Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Проектирование оборудования для технологического процесса виброударного упрочнения. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 122 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

специальными звукопоглощающими крышками, изолирующими свободную поверхность среды.

В наиболее полных работах последних лет [50, 55, 58], посвященных обзору состояния механики дискретных материалов (ансамблей гранул, щебней, песчинок, зерен растений, пудр и др.), приводится обширный перечень результатов исследования динамического поведения таких материалов, методов аналитического и компьютерного моделирования и др., однако исследований их акустической активности при различных режимах движения до настоящего времени не выполнялось. Результаты экспериментов, описанные в упоминавшихся выше работах [39, 43], показывают, что спектральные характеристики шума, создаваемого технологической системой “вибрационный станок–рабочая среда–деталь” не позволяют удовлетворительно дифференцировать составляющие акустической мощности, генерируемой каждой компонентой технологической системы. В связи с тем, что методы моделирования акустической активности колебательных систем типа вибрационных станков достаточно хорошо изучены, разработка адекватной модели генерации шума движущейся рабочей средой представляет значительный научный и практический интерес. Эти обстоятельство делает актуальной задачу разработки модели, учитывающей вклад процесса динамического взаимодействия рабочей среды с поверхностью упрочняемого изделия в общую акустическую активность технологического процесса виброупрочнения и выработки на основе результатов моделирования инженерных рекомендаций по ее снижению.

Естественно, разработка требуемого модельного представления, которое должно приводить к согласованным с экспериментом количественным результатам, может базироваться только на той или иной методике моделирования динамического состояния гранулированной рабочей среды в вибрационном контейнере.

При всем многообразии разработанных моделей динамики быстрых движений гранулированной среды их можно достаточно четко разделить на три больших класса [50]. Это, в первую очередь, модели частных динамических явлений типа вибротранспортирования, вибробункеризации, представляющие собой обыкновенные дифференциальные уравнения, описывающие конкретный процесс. Разработка эффективных моделей такого типа связана с именами И.И. Блехмана, И.Ф. Гончаревича [35], Р. Бэгнголда [12], С.Б. Сэвиджа [51], Р.П. Берингера [53] и др. [15]. Ко второму классу можно отнести феноменологические модели сплошной среды [10, 21], получаемые на основе кинетических концепций, либо тех или иных гипотез относительно возникновения напряжений в среде [10] с помощью процедур усреднения по пространству и (или) по времени. Третий класс, получивший наибольшее распространение в последнее десятилетие, – прямые компьютерные модели, основывающиеся только на законах взаимодействия в среде.

До 1980-х годов скорость компьютерной обработки и возможности хранения данных были весьма ограничены для изучения систем тысяч частиц. Однако, поскольку скорость современных компьютеров увеличилась, а их стоимость снизилась, машинное моделирование стало все более и более эффективным инструментом для изучения гранулярных материалов. Прямое компьютерное моделирование, получившее также название «симуляция» предлагает несколько важных возможностей изучения гранулярной динамики. Возможно наиболее значительное – то, что состояние системы частиц известно в любой момент моделирования. Таким образом, может быть исследована внутренняя область потока, что затруднено в экспериментах. Большинство методов машинного моделирования гранулярных течений – это методы дискретных элементов. Термин «дискретный элемент» относится к тому факту, что симуляция моделирует гранулярный материал как систему инди-

видуальных частиц. Примерами таких методов являются методы Монте-Карло [54], клеточного автомата, жестких и мягких частиц.

Методы Монте-Карло основаны на статистике. Состояние гранулярного ансамбля выбирается на основании энергии конфигурации. Для каждого нового состояния частицам дают случайную скорость или позицию в соответствии с некоторой функцией распределения. Конфигурация, которая дает самую низкую энергию системы, выбирается как новое состояние. Движение частиц системы управляется физическим ограничителем, которым является минимум энергии состояния.

Другая техника моделирования дискретными элементами – метод клеточного автомата. Это кинематический подход, в соот- ветствии с которым частицы привязаны в движении к дискретным узлам решетки. В каждом шаге по времени частицам позволяют двигаться в соседние пустые узлы решетки при ограничении, состоящем в том, что в каждый момент времени только одна частица может занять данный узел решетки. Перемещения частицы также управляются вероятностной функцией, которая отражает физику системы [55].

Методы жестких частиц развиты из методов моделирования молекулярной динамики разреженных газов. Индивидуальные частицы перемещаются по строго определенным траекториям (обычно баллистическим траекториям в поле тяжести), пока не происходит столкновение с другой частицей или границей. Взаимодействия частиц друг с другом и со стенкой моделируются как бинарные, мгновенные столкновения, и постударные состояния частиц легко определяются из классической динамики материальной точки [50]. Из-за допущения бинарности и мгновенности столкновений этот метод более соответствует невысокой плотности среды, движущейся с большой скоростью.

При моделировании мягкими частицами силы, действующие на каждую гранулу системы, определены. Используя уравнения ди-

намики, находят ускорение каждой частицы, интегрируя которое во

 

5 10 2

4,5



  



   

1,5

времени, получают скорости и координаты. Новые силы рассчитываются на основе обновленных состояний частиц, и процедура повторяется, пока не будут достигнуты некоторые критерии окончания. Этот тип моделирования дискретными элементами – возможно, наиболее общая техника моделирования, впервые обоснованная Дж. Даффи и Р.Д. Миндлином [60] и получившая наиболее интенсивное развитие в работах исследователей калифорнийской группы [52, 58]. Метод был эффективно применен к анализу гранулярных течений в бункерах и вибрационных контейнерах. Основным недостатком в использовании подхода мягких частиц является то, что он требует большей вычислительной мощности, чем другие техники моделирования.

С учетом того, что моделируемая система испытывает весьма интенсивное вибрационное возбуждение, которому соответствует величина коэффициента виброперегрузки

, (1.1)

где A = 5 мм – амплитуда; f = 15 Гц – частота колебаний вибропли-

ты; g – ускорение свободного падения,

а метод жестких частиц, обладая наибольшей производительностью, позволяет эффективно моделировать динамику гранулярных систем, возбуждаемых с интенсивностью

[32], в работе будет

использован подход, основанный на концепции жестких частиц.

Такой подход реализован в программном комплексе GranMoS (Granul Motion Simulator №2000610902 в Госреестре) разработки ДГТУ. Комплекс предназначен [50] для моделирования технологических машин, использующих гранулированные среды – вибробункеров, сепараторов и др. Он позволяет в интерактивном режиме сформировать двумерный резервуар, заполненный тождественными сферическими гранулами, задать законы и параметры их взаимодействия, движение резервуара, начальное распределение скоро-

стей частиц среды и далее, в результате прямого моделирования движений в системе – получить видеоклип с изображением движущихся частиц, поле скоростей, механических напряжений и другие интегральные характеристики системы. Согласно прилагаемой документации продолжительность симуляции, в зависимости от сложности моделируемой системы (500-5000 частиц) и производительности ЭВМ, составляет от десятков минут до десятков часов. Следует отметить, что установленные правила подобия [11, 50] позволяют перенести полученные моделированием качественные и количественные закономерности динамики малых систем на значительно большие, содержащие уже не тысячи, а миллионы частиц рабочей среды.

Однако предполагаемая к использованию программная система моделирования не располагает средствами для определения мощности воздействия движущейся гранулированной среды на ограничивающие стенки. Поэтому задачей следующего раздела будет построение расчетной методики, позволяющей по результатам моделирования фазовой траектории гранулярной массы загрузки (массива координат и скоростей всех частиц, привязанных к событиям за весь период моделирования) вычислить необходимую для определения виброактивности среды мощность. Для этого рассмотрим основные физические принципы моделирования гранулярной системы совокупностью жестких частиц, вводимые допущения и их обоснованность при моделировании динамики среды в технологической системе виброупрочнения лонжерона.

Принципиальным является допущение о плоском характере движения среды, согласно ему в каждом продольном сечении вибрационного контейнера должна наблюдаться тождественная картина. Это допущение следует признать обоснованным в связи с тем, что вибрационная плита является очень жесткой, движущейся поступательно вертикально. Опытные наблюдения подтверждают от-

сутствие каких-либо поперечных потоков, нарушающих плоский характер движения среды.

Следующим допущением является пренебрежение пневматическими и аэродинамическими эффектами, влияющими на движение частиц среды. Как показывают результаты тонких экспериментов, при диаметре частиц более 0,2 мм и плотности свыше 2 г/cм3 указанные эффекты никак не проявляются.

Несущественным, но значительно уменьшающим вычислительную трудоемкость моделирования, является допущение об отсутствии собственного вращения шариков рабочей среды. Для стальных шариков типа используемых при упрочнении лонжерона вклад их собственного вращения в энергетический баланс процесса не превосходит 0,05%, не приводит ни к каким изменениям в характере движения среды. Это обусловлено быстрым затуханием вращательного движения, сообщенного частицам возбуждающими стенками контейнера, и малостью коэффициента трения закаленной полированной стали о сталь, алюминиевые сплавы и резиноподобные материалы, чаще всего используемые в качестве облицовок контейнеров. Ротационные эффекты могут быть существенными при учете вращения детали за счет градиента скоростей среды. Однако в схеме упрочнения с закреплением изделия такие эффекты исключены.

Никаких других допущений о свойствах среды стальных шариков типа изменения плотности среды вдоль контейнера не требуется – алгоритм моделирования автоматически учитывает процессы такого рода.

1.2. Исследование шума и вибрации вибрационных станков

Исследование шума и вибрации вибрационных станков типа U-образный и торовый проводились в лабораториях кафедры «Технология машиностроения» ДГТУ [1, 43]. Несмотря на различия

компоновок, у этих станков зафиксированы общие закономерности

L,дБ

125 500 2000 8000 f, Гц

Рис. 1.2. Спектр шума станков для вибрационной обработки:

1 – СВТ-10 с закрытой крышкой; 2 – СВТ-10 с открытой крышкой;

3 – УВГ 4х10; 4 – УВГ 2х50; 5 – помехи; 6 – норматив шума

в процессах формирования вибрации и шума.

Спектры шума носят четко выраженный среднечастотный характер, что является характерной особенностью этих станков. Начиная с частоты 2000 Гц, уровни шума резко уменьшаются (рис. 1.2, 1.3). Разница уровней звукового давления в высокочастотной части спектра 2000-8000 Гц на 20-27 дБ ниже, чем в низкочастотной части: 63-1000 Гц.

распределение интенсивности шума в среднечастотной части спектра 63-1000 Гц. А у U-образных станков спектры шума практически узкополосные, ограниченные диапазоном частот 500-1000 Гц, поскольку разница уровней звукового давления в этом интервале ча-

У торовых станков спектры шума имеют почти равномерное

стот и на остальных среднегеометрических частотах активных

фильтров составляет 10 и более дБ. Это позволяет сделать предпо-

f, Гц

Рис. 1.3. Спектры шума станков с различными средами:

1 – с абразивом; 2 – с металлическими шарами; 3 – пустая камера

ложение, что у этих станков имеется достаточно ограниченное число излучателей звуковой энергии, имеющих высокую интенсивность.

Торовый станок обладает невысокими звукоизолирующими характеристиками крышки и корпуса. Полная идентичность спектров шума при закрытой и открытой крышке и то, что разница уровней шума при этих измерениях не превышает 8 дБ, является наглядным подтверждением этого. Эти данные позволяют сделать вывод о существенном вкладе структурной составляющей шума.

Теоретическое исследование шума вибрационных станков [43] основано на использовании двух моделей излучателей звука: точечного источника для камер торовых, U-образных и прямоугольных камер, и пластины, возбуждаемой точечной силой для плиты, на которой установлены прямоугольные камеры.

В качестве динамической модели камеры вибрационного станка использовалась модель твердого тела, установленного на жестком основании. Положение камеры определяется шестимерным вектором обобщенных координат.

1.3. Техническое средство для наклепа наружной и внутренней поверхности лонжеронов виброударным способом

Техническое средство для наружной и внутренней поверхно-

сти лонжеронов виброударным способом (стенд) состоит из опорной рамы, установленной на фундаменте, вибрирующей рамы, опирающейся на опорную раму через амортизаторы, четырех контейнеров, крепящихся к ложементам верхней плоскости виброрамы с помощью гидрофицированных прихватов, а также подъемного устройства, несущего ящики для рабочей среды (шариков). Колеба-

ния виброрамы (частота 85050 мин-1, или 14,170,83 Гц, амплитуда 50,5 мм) передаются от четырех валов – вибраторов, установ-

ленных в виброраме на двухрядных роликовых сферических подшипниках и снабженных эксцентричными грузами. Все четыре вала вращаются синхронно и синфазно. Привод валов осуществляется четырьмя электродвигателями (по два с каждой стороны стенда) мощностью по 28 кВт через установленные также с обеих сторон стенда синхронизаторы, в которых два вибровала, получающие вращения от электродвигателя через ременные передачи, связаны друг с другом жесткой кинематической связью. Электродвигатели синхронизаторов смонтированы на индивидуальных подрамниках по обе стороны от стенда.

Связь между вибровалами, установленными на колеблющихся виброрамах и выходными валами синхронизаторов, установленных на неподвижных подрамниках, осуществляется через промежуточные карданные валы.

Синфазность колебаний виброрамы обеспечивается взаимной идентичной установкой эксцентриков на вибровалах.

Возле одного из торцов вибростенда смонтированы подъемники контейнеров (ящиков) с шариками для загрузки последних в рабочие контейнеры, в которых устанавливаются обрабатываемые заготовки лонжеронов.

Стенд работает следующим образом. На специальных стеллажах четыре заготовки лонжеронов устанавливаются в четыре контейнера, в каждом из которых лонжерон занимает положение, соответствующее одному из четырех технологических переходов операции виброобработки. Контейнеры с лонжеронами переносятся на верхнюю поверхность вибростенда, занимая на нем наклонное положение. Из поднятых ящиков с шариками в каждый из контейнеров поступает то весовое количество шариков, которое соответствует определенному технологическому переходу. После этого ящики с шариками опускаются в исходное положение, а кронштейны с лонжеронами устанавливаются в горизонтальном положении на ложементах виброрамы и фиксируются прихватами. Включаются электродвигатели вибровалов, и виброрама получает колебания вместе с контейнерами, содержащими лонжероны и рабочую среду (шарики). В каждом из контейнеров вибронаклепу подвергаются определенные поверхности лонжерона. Длительность процесса виброобработки – 10 мин. После этого стенд отключается, а заготовки в контейнерах меняют свое положение в определенном порядке с таким расчетом, чтобы за четыре перехода были упрочнены все предусмотренные документацией внутренние и наружные поверхности лонжерона.

Несмотря на накопленный опыт теоретических и экспериментальных исследований процессов ВиОУО, этот способ обработки на однокоординатных вибрационных станках, на которых проводится процесс виброударного упрочнения лонжеронов, недостаточ-

<<< < Предыдущая 12 / 122 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]