергоемкостью процесса смешивания в виде квадратного полинома, а на смену этих переменных параметров наложено 6 ограничений. На основе решений дифференциальных уравнений выведены аналитические зависимости для определения оптимальных параметров конкретных конструкций винтовых механизмов. Разработаны инженерная методика и алгоритм проектирования винтовых транспортно-технологических механизмов, которые предусматривают проектирование и отбор самых рациональных конструкций для выполнения определенных функциональных операций согласно разработанных в диссертации принципов, которые предусматривают двенадцать основных этапов. Результаты исследований внедренные на производственных предприятиях. Dissertation is devoted to the important scientific - technological problem which deals with the development of the scientific-applied bases of creation of screw transporting technological mechanisms. For this purpose, on the basis of mechanic-mathematic methods, as well as the developed method of structural synthesis of screw mechanisms with their structural elements features distributing on hierarchical groups and sub-groups, the method of screw transport technological mechanisms chose is offered according to four parameters: overall prime cost, productivity, quality of process operation and strength capacity taking into account the dynamic loading of the weakest link. The mathematical design of the type of loading on the screw, is carried out. Nonlinear differential equations of its transversal and turning vibrations are deduced. Mathematical models of dynamic processes of the screw mechanisms operation are developed. The complex of experimental researches for establishment of functional operating characteristics of the developed screw mechanisms and their clutches taking advantage of the developed stand equipment with the automated electric drive was realized. Multicriterion optimization of the screw transporting technological mechanisms parameters is presented and the algorithm of their designing which consists of twelve basic stages was carried out which provides the choice of the most efficient constructions for fulfillment of functional operations. The results of investigation have already been applied in the national production.