CC BY
12
Nevar GalinaValerevna,postgraduate, GalinaNevar@yandex.ru,Russia, Sevastopol, Sevastopol State University
УДК 621.9; 663.255
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО И МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР ЩЕЛЕВОГО БУНКЕРНОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ УПАКОВКИ
В ВИДЕ Т-ОБРАЗНЫХ ПРОБОК
И.Б. Давыдов, Е.В. Пантюхина
Рассматриваются вопросы создания, математического и методического обеспечения САПР щелевого бункерного загрузочного устройства для автоматической загрузки роторных машин и линий для розлива игристых вин, шампанского и элитных алкогольных напитков элементами упаковки в виде Т-образных пробок.
Ключевые слова: дисковое щелевое бункерное загрузочное устройство, Т-образные пробки, автоматическая загрузка, САПР.
Одной из наиболее сложных задач автоматизации технологических процессов и производств, способствующей повышению производительности и надежности, является автоматизация загрузки технологических машин штучными изделиями массой не более 0,07 кг в упорядоченном положении, с заданным темпом и требуемой производительностью. Эта задача выполняется системами автоматической загрузки (САЗ), основным элементом которых является механическое бункерное загрузочное устройство (БЗУ), обеспечивающее захват, ориентирование и выдачу штучных изделий в последующие устройства САЗ [1, 2, 3].
Автоматическую загрузку роторных машин и линий для розлива игристых вин, шампанского и элитных алкогольных напитков укупорочными элементами в виде Т-образных пробок в упорядоченном положении, с заданным темпом и требуемой производительностью обеспечивают САЗ на базе щелевых БЗУ. Это обусловлено тем, что производительность таких машин и линий при ручной подаче элементов упаковки составляет лишь 30...40 шт./мин, в то время как автоматическая их загрузка может обеспечить производительность 100.200 шт./мин для отечественных линий и 1200 шт./мин для зарубежных [4, 5].
Рабочие органы современных технологических машин и линий могут регулироваться для широкого спектра типоразмеров и форм загружаемых в них изделий в отличие от БЗУ. Это объясняется тем, что при изменении формы загружаемых изделий даже на 5%, ранее используемое БЗУ начинает выдавать неориентированные изделия, что приводит к резкому падению производительности и надежности всей линии. Поэтому при даже незначительном изменении размеров загружаемых элементов упаковки необходимо создавать новые конструкций БЗУ.
437
Процесс расчета и проектирования БЗУ для каждого элемента упаковки очень трудоемкая задача, отнимающая много сил и времени из-за сложности построения математических моделей процессов захвата, ориентирования изделий и производительности БЗУ, сопровождающихся огромным объемом вычислительных операций. Создание САПР щелевых БЗУ для Т-образных элементов упаковки освободит разработчика от выполнения трудоемких и рутинных операций.
В современном отечественном производстве, где практически во всех отраслях промышленности применяют САПР элементов и конструкций технологических машин, до сих пор не существует САПР для создания новых конструкций БЗУ, позволяющей в зависимости от параметров загружаемых изделий и требуемой производительности машины получить конструкторскую документацию на БЗУ. В тоже время за рубежом, в частности, в США известны компании, которые уже на протяжении многих лет успешно занимаются разработкой таких САПР. Например, в Салфордском университете Великобритании («UniversitiofSalford») под руководством G. Boothroyd был разработан программный модуль проектирования БЗУ для широкого спектра изделий машиностроения.
Поэтому актуальной задачей по автоматизации процесса проектирования конструкций БЗУ для штучных изделий является создание САПР и в нашей стране, которая позволит создавать конструкторскую документацию щелевых БЗУ для Т-образных элементов упаковки, автоматизируя процесс расчета и проектирования конструкций БЗУ, тем самым значительно снижая затраты ручного труда.
САПР механических БЗУ должна содержать проектирующие подсистемы, которые выполняют конкретные проектные операции, например, расчет параметров БЗУ, моделирование процессов захвата, ориентирования изделий в БЗУ, моделирование производительности БЗУ, и обслуживающие, которые поддерживают работоспособность проектирующих подсистем и обеспечивают их взаимосвязь. Структурное единство каждой из подсистем САПР обеспечивается с помощью системных компонентов САПР, представляющих собой совокупность методического, математического, лингвистического, технического, программного, информационного, организационного эргономического и правового обеспечений [6].
Математическое обеспечение, объединяющее математические методы, модели и алгоритмы, представлено аналитическими и математическими моделями процессов захвата, ориентирования штучных изделий и производительности БЗУ, учитывающими влияние геометрических и физико-механических параметров загружаемых изделий на конструктивные и кинематические параметры БЗУ [7-16].
Производительность щелевого БЗУ определяется выражением
Пбзу = 60-^ Л, (1)
где и - окружная скорость захватывающих органов; к - число захватывающих органов; л - коэффициент выдачи, определяемый выражением
Л_Лшах(1 -еи4), (2)
Лшах - наибольшая величина коэффициента выдачи, соответствующая окружным скоростям гнезда близким к нулю; е - коэффициент, учитывающий влияние скорости на процесс захвата [17].
В работе [18] были получены вероятностные коэффициенты аналитической модели производительности щелевого БЗУ для Т-образных пробок, определяющие величину Лшах :
I ^
0,9 +1,4 агС:ап т <г
Л
_ 2(^к1 +(1 -Рк1 -Рк2)Р/3)
шах
1 +
/
1-
р
1 + 2
г у
¡_
<г
(3)
где Рк1, Рк2 - вероятности того, что пробка ляжет на дно бункера головкой
12
и стержнем соответственно, определяемые выражениями
1 1ф - 1ц + 1с 1 1ц - ¡г
Рк,
2
; Рк
-ц
/2 1с
(4)
(4(/ф - 1ц + 1с )2 + 2 д/4(1ц - ¡о )2 + <
I - длина пробки; /с - длина стержня пробки; <с, <г - диаметры стержня и головки пробки; /ф - высота фланца; /ц - расстояние от плоскости цилиндрического торца до центра масс предмета обработки; /о - высота основания; Р/3 - вероятность поворота пробки стержневой частьюк захватываю-
щему органу, определяемая выражением
(
Р/3 =~ 3 р
2агссоз-
¡ц ¡о
■ агсБт-
т
(/ц - ¡о )2
+ -
<2
tgaбун
(5)
т - коэффициент трения пробок о дно бункера БЗУ; «бун - угол наклона к
горизонту дна бункера щелевого БЗУ.
На следующем этапе для построения модели производительности щелевого БЗУ необходимо определение коэффициента е из условий удара Т-образной пробки о стенки щели вследствие слишком высоких окружных скоростей ишах вращающегося диска, который в соответствии с работами
[7-13] будет равен е
и
шах
Учитывая, что процесс захвата Т-образных пробок схож с захватом изделий зубчатым БЗУ, с учётом работы [8] получим
7шах
|А7о,25
^ < с у
Л
(6)
1
4
где В - ширина паза щелевого БЗУ (В = 1,1...1,3^с).Принимая В = \,25йс,
получим
е =
1
2 *2
&
(7)
Выражения (1)-(7), описывающие изменение производительности щелевого БЗУ от его параметров и параметров загружаемых Т-образных пробок, представляют собой математическое обеспечение СПАР.
Методическое обеспечение, представляющее собой описание технологии функционирования САПР, методов выбора и применения пользователями технологических приемов для получения конкретных результатов, включает в себя теорию процессов функционирования БЗУ, методы анализа, методики проектирования БЗУ [1, 16, 19, 20].
На основе известных методик проектирования на рисунке представлен алгоритм проектирования щелевого БЗУ (т, тс, тг - масса пробки, стержня и головки пробки).
Алгоритм проектирования щелевого бункерного загрузочного устройства
На следующем этапе было разработано прикладное программное обеспечение САПР, реализующего математическое обеспечение для непосредственного выполнения проектных процедур и включающего пакеты прикладных программ, предназначенные для обслуживания определенных этапов проектирования и решения групп однотипных задач внутри этих этапов. Разработан целый ряд прикладных программ в среде ЫмИСЛО, ко-
440
торая позволяет определять граничные условия и закономерности протекания процессов, реализуемых в БЗУ, КОМПАС-3D, в котором представлены конструкторские документации различных БЗУ и 3D-модели их функционирования и сборки. Дальнейшей задачей разработки САПР является создание общесистемного программного обеспечения в среде ЫicrosoftVisualBasic, которое позволит обеспечить совместное функционирование прикладных программ.
Список литературы
1. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Теоретические основы проектирования дискового зубчатого бункерного загрузочного устройства с кольцевы-мориентатором // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2013. № 7. С. 8-14.
2. Давыдова Е.В., Давыдов И.Б.Проблемы автоматической загрузки штучных предметов обработки механическими центробежными бункерными загрузочными устройствами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2009. Вып. 1. Ч. 1. С. 54-61.
3. Гравитационные ориентаторы в роторных системах автоматической загрузки технологических роторных машин / А.Г. Астраханцев, Е.В. Давыдова, В.А. Крюков, И.Н. Пахомов, В.В. Прейс;под науч. ред. В.В. Прейса.Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 184 с.
4. Давыдова Е.В., Ганков Е.А. Автоматические роторные машины для розлива алкогольных напитков и укупорки бутылок Т-образными пробками // Проблемы и перспективы развития науки и образования в ХХ! веке: сб.материаловМеждунар. (заоч.) науч.-практ.конф. 2017. С. 100104.
5. Давыдова Е.В., Ганков Е.А. Автоматическая загрузка Т-образных пробок в линии розлива алкогольных напитков // Наука, образование, инновации: апробация результатов исследований: сб.материаловМеждунар. (заочной) науч.-практ.конф. 2017. С. 107-113.
6. Основы теории САПР механических дисковых бункерных загрузочных устройств в пищевой промышленности/Е.В.Давыдова, И.Б.Давыдов, С.С.Колобаев, И.И.Чекмасова// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 9. С. 78-87.
7. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Аналитическая модель производительности бункерного загрузочного устройства с радиальными гнездами и кольцевымориентатором // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2009. № 11. С. 23-30.
8. Голубенко В.В., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Аналитическая модель производительности дискового зубчатого бункерного загрузочного устройства с кольцевымориентатором // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 6. Ч. 2. С. 104113.
9. Бурцев Д.В., Давыдова Е.В., Прейс В.В.Математическая модель производительности дискового бункерного загрузочного устройства с радиальными профильными гнездами // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2014. №9. С. 33-36.
10. Давыдова Е.В., Прейс В.В., Провоторова К.Н.Математическая модель производительности дискового бункерного загрузочного устройства с тангенциальными профильными гнездами // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2014. №10. С. 7-10.
11. Давыдова Е.В., Дружинина А.В., Прейс В.В. Математическая модель производительности механического дискового зубчатого бункерного загрузочного устройства с параметрическими отказами // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2015. № 10. С. 11-15.
11. Давыдова Е.В., Пантюхин О.В. Аналитические модели производительности бункерных загрузочных устройств для сувенирной ПЭТ-тары с неявно выраженной асимметрией // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 7. Ч. 2. С. 274-281.
12. Давыдова Е.В., Прейс В.В., Чурочкин А.В. Математическая модель производительности вертикального бункерного загрузочного устройства для плоских асимметричных предметов обработки // Прогресивш технологи i системимашинобудування. 2016. № 3 (54). С. 36-40.
13. Давыдова Е.В., Хачатурян А.В. Моделирование процесса пассивного ориентирования штучных предметов обработки в механических дисковых бункерных загрузочных устройствах // Автоматизация и приборостроение: проблемы, решения: сб. материалов Междунар. науч.-технич.конф. / науч. ред. В.Я. Копп. 2017. С.65-66.
14. Астраханцев А.Г., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Динамика процесса ориентирования изделия в гравитационномориентаторе с Ь-образным захватом роторного ориентирующего устройства // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2009. Вып. 1. Ч. 1. С. 18-27.
15. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Аналитическая модель процесса ориентирования деталей с неявно выраженной асимметрией торцов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2009. №9. С. 33-37.
16. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Аналитическая модель и методика расчёта производительности вертикального бункерного загрузочного устройства // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2010. №9. С. 27-31.
17. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Механические бункерные загрузочные устройства в пищевой промышленности / под науч. ред. В.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. 120 с.
18. Давыдова Е.В., Ганков Е.А. Определение вероятностных коэффициентов аналитической модели производительности щелевого бункерного загрузочного устройства для Т-образных пробок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 2. С. 266-273.
19. Голубенко В.В., Давыдова Е.В. Вопросы проектирования дискового зубчатого бункерного загрузочного устройства с кольцевымориента-тором // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 3. С. 11-16.
20. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Теоретические основы проектирования механических дисковых бункерных загрузочных устройств // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 7-1. С. 10-20.
21. Давыдова Е.В., Ганков Е.А. Основы расчёта основных параметров щелевого бункерного загрузочного устройства для Т-образных пробок // Результаты современных научных исследований и разработок: сб.материаловМеждунар. (заоч.) науч.-практ.конф. / под общей ред. А.И. Вострецова. 2017. С. 57-63.
Давыдов Иван Борисович, технический эксперт, svoryi@gmail. com, Россия, Краснодар, ООО «GEA»,
Пантюхина Елена Викторовна, канд. техн. наук, доц., elen-davidova@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DEVELOPMENT OF THE MATHEMATICAL AND METHODOLOGICAL SUPPORT OF A SPHERICAL HOPPER FEEDING DEVICE FOR PACKAGING ELEMENTS IN THE TYPE OF T-SHAPED CROPS
I.B. Davidov, E.V. Pantyukhina
The questions of creation, mathematical and methodical maintenance of CAD slit hopper feeding device for automatic loading of rotary machines and lines for bottling sparkling wines, champagne and elite alcoholic beverages with packing elements in the form of T-shaped plugs are considered.
Key words: disk slit hopper feeding device, T-shaped plugs, automatic feeding, CAD.
Davidov Ivan Borisovich, technical expert, svoryi@gmail. com, Russia, Krasnodar, 000 "GEA",
Pantyukhina Elena Viktorovnа, candidate of technical sciences, docent, elen-davidova@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University
