Автоматизированная система поддержки конструкторско-технологических решений при модернизации технологического оборудования: На примере шпиндельного узла

Для современного производства характерна тенденция постоянного повышения производительности. Рост производительности технологического оборудования обуславливает увеличение скорости вращения и как следствие повышение мощности и постоянное повышение точности. Вместе с тем станкостроение требует преемственности конструктивных решений ввиду консервативности производства (например, в текстильной промышленности). В этом случае применение принципиально новых решений становится экономически нецелесообразным, так как потребитель продукции не готов к полному переоборудованию станочного парка (например, замена шпиндельного узла (ШУ) с опорами качения на ШУ с гидростатическими опорами). Вместе с тем современные автоматизированные системы комплексного расчета технологического оборудования (ТО), в частности ШУ, являются сложными иерархическими системами. Их проектирование является сложной комплексной задачей, для создания которой необходимы объединений усилий инженеров и техников, а также огромные затраты ресурсов. В условиях рыночной экономики разработка новых автоматизированных систем из-за больших экономических затрат многими специалистами ставится под сомнение. Поэтому при совершенствовании и модернизации существующего оборудования наиболее перспективно использовать существующие системы с расширением их для решения задач, например, теплопереноса. Кроме того, аналитические методы не всегда удовлетворяют требуемой точности в оценке реального объекта. Поэтому автоматизированные системы проектирования должны быть дополнены системами оценки экспериментальных данных на реальных объектах. В этой связи возникает задача создания комплексных автоматизированных систем проектирования с использованием в них аналитико-экспериментальных подсистем. В этом случае приходится искать пути увеличения производительности за счет модернизации существующих конструкций ШУ и решения проблем, связанных с увеличением производительности. Это достигается путем разработки автоматизированных систем проектирования и конструирования новых изделий. В этой связи актуальной становится задача исследований на основе автоматизированной системы характеристик работоспособности конструкции ШУ и выявления ресурсов для повышения быстроходности (исследование статических и динамических характеристик характера тепловыделений и решение общей задачи увеличения производительности).

В настоящее время возникла необходимость в разработке средств и методов модернизации высокоточных ШУ направленных на повышение общей производительности и надежности технологических машин.

Достижение высоких показателей предполагает автоматизированное проектирование ШУ, основанное на статистическом обобщении опыта эксплуатации и экспериментального исследования, а также на методах проектного поиска с использованием современного математического аппарата. В этом состоит актуальность работы.

Цель и задачи работы

Целью работы является повышение эффективности работы шпиндельных узлов и снижение потерь при модернизации технологического оборудования на основе автоматизированной системы поддержки конструкторских решений, с использованием аналитико-экспериментальных подсистем.

Для осуществления данной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработать комплексный подход к моделированию шпиндельных узлов на опорах качения.

2. Разработать математические модели шпиндельного узла учитывающие энергетические потери, возникающие в процессе эксплуатации и на основе этого автоматизированную экспериментально-аналитическую систему поддержки решений.

3. Проверить и оценить эффективность проектных решений, направленных на уменьшение энергетических потерь и разработать практические рекомендации, направленные на повышение качества шпиндельного узла.

Научная новизна диссертации заключается в выявлении существа функциональных связей между параметрами, определяющими производительность ШУ с одной стороны и совокупности размерных, силовых, физико-механических и термических факторов с другой, и разработка на этой основе методов модернизации оборудования.

На защиту выносятся:

— комплексная модель взаимодействия деталей ШУ на опорах качения;

— температурная модель шпиндельного узла, учитывающая потери, возникающие в процессе эксплуатации;

— информационная модель количественных оценок влияния энергетических потерь на характеристики шпиндельного узла.

Методы исследования

Выполненные работы базируются на теоретических и экспериментальных методах исследования основных характеристик шпиндельного узла в целом и его составляющих. Использовались фундаментальные законы теоретической механики, физики, численных методов, метода конечных элементов. Полученные результаты подтверждаются результатами натурных испытаний и практикой эксплуатации шпиндельных узлов с опорами качения.

Практическая полезность заключается в:

— создании методолого-алгоритмического и программного обеспечения для определения энергетических и тепловых потерь возникающих в процессе эксплуатации, направленного на повышение эффективности автоматизированного проектирования при модернизации узлов технологического оборудования.

Разработанное программное обеспечение используется при модернизации конструкций шпиндельных узлов с опорами качения, что дает возможность создавать узлы с заданными характеристиками работоспособности.

Апробация работы

Научные результаты работы докладывались на научных конференциях, в том числе: Международной конференции — КТИ 2000, на семинарах кафедры ОКМ МГТУ «СТАНКИН».

Публикации по работе

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (94 наименования). Объем диссертации 124 стр., 60 рис.

Основные выводы и результаты работы

1. В результате комплексных исследований сформулированы предложения и получены технические решения в области проектирования, заключающихся в создании автоматизированной системы поддержки технических решений на основе аналитико-экспериментальных методов.

2. Использование средств вычислительной техники позволяет дополнить существующие САПР ШУ расчетно-экспериментальными подсистемами, учитывающими специфику параметров эксплуатации модернизирующего оборудования.

3. При оценке направлений, связанных с улучшением функционирования ШУ с позиций повышения их частоты вращения, следует проводить комплексную оценку работоспособности на основе разработанной САПР.

4. Теоретическими изысканиями и экспериментами на натурном объекте (на примере ШУ для текстильного производства) доказана возможность прогнозирования теплового состояния на основе численно-экспериментального подхода за счет большей информативности результатов исследования.

5. На основе полученных результатов исследований разработана система принятия решений по обеспечению теплоустойчивости ШУ и получены конкретные технические решения, позволяющие повысить частоту вращения до 9600 об/мин и выше.

6. Для анализа температурных режимов ШУ разработана и автоматизирована подсистема обработки результатов экспериментов, показано, что в режимах критичной нагрузки и скоростей наибольшее влияние оказывает разница температур между внутренними и внешними кольцами нагруженного подшипника.

7. Предложенная схема модернизации ШУ за счет введения системы охлаждения позволяет увеличить частоту вращения до 9600 об/мин и выше по сравнению с исходной 7200 об/мин.

8. Реализация разработанных методов, моделей и алгоритмов была проведена на ШУ для текстильного производства фирмы Barmag AG.

Заключение

Для повышения экономической эффективности (например, в машиностроительном или текстильном производствах) увеличение быстроходности ВСШУ играет основную роль.

В данной работе была подробно рассмотрена конструкция ШУ для текстильного производства. Данный ШУ можно отнести к разряду типичных ШУ, таким образом, результаты исследования в целом применимы для ШУ с похожими условиями эксплуатации (при высоких температурах). Однако существуют и некоторые специфические ограничения именно для этого типа ШУ. Поскольку на одну текстильную машину устанавливается большое число ШУ, они должны быть экономически эффективны, и иметь очень высокую надёжность.

С помощью программного обеспечения по расчету динамических характеристик ШУ (HSPINDLE) была проанализирована конструкция ШУ на предмет динамического качества и возможности повышения быстроходности. Конструкция ШУ показала хорошие результаты и, таким образом, главной проблемой увеличения быстроходности стала проблема эффективности теплоотвода.

Для анализа температурных режимов ШУ была проведена экспериментальная программа исследований. При анализе результатов было выявлено значительное повышение эффективности работы подшипников при изменении условий работы. В режимах с критической нагрузкой распределение температуры в подшипниках рассматривалось как «разница температур dT» между внутренним и внешним кольцами подшипников, при этом более высокая температура наблюдалась во внутреннем кольце. Изначально было высказано предположение о том, что при увеличении диапазона рабочих скоростей ожидается дальнейший рост dT до критического уровня

В процессе экспериментального исследования путем анализа теплового состояния изучалась возможность увеличения быстроходности. Был определен новый, расширенный диапазон рабочих параметров. Все результаты были сведены в таблицы и диаграммы.

Как наиболее важный, ключевой компонент ШУ при исследовании возможности увеличения скорости система опор была выбрана для детального рассмотрения. При этом были выведены параметры, влияющие на подшипники, и показано, что конструктор может влиять лишь на небольшое число из них.

Распределение температур в подшипниках в этом аспекте является одним из параметров, на которые можно влиять непосредственно, и важность которого не всегда правильно оценивается.

Затем было проанализировано распределение температуры в подшипниках и их поведение в условиях высокоскоростных режимов работы. Была показана взаимозависимость распределения температуры и угла давления. Также было показано, что влияние увеличения dT более диспропорционально по сравнению с эффектом изменения геометрии в результате увеличения скорости.

Основываясь на этих найденных результатах, были построены объединенные графики рассчитанных значений для давления-нагрузки с измеренными значениями распределения температуры. График показал наличие большого разрыва между допустимыми значениями давления-нагрузки и эффективными. Этот разрыв означает возможность дальнейшего увеличения давления-нагрузки и, следовательно, возможность дальнейшего увеличения скорости, при этом сохраняя dT постоянной.

Таким образом, была найдена возможность для увеличения скорости за счет влияния на распределение температуры, в случае применения ШУ с относительно низкими радиальными нагрузками.

В качестве примера реализации этого запаса скорости были приведена принципиальная конструкция высокоскоростного малонагруженного ШУ. В этой конструкции использовался передовой подход, заключавшийся в использовании системы охлаждения (теплоотвода). Данная система отводила тепло от внутреннего кольца подшипника и прилегающих участков вала и таким образом влияла на распределение температуры в подшипниках.

Система охлаждения состоит из теплопередающего ротора и статора (тепло-приемника). Система имеет конструкцию с минимально приемлемой производительностью (что обусловлено экономическими причинами, то есть ценой). Более совершенные системы, естественно, имеют большую эффективность. Была подготовлена, рассчитана и проанализирована КЭМ ШУ с системой охлаждения.

Используя полученные результаты, была оценена степень влияния тестовой системы охлаждения на изменение температуры, а также показана возможность более активного управления охлаждением ротора.

Результаты расчета КЭМ были объединены с результатами измерений ШУ в графической форме. Было выяснено, что возможно увеличение скорости по сравнению с системами, не имеющими системы охлаждения.

В общем, увеличение запаса скорости и быстроходности ВСШУ, особенно в случае малой нагрузки является вполне выполнимой задачей, для чего необходим эффективный механизм управления распределением температуры в подшипниках.

Реализация системы охлаждения внутреннего кольца подшипника предоставляет экономичный путь достижения этой цели.