CC BY
99
УДК 658.562:621.9
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РОТОРНЫХ БУНКЕРНЫХ ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ С ВРАЩАЮЩИМИСЯ ВОРОНКАМИ
М.К. Галонска, А.О. Ионов, В.В. Прейс
Рассматриваются теоретические основы проектирования роторных бункерных загрузочных устройств с вращающимися воронками, которые используются в структуре роторных систем автоматической загрузки роторных и роторноконвейерных линий для изготовления элементов и сборки многоэлементных изделий массового выпуска.
Ключевые слова: проектирование, бункерное загрузочное устройство, система автоматической загрузки, роторная линия, роторно-конвейерная линия.
Одной из эффективных областей применения автоматических роторных и роторно-конвейерных линий (АРЛ/АРКЛ) является изготовление элементов и сборка многоэлементных изделий массового выпуска (строительно-монтажных патронов, элементов втулочно-роликовых цепей, изделий сельскохозяйственной техники, инъекционных игл однократного применения и др. изделий) [1-3].
Надежность АРЛ/АРКЛ во многом определяется надежностью функционирования систем автоматической загрузки (САЗ) штучных элементов (деталей), которые должны обеспечивать подачу элементов на рабочие позиции технологических роторов в строго заданном ориентированном положении и с заданной производительностью. Это требование многократно возрастает при сборке многоэлементных изделий массового выпуска, поскольку в структуре сборочной линии имеется несколько параллельно работающих САЗ для подачи собираемых элементов в соответствии с технологическим процессом сборки [4].
Автоматическая загрузка штучных элементов собираемых изделий в АРЛ/АРКЛ с производительностью до 300-400 шт./мин может осуществляться стационарными САЗ, а с более высокой производительностью - роторными САЗ, представляющими собой многопозиционные непрерывно вращающиеся системы, построенные по принципу технологических роторных машин [5 - 8].
Надежность роторной САЗ на стадии проектирования обеспечивается рациональным выбором её расчетных технических параметров с учетом функциональных и параметрических отказов САЗ, а также выбором эффективной стратегии обслуживания, обеспечивающей требуемую надежность системы при эксплуатации. Одним из направлений повышения надежности роторных САЗ является создание резервированных систем методами замещения с ненагруженным или нагруженным резервом [9 - 11].
На рис. 1 представлена типовая схема роторной САЗ однороторной компоновки для загрузки цилиндрических деталей.
б
Рис. 1. Типовая схема роторной САЗ однороторной компоновки: а - продольный разрез; б - вид сверху
В роторных САЗ эффективно применение бункерных загрузочных устройств (БЗУ) с захватывающими органами в виде вращающихся воронок, которые обладают широкой универсальностью, высокой производительностью, структурной и кинематической простотой, а также удобством обслуживания и ремонта.
В общем случае БЗУ содержит цилиндрический бункер, образованный обечайкой 2 и коническим дном 3 (рис. 1, а). В бункере БЗУ равномерно по окружности c начальным диаметром D0 = 2R0 (рис. 1, б) на периферии размещены с шагом h вращающиеся воронки 1 для поштучного захвата деталей 4, находящихся в бункере. Соосно вращающимся воронкам 1 установлены трубчатые накопители 5 с механизмами поштучной выдачи 6, а ниже - шиберные питатели 8. Все элементы функциональных устройств роторной САЗ смонтированы на транспортно-несущем устройстве 10, вертикальный вал которого установлен в опорах качения 9 на станине линии.
При вращении роторной САЗ детали, загруженные в бункер БЗУ, попадают с конического дна в приемные части вращающихся воронок. Детали, захваченные вращающимися воронками, поступают в накопители, откуда механизмами поштучной выдачи направляют их к шиберным питателям, осуществляющим выдачу деталей из роторной САЗ во вращающийся транспортный ротор 7 линии (см. рис. 1, а).
Авторами обосновано, что наиболее рациональным способом, позволяющим интенсифицировать процесс захвата деталей в конструкциях многопозиционных роторных БЗУ, является изменение конфигурации приемной части вращающейся воронки, поскольку это не требует введения никаких дополнительных элементов. Захватные механизмы, реализующие данный способ, более производительны, надежны и экономичны. Они обеспечивают широкие технологические возможности роторных БЗУ по захвату деталей разных типоразмеров и наилучшие условия для унификации захватывающих органов. Применение БЗУ с вращающимися воронками позволяет создавать эффективные роторные САЗ, обеспечивающие требуемую производительность в рациональных габаритах системы [12].
Разработаны разнообразные конструкции захватывающих органов в виде вращающихся воронок, обеспечивающие надежный захват осесимметричных деталей формы тел вращения с различным отношением их габаритных размеров.
Для захвата равноразмерных и близких к ним деталей с отношением габаритных размеров 1,2 £ l/d £ 1,5 разработаны захватывающие органы (рис. 2, а), в которых геометрическая ось 3 воронки 1 смещена относительно оси ее вращения 2, а приемная часть воронки выполнена из двух установленных последовательно усеченных конусов 4, вершины которых направлены в одну сторону. Развитием данной конструкции стали воронки с приемной частью криволинейной конфигурации [13]. Преимуществом таких воронок является возможность изготовления их приемной части на токарных станках с ЧПУ и более надежный захват равноразмерных деталей.
Для захвата стержневых предметов обработки с отношением габаритных размеров 2 < l/d £ 8 разработаны воронки (рис. 2, б) с одноэле-
ментной приемной конической частью 4, геометрическая ось 2 которой наклонена к оси вращения 3 воронки 1. Это позволяет увеличить угол наклона образующей конической части 4, обеспечив выполнение необходимого условия западания деталей. Пересечение наклонной конической части 4 с цилиндрической частью воронки образует скошенный торец для ворошения предметов обработки.
а
4
4
Рис. 2. Захватывающие органы в виде вращающихся воронок: а - с приемной частью из двух усеченных конусов; б - с приемной частью из одного наклонного конуса;
в - с многоэлементной приемной конической частью
Развитием данной конструкции стала воронка с многоэлементной приемной конической частью (рис. 2, в), которая выполнена в виде нескольких (минимум двух) сопрягаемых между собой усеченных конусов 4 с последовательно уменьшающимися углами при их вершинах. Геометрические оси 2 конусов 4 наклонены к оси вращения 3 воронки 1, причем точки пересечения осей конусов с плоскостью, перпендикулярной оси вращения воронки 1, лежат в одной плоскости [14, 15]. Преимуществом разработанной воронки является возможность надежного захвата тонких стержневых деталей с отношением габаритных размеров 6 < l/d £ 10.
Цикловая производительность роторной САЗ [шт./мин], как технологической машины роторного типа, определяется известными выражениями
Пц = 60
0
h
30
ОД
0
h
Пр и , (1)
2
где О - угловая скорость роторной САЗ (БЗУ), рад./с; Л = 0,5Дз - соответственно начальные радиус и диаметр САЗ (БЗУ); И - шаг захватывающих органов БЗУ на рабочих позициях САЗ, м (см. рис. 1, б); и - число рабочих позиций роторной САЗ, равное числу захватывающих органов (вращающихся воронок) БЗУ; «р - число оборотов в минуту роторной
САЗ (БЗУ).
Условие компоновки БЗУ в роторной САЗ
ПфБЗУ М > Пц, (2)
где ПфБЗУ - производительность одной позиции роторного БЗУ (одной
вращающейся воронки).
Тогда число вращающихся воронок роторного БЗУ, обеспечивающих требуемую производительность и определяющих габариты роторной САЗ в поперечном сечении, в соответствии с выражениями (1) - (2) должно удовлетворять неравенству
и > 30 -У0 . (3)
И ПфБЗУ
Таким образом, чем выше производительность одной вращающейся воронки БЗУ при меньших значениях угловой скорости ротора, тем меньше число рабочих позиций роторной САЗ, а, следовательно, и её габариты.
Фактическая производительность роторного БЗУ с захватывающими органами в виде вращающихся воронок
Пф = сшахпвЛ, (4)
где сшах - максимальное число предметов обработки, которое может быть захвачено за один оборот воронки; пв - число оборотов воронки в минуту; П - коэффициент выдачи БЗУ.
Коэффициент выдачи роторного БЗУ с позиций методологического подхода, предложенного в работе [16], трактуется, как вероятность того, что параметры потока штучных деталей, формируемого на выходе БЗУ, а
именно их шаг и скорость, будут близки к экстремальным значениям, со-
ответствующим параметрам идеального или идеально-плотного потока, который может сформировать БЗУ в соответствующим физическом поле сил. В соответствии с этим положением коэффициент выдачи определяют как произведение двух коэффициентов, имеющих вероятностный смысл
л = к^2, (5)
где к1 - стохастический коэффициент преобразования шага идеального потока деталей; к2 - стохастический коэффициент преобразования скорости идеального потока деталей.
Стохастический коэффициент преобразования шага определяют как произведение трех условных вероятностей
к1 = р р2 р3, (6)
где р1 - вероятность того, что деталь не ляжет поперек приемной части воронки; р2 - вероятность западания в выходное отверстие воронки детали, находящейся в благоприятном положении вдоль образующей приемной конической части воронки; р3 - вероятность того, что захвату деталей не помешает их взаимная сцепляемость.
Стохастический коэффициент преобразования скорости идеального потока деталей определяют как произведение трех условных вероятностей
к2 = р4 р5 P6, (7)
где р4 - вероятность того, что процесс захвата детали произойдет в течение одного оборота захватывающей воронки; р5 - вероятность того, что процессу выдачи детали из вращающейся воронки не помешает совместное негативное действие центробежных сил инерции, возникающих от вращения воронки и транспортного вращения роторного БЗУ.
В работах [17 - 20] предложены математические модели, разработанные авторами, которые позволяют прогнозировать фактическую производительность роторного БЗУ (4) - (7) на стадии проектирования и выбирать число его рабочих позиций (3), обеспечивающее требуемую цикловую производительность роторной САЗ (1) и условие компоновки (2).
Показано, что для деталей с отношением габаритных размеров
1,2 £ — £ 1,5 в формуле (4) следует принимать значение сшах > 2, для дета-
й
лей с отношением 2 £ — £ 5 значение 1,5 < сшах < 2, для тонких стержней
вых деталей с отношением 8 £ — £ 10 следует принимать сшах = 1.
й
Для оценки влияния центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторного БЗУ, и действующей на детали в процессе их захвата вращающейся воронкой, предложен безразмер-
О2 Л0
ный динамический параметр 25 =-------—.
ё
В результате теоретических и экспериментальных исследований было выявлено и обосновано двойственное влияние центробежной силы инерции, возникающей вследствие транспортного вращения роторного БЗУ, на его фактическую производительность. Вначале при увеличении динамического параметра 25 фактическая производительность (4) роторного БЗУ по сравнению со стационарным БЗУ ( 25 = 0 ) увеличивается, достигая максимальных значений (на 20...25 % выше, чем для стационарного
БЗУ) при некотором предельном значении 0,3 £ Z5 £ 0,8, а затем начинает снижаться. При этом с увеличением числа оборотов воронки в минуту пв такое увеличение производительности роторного БЗУ идет интенсивнее.
Было показано, что существенное влияние на максимальное значение фактической производительности роторного БЗУ оказывает отношение габаритных размеров и коэффициент трения скольжения детали о направляющие поверхности вращающейся воронки. Так, увеличение коэффициента трения с 0,15 до 0,45 приводит к снижению максимального значения фактической производительности роторного БЗУ от 25 до 50 % в зависимости от отношения габаритных размеров загружаемых деталей.
Результаты экспериментальных исследований фактической производительности роторных БЗУ с вращающимися воронками для различных деталей, проведенные на специально разработанных стендах, в целом подтвердили теоретические выводы, полученные на основе компьютерного моделирования производительности роторных БЗУ по разработанным математическим моделям.
Математические модели, результаты компьютерного моделирования и экспериментальных исследований производительности роторных БЗУ с вращающимися воронками различной конфигурации были положены в основу инженерных методик параметрического синтеза конфигураций вращающихся воронок и роторных БЗУ, реализованных в виде программных модулей и компьютерных программ [21, 22].
В результате комплекса проведенных исследований были созданы теоретические основы проектирования роторных БЗУ с вращающимися воронками для разнообразных осесимметричных деталей формы тел вращения с отношением габаритных размеров от 1,2 до 10, обеспечившие практическую разработку роторных САЗ заданной производительности.
Список литературы
1. Крюков В. А., Прейс В.В. Комплексная автоматизация производства на базе роторных и роторно-конвейерных линий // Вестник машиностроения. 2002. № 11. С. 35-39.
2. Цфасман В.Ю., Савельев Н.И., Прейс В.В. Роторные и роторноконвейерные линии в производствах массовых деталей сельскохозяйственного и автотракторного машиностроения // Вестник машиностроения. 2003. № 9. С. 40-43.
3. Быстров В.А., Прейс В.В., Фролович Е.Н. Роторные технологии, машины и линии на современном этапе промышленного развития // Вестник машиностроения. 2003. № 10. С. 43-47.
4. Прейс В.В. Надежность автоматических роторно-конвейерных линий для сборки многоэлементных изделий // Сборка в машиностроении, приборостроении. № 10. 2003. С. 17-22.
5. Прейс В.В. Автоматизация загрузки дискретных деталей в роторные и роторно-конвейерные линии // Кузнечно-штамп. пр-во.1987. № 1. C. 12-15.
6. Прейс В.В. Системы автоматической загрузки штучных предметов обработки в роторные и роторно-конвейерные линии // Вестник машиностроения. 2002. № 12. С. 16-19.
7. Прейс В.В. Роторные системы автоматической загрузки штучных предметов обработки // Автоматизация и современные технологии. 2002. № 9. С. 3-8.
8. Галонска М.К., Прейс В.В. Модели, варианты и принципы синтеза структур роторных систем автоматической загрузки // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 12. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 30-40.
9. Прейс В.В. Резервирование систем автоматической загрузки роторных и роторно-конвейерных линий // Кузнечно-штамп. пр-во. 1990. № 6. C. 18-21.
10. Прейс В.В. Модели и оценка надежности роторных систем автоматической загрузки с функциональными отказами // Автоматизация и современные технологии. 2002. № 10. С. 3-8.
11. Прейс В.В. Модели и оценка надежности роторных систем автоматической загрузки с параметрическими отказами // Автоматизация и современные технологии. 2003. № 1. С. 9-15.
12. Галонска М.К., Прейс В.В. Повышение эффективности роторных бункерных загрузочных устройств с вращающимися воронками // Автоматизация и современные технологии. № 10. С. 8-15.
13. Патент 42465 РФ. Бункерное загрузочное устройство. МПК B23Q 7/02. // М.К. Галонска, В.В. Прейс. Опубл. 10.12.2004. Бюл. № 34.
14. Патент 100941 РФ. МПК8 B23Q 7/02. Роторный автомат питания // А.О. Ионов, В.В. Прейс. Опубл. 19.01.2011. Бюл. № 1.
15. Патент 102556 РФ. МПК8 B23Q 7/02. Роторное бункерное загрузочное устройство для тонких стержневых заготовок // А.О. Ионов, В.В. Прейс. Опубл. 10.03.2011. Бюл. № 7.
16. Прейс В.В. Основы теории производительности бункерных загрузочных устройств для автоматических роторных линий // Кузнечно-штамп. пр-во. 1989. № 5. C. 23-25.
17. Прейс В.В. Математическая модель функционирования роторных бункерных загрузочных устройств поштучно-непрерывного захвата // Кузнечно-штамп. пр-во. 1989. № 12. C. 25-27.
18. Бочарова И.В., Галонска М.К., Прейс В.В. Прогнозирование производительности роторного бункерного загрузочного устройства с вращающимися воронками криволинейного профиля // Автоматизация и современные технологии. 2008. № 1. С. 3-7.
19. Ионов А.О., Прейс В.В. Аналитическая модель производительности роторного бункерного загрузочного устройства для стержневых
предметов обработки // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Вып. 2. Ч.1. С.79-85.
20. Ионов А.О., Прейс В.В. Совершенствование аналитической модели производительности роторного бункерного загрузочного устройства с вращающейся воронкой // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5. Ч. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 27-40.
21. Галонска М.К., Прейс В.В. Программный модуль синтеза оптимальных конфигураций захватывающих воронок бункерного загрузочного устройства // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 123-133.
22. Ионов А.О., Прейс В.В. Параметрический синтез роторного бункерного загрузочного устройства с вращающимися воронками для тонких стержневых предметов обработки // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 6: в 2-х ч. Тула: Изд-во ТулГУ, Ч. 1. 2013. С. 230-244.
Галонска Михаил Константинович, канд. техн. наук, начальник отдела, nalonska@,tnla.net. Россия, Тула, филиал ОАО «Конструкторское бюро приборостроения» - «Центральное конструкторское исследовательское бюро спортивно-
охотничьего оружия»
Ионов Антон Олегович, канд. техн. наук, зам. директора, ionov_anton@mail.rn. Россия, Тула, ООО «Солид»
Прейс Владимир Викторович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, preys@,klax.tnla.rn. Россия, Тула, Тульский государственный университет
FUNDAMENTAL THEORY OF PROJECTION OF ROTOR HOPPER FEEDING DEVICES
WITH GYRATING FUNNELS
M.K. Galonska, A.O. Ionov, V.V. Preis
Fundamental theory ofprojection of rotor hopper feeding devices with gyrating funnels which one use in frame of rotor automatic feeding systems of rotor and rotary- conveyor lines for manufacture of units and assembling of multiple-unit products of mass production are considered.
Key words: projection, a hopper feeding device, an automatic feeding system, a rotor line, a rotary-conveyor line.
Galonska Michael Konstantinovich, Cand. Tech. Sci., the chief of department, galonska@iHla.net, Russia, Tula, branch of the Open Society «Design bureau of instrument making» - «Centraldeeignee exploratory brnrauoftte sports-huнtingweapon»
Ionov Anton Olegovich, Cand. Tech. Sci., the deputy the director, ionov_anton@mail.ru. Russia, Tula, Limited Company «Solid»
Prejs Vladimir Viktorovich, Dr. Sci. Tech., the prof., the chief of the cathedra,, prevs@,klax.tula.ru. Russia, Tula, the Tula State University
Получено 15.07.2013 г.
