Nghiên cứu một số vần đề động lực học của cụm trục chính máy tiện

Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội ĐàO DUY TRUNG Tên luận án: “ Nghiên cứu số vấn đề động lực trục chớnh mỏy tin hc ca cm Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mà số : 2.01.09 Luận án tiến sĩ kỹ thuật Hà Nội, 07/2006 Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội đào trung Tên luận án: Nghiờn cu mt số vấn đề động lực trục máy tiện “ hc ca cm Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy M· sè : 2.01.09 LuËn ¸n tiÕn sÜ kü thuËt Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Đắp TS Nguyễn Xuân Toàn Hà Nội, 07/2006 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận án trung thực Những kết luận luận án chưa công bố công trình khác Tác giả luận án Đào Duy Trung Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006 Mục lục Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục hình vẽ, đồ thị Danh mục bảng 11 Mở đầu 13 Chương Tổng quan sở lý thuyết ứng dụng nghiên cứu 20 1.1 20 Tỉng quan lý thut ®éng lùc häc máy công cụ 1.1.1 Hệ thống động lực học máy- g¸- dao- chi tiÕt 20 1.1.2 CÊu tróc hƯ thèng động lực học máy công cụ- Hệ thống đàn hồi tương đương 21 1.2 Phương trình động lực học 31 1.2.1 Thành lập phương trình vi phân dao động 31 1.2.2 Ma trận khối lượng 32 1.2.3 Dao động tự - Tần số dạng dao động riêng 34 1.3 34 Tổng quan phương pháp phần tử hữu hạn 1.3.1 Mô hình toán phương pháp giải phần tử hữu hạn 34 1.3.2 Trình tự giải phương pháp phần tử hữu hạn 37 1.4 Mô hình kết cấu mô hình tính động lực học cụm trục máy tiện vạn 39 hạng trung 1.4.1 Các giả thuyết mô hình tính 39 1.4.2 Mô hình kết cấu tính toán cụm trục 40 Kết luận Chương 42 Chương Các yêu cầu, tiêu chuẩn, sơ đồ kết cấu cụm trục khảo nghiệm cân động trục máy tiện 43 2.1 Một số tính toán cụm trục máy công cụ 43 2.1.1 Tính tần số riêng 43 2.1.2 Tính độ biến dạng hệ thống đàn hồi 45 2.1.3 Tính độ cứng vững trục có xét tới độ mềm dẻo ổ 48 2.2 Các yêu cầu, tiêu chuẩn, sơ đồ kết cấu cụm trục 52 2.2.1 Độ xác quay tròn trục 52 2.2.2 §é cøng v÷ng cđa cơm trơc chÝnh 54 2.2.3 §é ổn định rung cụm trục 56 2.2.4 Yêu cầu kết cấu trục 57 Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006 2.2.5 Thiết kế cụm trục dùng ổ lăn 58 2.2.6 Một số kết cấu điển hình cụm trục máy tiện dùng ổ lăn 61 2.3 63 Cân khảo nghiệm cân động trục máy tiện T18A 2.3.1 Nguyên lý máy cân động kiểu khung 63 2.3.2 Yêu cầu chất lượng cân phần quay xác định lượng cân dư cho phép 66 2.3.3 Máy cân động Viện Nghiên cứu Cơ khí đà tin học hóa Cân động trục máy tiện T18A 72 KÕt luËn Ch­¬ng 80 Ch­¬ng TÝnh toán động lực học cụm trục thân máy tiện T18A 81 ảnh hưởng số thông số thay đổi phầm mềm phương pháp phần tử hữu hạn tối ưu hóa thông số 3.1 Tính toán tham số ngoại tác động lên cụm trục thân máy 81 3.1.1 Tính ba thành phần lực cắt 82 3.1.2 Tính thành phần lực tác dụng lên ụ đứng ụ động 83 3.1.3 Tính thành phần lực tác dụng lên băng (thân) máy 84 3.2 ứnp dụng phần mềm CosmosDesignSTAR 86 3.3 Tính toán động lực học cụm trục 89 3.3.1 Tính dao động riêng 91 3.3.2 Tính dao động cưỡng 101 3.4 112 Tính toán động lực học hệ thân máy 3.4.1 Tính dao động riêng 113 3.4.2 Tính dao động cưỡng 114 Kết luận Chương 118 Chương Các kết đo thí nghiệm đo dao động riêng cưỡng cụm trục 120 máy T18A thiết bị phần mềm chuyên dùng 4.1 Giới thiệu nguyên lý thiết bị ®o thÝ nghiÖm 120 4.1.1 HÖ kÝch ®éng 121 4.1.2 Bộ chuyển đổi lực chuyển động 123 4.1.3 Hệ đo phân tích mẫu 127 4.2 128 Nghiên cứu đo xác định dao động riêng trục máy tiện thiết bị NI 4412 phần mềm Smart Office 4.2.1 Sơ đồ đo trục chọn điểm đo 129 Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006 4.2.2 Trình tự đo 130 4.2.3 Các kết đo dao động 132 4.3 Đo kiểm dao động cưỡng cụm trục máy tiện T18A có tải 136 không tải thiết bị DATA COLLETOR 2526E phần mềm chuyên dùng 4.3.1 Giới thiệu thiết bị đo dao ®éng, thu thËp d÷ liƯu DC 2526 E 136 4.3.2 Kết đo dao động cụm trục máy 140 4.3.3 Tổng hợp kết so sánh với kết tính toán 143 Kết luận Chương 145 KÕt ln chung cđa ln ¸n 146 Danh mơc c¸c công trình công bố liên quan đến Luận án 148 Tài liệu tham khảo 149 Lời cám ơn tác giả 154 Phần Phụ lục 155 Phụ lục Ví dụ trình tự giải Cosmos Design 156 Phụ lục Các dạng dao động riêng, trường ứng suất, chuyển vị biến dạng cụm trục tính phầm mỊm Cosmos Design 158 Phơ lơc Mét sè h×nh ảnh, biểu đồ đo dao động riêng thiết bị NI 4472 170-181 phần mềm Smart office Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006 Danh mục ký hiệu chữ viết tắt A - khoảng cách từ điểm đặt lực cắt đầu côngxôn mâm cặp đến ổ trước trục chính, mm; a - khoảng cách điểm đặt lực bánh lớn đến ổ trước trục [mm]; a - khoảng cách hai điểm đặt lực hai bánh cụm trục chính[mm]; A i - biên độ dao động; - độ ®¶o h­íng kÝnh cđa ỉ; c - ®é cøng cđa phần tử; C- ma trận độ cứng hệ phần tö; C , C , C - ®é cøng h­íng kÝnh cđa ỉ bi thø nhÊt, thø hai thứ ba [N/àm]; d, D - đường kính ổ lăn (mm); , σ , σ - c¸c øng suÊt chÝnh thø nhÊt, thø hai vµ thø ba; σ x , σ y , σ z - c¸c øng suÊt ph¸p theo phương ox, oy oz; E - mô đun ®µn håi cđa vËt liƯu; EI - ®é cøng chèng uốn mặt cắt ngang trục; eT - độ mềm cđa ỉ tr­íc; eS - ®é mỊm cđa ỉ sau; eP - độ lệch tâm cho phép dư trục chính; F - ma trận lực tác dụng lên phần tử; F- lực đặt vào đầu mút côngxôn cụm trôc chÝnh; F lt1 , F lt2 - hai lùc ly tâm lớn lượng cân trục gây hai chỗ lắp tương ứng bánh 1và bánh 2; F br - lực ăn khớp bánh truyền động; f(t)- lực tác dụng lên phần tử; fr - tần số dao động riªng [Hz]; f x , f y , f z - thành phần lực khối theo phương x, y z; I - ma trận đơn vị; Ix - mô men quán tính theo mặt cắt ngang trục; L- khoảng cách ổ bi thứ thứ ba [mm]; l , l - khoảng cách tương ứng ổ bi thứ hai thứ ba; thứ thứ hai, mm; m- khối lượng vật dao động; Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006 m s ; m T - mô men phản lực ỉ sau vµ ỉ tr­íc cơm trơc chÝnh; n - sè bËc tù cđa hƯ; n tc - sè vòng quay cụm trục chính; - hệ phần tử; R s , R t - phản lực gối tựa ổ sau ổ trước cụm trục chính; Tx - động phần tử; T - ma trận động hệ phần tử; u, v, w - chuyển vị theo phương ox, oy oz; w,W hàm truyền phần tử hệ thống; y- chuyển vị hướng kính hệ thống đàn hồi cụm trục côngxôn; y(x)- chuyển vị ngang (hướng kính) đường tâm trục chính; - tần số góc (= 2f); r - tần số góc riêng (= 2f r ); - tần số vòng dao động cưỡng [s-1]; - góc xoay ổ; , - h»ng sè Lame; τ xy , τ yz , τ xz - ứng suất tiếp thuộc mặt xoy, yoz xoz; - độ chuyển vị đầu cắt công xôn trục; ĐH- đàn hồi; ĐLH- động lực học; HTĐH- hệ thống đàn hồi; HTĐHTĐ - hệ thống đàn hồi tương đương; MGDC - máy- gá- dao- chi tiết; PTHH - phần tử hữu hạn; QTC- trình cắt; QTMS - trình ma sát; QTĐC - trình động Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006 Danh mục hình vẽ đồ thị Hình 1.1 - Sơ đồ khối hệ thống động lực học máy công cụ mạch hở 20 Hình 1.2 - Sơ đồ khối hệ thống động lực học máy công cụ mạch kín 21 Hình 1.3 - Cấu trúc điển hình hệ thống đàn hồi MGDC trình làm việc 22 Hình 1.4 - Hàm truyền hệ thống 23 Hình 1.5 - Cấu trúc mạch vòng liên kết hệ thống MGDC với trình cắt xét toạ độ y 23 Hình 1.6 - Ba dạng hệ thống đàn hồi tương đương 25 Hình 1.7 - Sơ đồ xác định đặc tính phần tử tương đương 26 Hình 1.8 - Hệ thống động lực học nhiều toạ độ 28 Hình 1.9 - Phần tử nhiều toạ độ cđa hƯ thèng 28 H×nh 1.10 - CÊu tróc nhiỊu toạ độ mạch vòng hệ thống liên kết phần tử đàn hồi phần tử P 30 Hình 1.11 - Mô hình hệ đàn hồi phẳng chịu lực 34 Hình 1.12 - Mô hình chuyển đổi phần tử hữu hạn 36 Hình 1.13 - Cách đánh số nút phương pháp phần tử hữu hạn 37 Hình 1.14 - Kết cấu cụm trục máy tiện T18A 40 Hình 1.15 - Mô hình tính Solid 3D cụm trục máy tiện 41 Hình 2.1 - Mô hình tính tần số dao động riêng 44 Hình 2.2 - Sơ đồ tính tĩnh biến dạng cụm trục côngxôn 46 Hình 2.3 - Sơ đồ tính độ mềm ổ chịu lực cắt đầu côngxôn 49 Hình 2.4 - Đồ thị độ mềm cụm trục 51 Hình 2.5 - Sơ đồ tính độ mềm trục chịu hai lực 51 Hình 2.6 - Kết cấu cụm trục máy tiện T620 61 Hình 2.7 - Kết cấu cụm trục máy tiện T613 61 Hình 2.8 - KÕt cÊu cơm trơc chÝnh m¸y tiƯn ngang (CHLB Đức) 61 Hình 2.9 - Kết cấu cụm trục máy tiện đứng (CHLB Đức) 62 Hình 2.10 - Kết cấu cụm trục máy tiện Rơvôve tự động PIMAT 63/2000 (CHLB Đức) 62 Hình 2.11 - Kết cấu cụm trục máy tiện 2056 NC (CHLB Đức) 62 Luận án tiến sỹ kỹ thuật ngành công nghệ chế tạo máy năm 2006 Hình 2.12 - KÕt cÊu cơm trơc chÝnh m¸y tiƯn DA 210 1250, Australia 63 H×nh 2.13 - KÕt cÊu cơm trơc chÝnh máy tiện T18A 63 Hình 2.14 - Sơ đồ nguyên lý máy cân động kiểu khung 64 Hình 2.15 - ảnh hưởng gia tốc đến tần số biên độ cộng hưởng 65 Hình 2.16 - Các dạng biểu thị khác trạng thái cân phần quay 68 Hình 2.17 - Lượng cân qui định dư cho phép lớn phù hợp với cấp xác cân khác 71 Hình 2.18 - Hệ thống điều khiển máy cân động 74 Hình 2.19 - Máy cân động NARIME * trước cải tạo 74 Hình 2.20 - Máy cân động NARIME sau cải tạo 74 Hình 2.21 - Sơ đồ điện tin học hóa máy cân 75 Hình 2.22 - Một số hình ảnh cân động trục máy NARIME 76 H×nh 2.23 - KÕt cÊu trơc chÝnh H×nh 2.24 - * 75 Một số hình ảnh cân động trục Công ty Điện Hà Nội 77 Hình 2.25 - Giá trị lượng cân dư trục máy tiện 78 Hình 2.26 - Các phiếu kết đo hồ sơ mượn trục 79 Hình 3.1 đến 3.4 - Các sơ đồ tính lực tác dụng lên mâm cặp , ụ động, bàn xe dao 82,83 băng máy tiện T18A Hình 3.5 - Sơ đồ khối trình giải toán phần mềm COSMOS DesignStar 4.0 88 Hình 3.6 - Mô hình tính cụm trục trơn 89 Hình 3.7 - Mô hình tính cụm trục có hai bánh mâm cặp 90 Hình 3.8 - Trục trơn chia lưới có hai ba ổ đỡ 92 Hình 3.9 - Đồ thị so sánh tần số riêng cụm trục trơn 92 Hình 3.10 đến 3.11 - 93 Các dạng riêng ứng với tần số riêng thứ thứ hai trục trơn có hai ba ổ đỡ Hình 3.12- Sơ đồ kết cấu tính dao động riêng 93 Hình 3.13 - Thay đổi tần số riêng thay đổi độ cứng 94 Hình 3.14 - Biên độ thay đổi theo tần số riêng trường hợp 3.3.1.2a) 94 Hình 3.15 95 Các dạng riêng ứng với tần số riêng thứ nhất, thứ hai, thứ ba tên viết tắt tiếng Anh Viện Nghiên cứu Cơ khí (National Research Institute for Mechanical Engineering) ... Nghiên cứu số vấn đề động lực học cụm trục máy tiện cần thiết có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu luận án Trong khuôn khổ luận án, giới hạn nghiên cứu động lực học cụm trục máy tiện hạng... đà nghiên cứu vấn đề: Phân tích quan hệ tĩnh động cụm trục máy tiện , đà nêu tác động tĩnh, động học động lực học, đặc biệt ảnh hưởng động lực học phân bố khối lượng đầu mâm cặp đai dẫn động trục. .. 2.3.3 Máy cân động Viện Nghiên cứu Cơ khí đà tin học hóa Cân động trục máy tiện T18A 72 Kết luận Chương 80 Chương Tính toán động lực học cụm trục thân máy tiện T18A 81 ảnh hưởng số thông số thay