On the issue of limiting the irregular motion of a technological machine within specified limits

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The problem of regulating speed fluctuations for any mechanism is essential, because the time interval of this movement is the working time during which the main technological operation is performed. In this case, the question may arise about the regulation of motion speeds both during acceleration, idling of the machine, and during the execution of the main technological operation. The main qualitative indicator of the satisfactory operation of any machine is the motion irregularity ratio, the value of which depends on the ratio of the maximum, minimum and average speeds of the drive shaft. Particularly acute is the problem of determining the motion irregularity ratio of the machine, taking into account the characteristics of the motor. In this case, the machine is considered as a system consisting of a single mass. The elasticity of the elements included in the machine is neglected. An analysis of the scientific literature in this area indicates that insufficient attention is paid to the study of rotation irregularities and its influence on the dynamics of mechanisms, especially when it comes to solving equations taking into account the characteristics of the motor. The purpose of this work is to develop a methodology that allows determining and regulate the non-uniform rotation of the drive shaft, taking into account the characteristics of the motor, the forces of useful resistance and the inertia of the masses of the mechanism. The relevance of the study is due to the lack of a unified methodology that allows adjusting the non-uniform rotation of the drive shaft at the stage of designing mechanisms of this type. Theory and methods. It is proposed to use the Lagrange equation of the second kind to determine the equation of machine motion in differential form. Mathematical simulation is carried out using the Mathcad and KOMPAS-3D application packages. Results and discussion. A methodology is presented that makes it possible to regulate the non-uniform rotation of the shaft. The CAE of the Mathcad system are used to determine the value of the irregularity ratio and patterns of change in these indicators are identified for total operating values that are in the range of 22-46 Nm. An analysis of the results of the calculations performed indicates that the irregularity ratio of the drive shaft rotation is 0.101. It is possible to change this ratio by changing the reduced moment of inertia by installing an additional flywheel or changing the torque of the motor shaft. The obtained results of the research made it possible to develop specific recommendations for the modernization of the drive designs for machines for mixing bulk materials and to outline ways for further research in this direction.

About the authors

Y. I. Podgornyj

Email: pjui@mail.ru
D.Sc. (Engineering), Professor; 1. Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation; 2. Novosibirsk Technological Institute (branch) Moscow State University of Design and Technology, 35 Krasny prospect (5 Potaninskayast.), Novosibirsk, 630099, Russian Federation; pjui@mail.ru

T. G. Martynova

Email: tatyanamartynova1511@gmail.com
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, tatyanamartynova1511@gmail.com

V. Y. Skeeba

Email: skeeba_vadim@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, skeeba_vadim@mail.ru

References

  1. Hsieh J.-F. Design and analysis of indexing cam mechanism with parallel axes // Mechanism and Machine Theory. – 2014. – Vol. 81. – P. 155–165. – doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2014.07.004.
  2. Eckhardt H.D. Kinematic design of machines and mechanisms. – 1st еd. – New York: McGraw-Hill, 1998. – 620 p. – ISBN 0070189536. – ISBN 978-0070189539.
  3. Myszka D.H. Machines and mechanisms: applied kinematic analysis. – 4th ed. – Pearson, 2012. – 576 p. – ISBN 0-13-215780-2. – ISBN 978-0-13-215780-3.
  4. Rao J.S., Dukkipati R.V. Mechanism and machine theory. – 2nd ed. – New Delhi: New Age International, 2008. – 600 p. – ISBN 812240426X. – ISBN 978-8122404265.
  5. Design of compliant mechanisms using continuum topology optimization: a review / B. Zhu, X. Zhang, H. Zhang, J. Liang, H. Zang, H. Li, R. Wang // Mechanism and Machine Theory. – 2012. – Vol. 143. – P. 103622. – doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2019.103622.
  6. Youssef H.A., El-Hofy H. Machining technology: machine tools and operations. – Hoboken: Taylor & Francis Group, 2008. – 672 p. – ISBN 9781420043396.
  7. Shabana A.A. Dynamic of multibody systems. – 4th ed. – Cambridge: Cambridge University Press, 2013. – 393 p. – ISBN 978-1107042650. – ISBN 1107042658.
  8. Erdman A.G., Sandor G.N. Mechanism design: analysis and synthesis. – 4th ed. – Upper Saddle River, NJ: Pearson, 2001. – 688 p. – ISBN 0130408727. – ISBN 978-0130408723.
  9. Advanced theory of mechanisms and machines / M.Z. Kolovsky, A.N. Evgrafov, Yu.A. Semenov, A.V. Slousch. – 1st ed. – Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2000. – 396 p. – (Foundations of Engineering Mechanics). – ISBN 978-3-642-53672-4. – eISBN 978-3-540-46516-4. – doi: 10.1007/978-3-540-46516-4.
  10. Astashev V.K., Babitsky V.I., Kolovsky M.Z. Dynamics and control of machines. – 1st ed. – Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2000. – 235 p. – ISBN 978-3-642-53698-4. – eISBN 978-3-540-69634-6. – doi: 10.1007/978-3-540-69634-6.
  11. Hendrickson C.T., Janson B.N. A common network flow formulation for several civil engineering problems // Civil Engineering Systems. – 1984. – Vol. 1, iss. 4. – P. 195–203. – doi: 10.1080/02630258408970343.
  12. Battarra M., Mucchi E. Analytical determination of the vane radial loads in balanced vane pumps // Mechanism and Machine Theory. – 2020. – Vol. 154. – P. 104037. – doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2020.104037.
  13. Neugebauera R., Denkena B., Wegener K. Mechatronic systems for machine tools // CIRP Annals. – 2007. – Vol. 56, iss. 2. – P. 657–686. – doi: 10.1016/j.cirp.2007.10.007.
  14. Design and analysis of high-speed cam mechanism using Fourier series / C. Zhoua, B. Hua, S. Chenb, L. Mac // Mechanism and Machine Theory. – 2016. – Vol. 104. – P. 118–129. – doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2016.05.009.
  15. Robust design optimization of the vibrating rotor-shaft system subjected to selected dynamic constraints / R. Stocki, T. Szolc, P. Tauzowski, J. Knabel // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2012. – Vol. 29. – P. 34–44. – doi: 10.1016/j.ymssp.2011.07.023.
  16. A semi-analytical load distribution model for cycloid drives with tooth profile and longitudinal modifications / T. Zhang, X. Li, Y. Wang, L. Sun // Applied Sciences. – 2020. – Vol. 10, iss. 14. – P. 4859. – doi: 10.3390/app10144859.
  17. Xu L.X., Chen B.K., Li C.Y. Dynamic modelling and contact analysis of bearing-cycloid-pinwheel transmission mechanisms used in joint rotate vector reducers // Mechanism and Machine Theory. – 2019. – Vol. 137. – P. 432–458. – doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2019.03.035.
  18. Theoretical analysis of compliance and dynamics quality of a lightly loaded aerostatic journal bearing with elastic orifices / V. Kodnyanko, S. Shatokhin, A. Kurzakov, Y. Pikalov // Precision Engineering. – 2021. – Vol. 68. – P. 72–81. – doi: 10.1016/j.precisioneng.2020.11.012.
  19. Mott R.L. Machine elements in mechanical design. – 5th ed. – Pearson, 2013. – 816 p. – ISBN ‎0135077931. – ISBN ‎978-0135077931.
  20. Novotný P., Jonák M., Vacula J. Evolutionary optimisation of the thrust bearing considering multiple operating conditions in turbomachinery // International Journal of Mechanical Sciences. – 2021. – Vol. 195. – P. 106240. – doi: 10.1016/j.ijmecsci.2020.106240.
  21. A practical approach to motion control for varying inertia systems / T. Kaipio, L. Smelov, C. Morgan, N. Leighton // Progress in system and robot analysis and control design / ed. by S.G. Tzafestas, G. Schmidt. – London: Springer, 1999. – P. 195–204. – (Lecture Notes in Control and Information Sciences; vol. 243). – doi: 10.1007/BFb0110545.
  22. Vulfson I. Dynamics of cyclic machines. – Cham: Springer International, 2015. – 390 p. – (Foundations of Engineering Mechanics). – ISBN 978-3-319-12633-3. – eISBN 978-3-319-12634-0. – doi: 10.1007/978-3-319-12634-0.
  23. Graph-based modelling in engineering / ed. by S. Zawislak, J. Rysinski. – Switzerland: Springer International, 2017. – 247 p. – (Mechanisms and Machine Science; vol. 42). – ISBN 978-3-319-39018-5. – eISBN 978-3-319-39020-8. – doi: 10.1007/978-3-319-39020-8.
  24. Synthesis of irregular motion mechanisms for production machine drives / T.G. Martynova, V.Yu. Skeeba, Yu.I. Podgornyj, D.V. Lobanov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 843. – P. 012006. – doi: 10.1088/1757-899X/843/1/012006.
  25. Experimental determination of useful resistance value during pasta dough kneading / Yu.I. Podgornyj, T.G. Martynova, V.Yu. Skeeba, A.S. Kosilov, A.A. Chernysheva, P.Yu. Skeeba // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 87, iss. 8. – P. 082039. – doi: 10.1088/1755-1315/87/8/082039.
  26. Методика уравновешивания роторов технологических машин / Ю.И. Подгорный, Т.Г. Мартынова, В.Ю. Скиба, Д.В. Лобанов, А.А. Жирова, А.Н. Бредихина, А.С. Косилов, Н.С. Печоркина // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2016. – № 2 (71). – С. 41–50. – doi: 10.17212/1994-6309-2016-2-41-50.
  27. Algorithm for determining the unbalances of continuous mixers rotors / Yu.I. Podgornyj, T.G. Martynova, V.Yu. Skeeba, D.V. Lobanov, N.V. Martyushev // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – Vol. 1061. – P. 012071. – doi: 10.1088/1742-6596/2061/1/012071.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».