Закон движения механизма плетения спирально-анизотропных нитей

ЗАКОН ДВИЖЕНИЯ МЕХАНИЗМА ПЛЕТЕНИЯ СПИРАЛЬНО-АНИЗОТРОПНЫХ НИТЕЙ А.Д. Перечесова, П.А. Сергушин Научный руководитель - д.т.н., профессор В.М. Мусалимов

В работе рассмотрена задача определения параметров движения основного узла механизма для изготовления спирально-анизотропных нитей. Применен метод планов. Полученный результат будет использован для усовершенствования формы деталей устройства с целью увеличения быстродействия и улучшения качества получаемого продукта (спирально-анизотропных нитей (САН) в виде «косы»).

Введение

Существует ряд устройств, в чувствительных элементах (ЧЭ) которых используются нити, подвесы или растяжки. Это торсионные приборы, крутильные весы, струнные акселерометры, сейсмоприемники, магнитовариометры и т.д.

Известно, что к ЧЭ предъявляются следующие требования: линейность и однозначность статической характеристики, высокая чувствительность (крутизна) и разрешающая способность; стабильность характеристик во времени, отсутствие влияния нагрузки на статические характеристики, минимальная инерционность; минимальное влияние внешних факторов (температуры, вибраций и т. д.); устойчивость к химическим воздействиям; простота и технологичность конструкции; взаимозаменяемость (повторяемость характеристик); удобство монтажа и обслуживания. Выбор типа ЧЭ определяется требованиями по точности системы, ее назначением и условиями эксплуатации [1].

Для достижения этих требований предложено использовать достижения теории спирально-анизатропного тела (САТ) и изготавливать ЧЭ в виде косы из филаментов арамидной нити.

В работе исследуется плоский рычажный механизм, применяемый в качестве рабочего узла механизма для изготовления подвесов чувствительных элементов измерительных приборов. Поставлена задача определения параметров движения его звеньев, в частности, кулачковой стрелки, перемещающей пряди сплетаемого изделия по заданному закону. Для этого применены стандартные методы - план положений, скоростей и ускорений, рассчитан план сил. Полученный результат планируется использовать для усовершенствования формы деталей устройства с целью увеличения быстродействия и улучшения качества получаемого продукта.

№ п/п Наименование показателя Значение

1 Удельная разрывная нагрузка нити, сН/текс, не менее 210

2 Коэффициент вариации по разрывной нагрузке, %, не более 10

3 Относительное отклонение фактической линейной плотности от номинальной, %, не более +5,0 -3,0

4 Удлинение нити при разрыве, %, не менее 2,6

5 Число кручений на 1м нити, кр/м 50+10; 100+10

6 Массовая доля замасливателя, % 1,0 - 2,0

7 Модуль упругости, ГПа, не менее 135

8 Число филаментов 300

Таблица 1. Физико-механические свойства арамидных нитей Русар 100 текс

В качестве сырья для изготовления САН предложено использовать филаменты арамидных нитей Русар производства ОАО «КАМЕНСКВОЛОКНО». Синтетические высокомодульные нити Русар относятся к классу параарамидных волокон.

В табл. 1 приведены физико-механические свойства арамидных нитей Русар 100 текс, из которых изготавливают САН в СПбФ ИЗМИР АН [2].

Принцип работы устройства для изготовления САН

Предлагается изготавливать ЧЭ с помощью устройства для изготовления САН из трех прядей. Используется по одной мононити в пряди, диаметр каждой нити не превышает 2 мкм, максимальный эквивалент диаметра косы при этом - 7 мкм, плотность плетения - 5-10 узлов/мм (в зависимости от натяжения прядей и угла плетения), длина получаемого изделия не более 100 мм. Производительность устройства в среднем - 100 мм/час (учитывая подготовительные операции).

Внешний вид и кинематическая схема устройства приведена на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид устройства для изготовления САН (а); кинематическая схема (б): 1-3 - пряди, 4 - стрелка, 5, 6 - диски, 7 - шатун, 8 - рычаг стрелки, 9..11 - грузы, 12 - гайка, 1..1Х - валы, .. 23 - зубчатые колеса, d1.. ^ - шкивы

Процесс плетения реализован следующим образом: при помощи электродвигателя М через промежуточное передаточное устройство (d 4) приводятся в движение два диска 5 и 6, в пазы которых пропущены три пряди (1-3) будущей косы. При помощи зубчатых колес 2^ и 22 реализовано вращение этих дисков во взаимно-встречном направлении. Синхронно с вращением дисков через кривошипно-шатунный механизм привода стрелки 4 (23, 7, 8) реализуется ее возватно-вращательное движение. Таким образом, стрелка перемещает пряди из пазов одного диска в свободные пазы другого диска. Механизм подачи (dl.. dlo, IX, 12) осуществляет равномерный подъем узла плетения по мере скрещивания прядей механизмом плетения.

На рис. 2 изображен эскиз исполнительного механизма, схема одного цикла работы устройства и вид получаемой САН, соответственно [3].

Рис. 2. Исполнительный механизм устройства для изготовления САН (а), схема одного цикла его работы (б) и результат работы (коса) (в): 1..3 - пряди, 4 - стрелка, 5, 6 - диски, 7 - шатун, 8 - рычаг стрелки, ¿1.. 23 - зубчатые колеса

В табл. 2 приведены характеристики сплетенных САН. Производительность прибора - в среднем 100 мм/час (учитывая подготовительные операции). Для усовершенствования формы деталей устройства с целью увеличения быстродействия и улучшения качества получаемого продукта необходимо определить характер движения основного звена - кулачковой стрелки, перемещающей пряди сплетаемого изделия по заданному закону.

№ п/п

Наименование показателя

Значение

1

длина, мм, не более

100

минимальный эквивалент диаметра косы, мкм, не более

плотность плетения, узлов/мм

5..10

Таблица 2. Характеристики сплетенных САН Кинематика механизма перемещения нитей

Передаточные отношения

й1 = 0,035 м; й71 = 0,096 м;

й2 = 0,050 м; й3 = 0,040 м; й4 = 0,067 м;

г __"

Ы, п+1 ,

йп+1

11Д = 0,70; I тп = 0,60;

й72 = 0,096 м; й73 = 0,064 м;

IV = 1,00;

цу V = 1,50;

>т - V = >III ' >11, III ' >111, IV ' >1У, V; >т - V = 0,63.

2

7

3

Угловые скорости

В качестве привода устройства выбран электродвигатель с редуктором СД-54:

ш (I) = 2,24 ; = 0,23 ;

4 ' ' /мин' /с '

ш (V) = ш (I) • - у; ш (V) = 0,15 рад/.

На рис. 3. изображен план положений исполнительного механизма.

С

Рис. 3. План положений исполнительного механизма

01А = 0,024м; АВ = 0,106м; В02 = 0,038м; 02С = 0,039м .

На рис. 4 приведены планы скоростей исполнительного механизма.

Улв

р

Уев

Ус

р

Ув

Рис. 4. План скоростей исполнительного механизма (а) - в положении 1; (б) - в положении 4; (в) - в положении 9; (г) - в положении 19

м

Здесь Р - полюс, а масштаб ^ = 10 ———.

мм черт

На рис. 5 изображен план ускорений исполнительного механизма.

Рис. 5. План ускорений исполнительного механизма: (а) - в положении 1; (б) - в положении 4; (в) - в положении 9; (г) - в положении 19

м

Здесь масштаб Кп = 10

мм черт

Динамическая модель исполнительного механизма

Считаем, что звено О1А - звено приведения. Динамическую модель механизма (рис. 6) представим в виде звена, которое вращается вокруг оси О1 с угловой скоростью Ш1, и к нему приложен движущий момент М1. К звену приложена приведенная сила сопротивления РПр, перпендикулярная радиусу О1А, и приведенная масса звена

2

тпр сосредоточена в точке А. На рис. 6 изображена динамическая модель исполнительного механизма.

^ = а • т

Рис. 6. Динамическая модель исполнительного механизма Основные действующие силы

-3

т0 А = 122.07 -10 кг;

-3

тАВ = 10.08 -10 кг;

тВ02 = 10.19-10 3 кг; то2с = 3.13-10-3 кг.

На рис. 7 показаны основные действующие силы (положение 4).

С

Рис. 7. Основные действующие силы

^А = 633.54-10 7 Н; ГАВ = 55.94-10-7 Н; ^В02 = 44.94-10-7 Н; ¥0 С = 14.18 -10-7 Н.

Заключение

В работе исследован характер движения звеньев механизма для плетения САН, получены: план положений, скоростей, ускорений и сил для основных его звеньев. На сегодняшний день САН применяются в качестве подвеса ЧЭ магнитостатического вариометра (МВ) - прибора, предназначенного для проведения магнитных измерений.

Изготовленные САН по сравнению с существующими на рынке нитями обладают большей разрывной прочностью, меньшим коэффициентом линейного расширения при том же диаметре поперечного сечения. Кроме того, МВ, изготовленные на основе САН, обладают более высокой чувствительностью (0.1 нТл), менее чувствительны к климатическим факторам.

Литература

1. Ахромеев Ж.П. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. / В 9-ти кн. Кн. 2. Приводы робототехнических систем. - 1986. - 175 с.

2. Параарамидные волокна и нити [Электронный ресурс]: официальный сайт ОАО «Каменскволокно» - Режим доступа: http://www.aramid.ru, свободный.

3. Копытенко Ю.А., Леваненко В.А., Петрищев М.С., Сергушин П.А. Устройство для изготовления спирально-анизотопных нитей // Программа и тезисы докладов Восьмой сессии Международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» УРБ-07, Санкт-Петербург, 22-27 октября 2007 г. - СПб: ИПМаш РАН, 2007. - С. 112-114.