Совершенствование роторного бункерного загрузочного устройства с вращающейся воронкой для тонких стержневых предметов обработки

Актуальность работы. Модернизация отечественной промышленности напрямую связана с решением задач комплексной автоматизацией производства на основе общих принципов, единой методологии и типовых технических средств автоматизации [2, 23, 24].

В массовых производствах некоторых видов машинои приборостроительной продукции, таких как патроны стрелкового оружия, охотничьего и малокалиберного спортивного оружия, строительно-монтажных патронов, элементов роликовых цепей, игольчатых подшипников качения, инъекционных игл, основой комплексной автоматизации стало создание технологических систем на базе роторных машин (РМ), автоматических роторных и ро-торно-конвейерных линий (АРЛ/АРКЛ) [40, 44, 45, 55, 60, 79, 86, 90].

Известно, что РМ и АРЛ/АРКЛ наиболее эффективны для изготовления штучной продукции, элементы которой (исходные заготовки, детали и т. п., объединяемые общим термином — предметы обработки), относятся к осесимметричным объемным деталям-телам вращения классов 71−72 по классификатору ЕСКД [39, 72].

Для загрузки штучных предметов обработки в РМ, АРЛ/АРКЛ с производительностью от 200 до 1200 шт./мин используют многопозиционные роторные САЗ, которые построены по принципу роторных технологических машин, т. е. производят захват, накопление, ориентирование и выдачу предметов обработки в процессе непрерывного транспортного вращения своих функциональных устройств совместно с загружаемыми предметами. Роторные САЗ обеспечивает надежную синхронную передачу предметов обработки в транспортные органы РМ, АРЛ/АРКЛ при окружных скоростях до 0,5 м/с и шаге рабочих позиций технологических роторов до 0,3 м [4, 5, 65].

Одним из основных функциональных устройств роторной САЗ, обеспечивающим поштучное извлечение (захват) из навала, приведение в упорядоченное положение и выдачу предметов обработки в последующие устройства, является бункерное загрузочное устройство (БЗУ).

Предметы обработки массой до 0,1 кг и максимальным габаритным размером до 0,1 м хорошо захватываются вращающимися воронками. Конструкции БЗУ с подобными захватывающими органами имеют высокую производительность, просты по конструкции и кинематике привода воронок, а также обладают универсальностью, что обеспечивает создание на их основе эффективных типовых конструкций роторных САЗ [56, 61 — 64].

Однако при загрузке тонких стержневых предметов обработки с отношением габаритных размеров 1/с1> 6 (/ - длина, б/ - наружный диаметр предмета обработки) и наружным диаметром с1 < 10 мм производительность одной рабочей позиции БЗУ с вращающейся воронкой значительно снижается. Кроме того, возрастает вероятность заклинивания тонких стержневых предметов обработки между внешней поверхностью вращающейся воронки и внутренней поверхностью обечайки бункера роторного БЗУ.

Поэтому на стадии проектирования для обеспечения заданной производительности роторной САЗ требуется увеличение числа рабочих позиций, что приводит к недопустимому увеличению габаритных размеров системы в поперечном сечении.

В связи с вышеизложенным поиск путей совершенствования роторного БЗУ с вращающимися воронками для загрузки тонких стержневых предметов обработки, обеспечивающих создание эффективных конструкций роторных САЗ, является актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках единых госбюджетных НИР № 26−06 «Оценка надежности технологического оборудования и средств автоматизации» и № 34−10 «Совершенствование технологического оборудования с целью повышения его производительности и надежности».

Цель работы. Обоснование конструкции и рациональных параметров роторного БЗУ с вращающимися воронками для загрузки тонких стержневых предметов обработки, обеспечивающее создание эффективных роторных САЗ заданной производительности с допустимыми габаритными размерами.

Объект исследования. Роторное БЗУ с вращающимися воронками усовершенствованной конфигурации, рассматриваемое в процессе его функционирования как совокупность процессов захвата и выдачи тонких стержневых предметов обработки.

Предмет исследования. Взаимосвязанное влияние параметров загружаемых тонких стержневых предметов обработки (геометрических размеров и коэффициента трения скольжения), геометрии приемной части и угловой скорости воронки, конструктивных параметров и угловой скорости роторного БЗУ на его фактическую производительность.

Метод исследования, принятый в работе, заключается в сочетании теоретических и экспериментальных исследований процессов захвата и выдачи предметов обработки с использованием математических и натурных моделей. Для построения аналитической модели фактической производительности роторного БЗУ с вращающимися воронками использовались методы аналитической пространственной геометрии, теоретической механики [19] и теории вероятностей [22]. При постановке экспериментальных исследований и обработке экспериментальных данных использовались методы теории планирования эксперимента и математической статистики [84, 85].

Общетеоретическую базу исследований составили фундаментальные научные труды И. И. Артоболевского [6], С. И. Артоболевского [7], Г. А. Шаумяна [93] по теории механизмов и производительности технологических машин-автоматовЛ. И. Волчкевича [2, 23, 24] по основам автоматизации дискретных производств, Л. Н. Кошкина [44, 45] и H.A. Клусова [40, 41] по теории и практике комплексной автоматизации производств на основе РМ, АРЛ/АРКЛ, атакже работы В. П. Боброва [21], Н. И. Камышного [38], А. Н. Малова [46], М. В. Медвидя [47], В. Ф. Прейса [1, 76, 77], В. В. Прейса [5559, 61−65, 67−71, 73−75], А. Н. Рабиновича [78], H.A. Усенко [49, 88, 89],.

Б.И. Черпакова [92], Н. И. Шерешевского [94, 95] и ряда зарубежных ученых [96−99] в области теории, расчета и проектирования механических БЗУ.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается полнотой учета факторов, влияющих на фактическую производительность роторного БЗУ с вращающимися воронками, корректностью использования общепринятых математических методов и компьютерного моделирования, качественным и количественным сопоставлением результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований, а также с результатами исследований роторных БЗУ, полученными другими авторами.

Автор защищает:

1. Технические решения и совокупность конструктивных ограничений на рациональные геометрические параметры приемной части вращающейся воронки усовершенствованной конфигурации и бункера БЗУ в зоне захвата, обеспечивающие интенсификацию процесса захвата тонких стержневых осе-симметричных предметов обработки формы тел вращения.

2. Аналитическую модель фактической производительности роторного БЗУ с вращающейся воронкой усовершенствованной конфигурации, учитывающую вероятностный характер процесса захвата предметов обработки, взаимосвязанное влияние параметров предмета обработки, конструктивных параметров, угловых скоростей воронки и роторного БЗУ.

3. Результаты компьютерного моделирования и экспериментальных исследований фактической производительности роторного БЗУ с вращающейся воронкой усовершенствованной конфигурации.

4. Инженерную методику проектирования роторной САЗ заданной производительности с допустимыми габаритными размерами, имеющей в своей структуре роторное БЗУ с вращающимися воронками усовершенствованной конфигурации, базирующуюся на результатах теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Формализована взаимосвязь между параметрами, характеризующими предмет обработки (размерами и коэффициентом трения скольжения), и геометрическими параметрами приемной части воронки усовершенствованной конфигурации, а также выявлено влияние этих параметров и угловых скоростей воронки и роторного БЗУ на его производительность.

Научная новизна работы представлена следующими результатами:

1. Разработаны новые технические решения и сформированы конструктивные ограничения на геометрические параметры приемной части воронки усовершенствованной конфигурации и бункера БЗУ в зоне захвата для тонких стержневых осесимметричных предметов обработки формы тел вращения в зависимости от их геометрических размеров и коэффициента трения скольжения предметов обработки о направляющие поверхности БЗУ, обеспечивающие интенсификацию процесса захвата предметов обработки.

2. Уточнены закономерности взаимного влияния угловых скоростей воронки и роторного БЗУ на его фактическую производительность при загрузке тонких стержневых осесимметричных предметов обработки формы тел вращения во взаимосвязи с параметрами, характеризующими предмет обработки (геометрические размеры и коэффициент трения скольжения), и конструктивными параметрами БЗУ на основе разработанной аналитической модели его фактической производительности, обеспечившей получение корректных результатов при моделировании и расчете производительности.

3. Обоснованы области рациональных конструктивных параметров роторного БЗУ с вращающейся воронкой усовершенствованной конфигурации на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований его фактической производительности, обеспечивающие создание эффективной роторной САЗ заданной производительности с допустимыми габаритными размерами при загрузке тонких стержневых осесимметричных предметов обработки формы тел вращения.

Практическая ценность. Обоснованы конструкции и рациональные геометрические параметры вращающейся воронки с приемной частью усовершенствованной конфигурации и бункера роторного БЗУ, обеспечивающие достаточно высокую фактическую производительность (не менее 70 шт./мин) одной рабочей позиции БЗУ при захвате топких стержневых предметов обработки с отношением габаритных размеров 1/с1 > 6, наружным диаметром ?/<10 мм, массой до 0,1 кг и коэффициентом трения до 0,45. Это позволяет создавать эффективные роторные САЗ заданной производительности в допустимых габаритных размерах. Новизна разработанных технических решений подтверждена двумя патентами РФ на полезные модели [51, 52].

Разработана инженерная методика проектирования роторной САЗ на заданную производительность, имеющей в своей структуре БЗУ с вращающимися воронками усовершенствованной конфигурации для загрузки тонких стержневых предметов обработки, реализованная в виде пакета прикладных программ.

Реализация результатов работы. Конструкции вращающейся воронки усовершенствованной конфигурации и бункера роторного БЗУ в зоне захвата, математические модели, результаты теоретических и экспериментальных исследований производительности роторного БЗУ, инженерная методика проектирования роторной САЗ переданы для практической реализации на ОАО «Тульский патронный завод» и филиал ОАО «КБП» — «ЦКИБ СОО» (г. Тула), а также используются в учебном процессе на кафедрах Политехнического института Тульского государственного университета.

Апробация работы. Основные научные положения диссертации, результаты разработок, теоретических и экспериментальных исследований докладывались на международных научно-технических конференциях (МНТК): ежегодной очно-заочной МНТК «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Тула, ТулГУ, 2010;2011 гг.), IX электронной МНТК «Технологическая системотехника» (г.Тула, ТулГУ, 2010 г.), XV МНТК «Автоматизация: проблемы, идеи, решения (АПИР-16)» (г. Севастополь, СевНТУ, 2011 г.), XVIII МНТК «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, ДонНТУ, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 11 научных работ (из них 3 — без соавторов), в том числе 4 статьи — в ведущих рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК РФполучено два патента РФ на полезные модели. Общий объем публикаций 3,4 п. л.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и общих выводов, списка литературы из 100 наименований и приложения. Общий объем работы составляет 140 страниц, в том числе, 123 страницы основного текста, включающего 40 рисунков и 11 таблиц. Объем приложения 17 страниц. В приложении приведены распечатки программ, результаты экспериментов, копии патентов и актов реализации результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические решения, имеющие существенное значение для развития машиностроения, а именно, технические решения усовершенствованной конструкции роторного бункерного загрузочного устройства с вращающейся воронкой, обеспечивающей достаточно высокую фактическую производительность одной рабочей позиции при захвате тонких стержневых предметов обработки, что позволяет создавать эффективные роторные системы автоматической загрузки заданной производительности в допустимых габаритных размерах.

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие выводы:

1. В роторных САЗ для загрузки стержневых предметов обработки формы тел вращения широко применяют БЗУ с вращающимися воронками различной конфигурации, однако при загрузке тонких стержневых предметов обработки с отношением 1Ш > 6 известные конструкции БЗУ с вращающимися воронками не обеспечивают надежного и стабильного захвата предметов обработки, что существенно снижает эффективность их применения в конструкциях многопозиционных роторных САЗ и требует разработки новых технических решений.

2. Предложены пути усовершенствования известных конструкций вращающейся воронки и зоны захвата роторных БЗУ, направленные на обеспечение достаточно высоких значений производительности роторного БЗУ для тонких стержневых предметов обработки формы тел вращения с отношением габаритных размеров Ис1 > 6, диаметром й< 10 [мм] и высоким коэффициентом трения: приемная часть вращающейся воронки выполнена в виде двух установленных последовательно усеченных конусов с уменьшающимися углами при вершинах, оси которых установлены наклонно к оси вращения воронки, а обечайка бункера роторного БЗУ в местах расположения вращающихся воронок выполнена в виде сегмента окружности.

3. Сформированы конструктивные ограничения, накладываемые на геометрические параметры предложенной конфигурации приемной части воронки и зоны захвата роторного БЗУ, обеспечивающие надежный и стабильный захват тонких стержневых предметов обработки на основе интенсификации процесса захвата.

4. Разработана усовершенствованная аналитическая модель фактической производительности роторного БЗУ с вращающейся воронкой, в которой для получения адекватных и корректных математических описаний вероятностей, входящих в аналитическую модель, использована функция -/сг.

Гомперца у = е с двумя асимптотами (у = 0- 1) и показательная функция у = е~^ с одной асимптотой (у = 0).

5. На основе результатов компьютерного моделирования обосновано, что при углах наклона образующей нижнего конуса захватывающей воронки усовершенствованной конфигурации а2 =80° и соотношении диаметра выходного отверстия воронки и наружного диаметра предмета обработки (г2 = £>/<я?) > 1,4 вероятность западания предмета обработки с отношением габаритных размеров 8 < = //<а?) <10 может быть обеспечена не менее 0,8.

6. Показано двойственное влияние центробежной силы инерции от транспортного вращения роторного БЗУ. Вначале при увеличении динамических параметров и 24 фактическая производительность роторного БЗУ по сравнению со стационарным БЗУ = 0) увеличивается, достигая максимальных значений (на 20.25% выше, чем для стационарного БЗУ) при некотором предельном значении 25 = 0,3.0,6, а затем начинает снижаться. При этом с увеличением динамического параметра ?4 такое увеличение производительности идет интенсивнее.

7. Выявлено существенное влияние на величины коэффициента выдачи г] и фактической производительности роторного БЗУ по всему диапазону изменения параметров Z4 и ?5 коэффициента трения скольжения предмета обработки о направляющие поверхности БЗУ: его увеличение с 0,15 до 0,45 приводит к снижению коэффициента выдачи и фактической производительности роторного БЗУ в среднем на 40. .50%.

8. Показано существенное влияние на фактическую производительность роторного БЗУ соотношения габаритных размеров и соответствующей ему длины предмета обработки. Так, для предмета обработки при г= и / = 0,08 [м] фактическая производительность роторного БЗУ более чем в 1,5 раза меньше, чем для предмета обработки при = 8 и / = 0,064 [м].

9. Обоснована возможность достижения достаточно высоких уровней фактической производительности [Пф]тах однопозиционного роторного БЗУ с вращающейся воронкой усовершенствованной конфигурации (не менее 70 шт./мин) в зависимости от параметров загружаемых предметов обработки.

10. По результатам экспериментов с помощью стандартного пакета СигуЕхреП 1.3 построены аппроксимирующие функции зависимости фактической производительности БЗУ от числа оборотов в минуту захватывающей воронки (в стационарном и роторном режимах). Определены граничные значения числа оборотов в минуту захватывающей воронки и динамического параметра (для роторного режима), соответствующие максимальным и нулевым значениям фактической производительности БЗУ. В стационарном режиме для латунного пустотелого стакана [ив]т = 432,66 об./мин;

Пф]тах= 77,22 шт./мин- [пъ = 866,81 об./миндля стального сплошного стержня Ов]т = 556,7 об./мин- [Пф]тах= 46,28 шт./мин- [ив | = 1112,13 об./мин. В роторном режиме для латунного пустотелого стакана: [ив]П1 = 288,0 об./мин- [ир]т = 48,0 об./мин- [г5]т = 0,36- [Пф]тах= 60,73 шт./мин- [пъ] = 552,0 об./мин- |>р] = 92,0 об./мин- [г5] = 1,32.

11. Сравнение полученных результатов с известными ранее говорит о том, что предложенная аналитическая модель не только корректно описывает зависимость фактической производительности роторного БЗУ с вращающейся воронкой для захвата тонких стержневых предметов обработки формы тел вращения от кинематических и динамических параметров БЗУ, но и обеспечивает относительную погрешность (б = 20.30%) между теоретическими и экспериментальными значениями практически в 1,5.2 раза ниже, чем в случае использования ранее известной модели.

12. Результаты экспериментальных исследований производительности БЗУ с вращающейся воронкой для тонких стержневых предметов обработки в целом подтверждают выводы, полученные на основе компьютерного моделирования производительности роторного БЗУ по усовершенствованной аналитической модели.

13. На основе общепризнанной концепции и практики проектирования роторных САЗ, имеющих в своем составе роторное БЗУ с вращающейся воронкой, разработана инженерная методика проектирования роторного БЗУ для захвата тонких стержневых предметов обработки, базирующаяся на результатах теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной диссертационной работы, а также на результатах исследований других авторов и рекомендациях, приведенных в нормативно-технической документации. Основные этапы методики проектирования: параметрический синтез конфигурации вращающейся (захватывающей) воронки и роторного БЗУ, обеспечивающие создание роторной САЗ заданной производительности и требуемой эффективности, реализованы с использованием графического пакета КОМПАС-ЗО и программного пакета МсикСас!

14. Новизна разработанных технических решений усовершенствованной конструкции вращающейся вороики и бункера роторного БЗУ, обеспечивающих создание эффективных роторных САЗ для тонких стержневых осе-симметричных предметов обработки формы тел вращения подтверждена патентами РФ на полезные модели.

15. Разработанные конструкции вращающейся воронки специального профиля и бункера роторного БЗУ в зоне захвата, математические модели и результаты исследований производительности роторного БЗУ, инженерная методика расчета и выбора конструктивных параметров роторной САЗ переданы для практического использования на ОАО «Тульский патронный завод» и Филиал ГУП «Конструкторское бюро приборостроения» — «ЦКИБ СОО» (г. Тула), а также используются в учебном процессе на кафедрах Политехнического института Тульского государственного университета.