CC BY
2
УДК 621.9.06-52
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-8-16-17
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БУНКЕРНОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА С ЗУБЬЯМИ И РЕГУЛИРУЕМЫМ ОРИЕНТАТОРОМ
С.А. Лукин, Е.В. Пантюхина, И.В. Пузиков
В статье представлены результаты экспериментальных исследований вероятности захвата и производительности усовершенствованного универсального бункерного загрузочного устройства с зубьями и регулируемым ориентатором в виде кольцевого сектора для стержневых заготовок в форме колпачка со сферическим торцом.
Ключевые слова: автоматическая загрузка, бункерное загрузочное устройство с зубьями и регулируемым ориентатором, заготовки в форме колпачка, экспериментальные исследования, производительность.
Для загрузки различных по форме и размерам заготовок в форме колпачка была предложена конструкция механического дискового бункерного загрузочного устройства (БЗУ) с зубьями и регулируемым ориентатором в виде кольцевого сектора [1] с возможностью быстрой переналадки с одного типаразмера заготовки на другой, обеспечивающая надежное функционирование при ориентировании заготовок, повышение вероятности их захвата и, тем самым, повышение производительности.
Разработанные ограничения на конструктивные параметры захватывающих и ориентирующих органов усовершенствованного универсального БЗУ с зубьями и регулируемым ориентатором в виде кольцевого сектора и результаты их математического моделирования для стержневых заготовок в форме колпачка, при которых устройство будет надежно функционировать, обеспечивая требуемую производительность представлены в работе [2]. В работе [3] описаны основные этапы его проектирования, в процессе которого будут реализована загрузка различных по форме и размерам заготовок с возможностью быстрой переналадки с одного типаразмера на другой, обеспечены надежное функционирование при ориентировании заготовок, повышена вероятность захвата заготовок карманами БЗУ с целью увеличения его производительности.
Разработанная теоретически на основе комплексного подхода [4-6] математическая модель вероятности захвата и производительности усовершенствованного БЗУ для заготовок в форме колпачка со сферическим торцом имеет вид:
П =
60и
1 -
1 - Рп -
РШ
агссо8
-1 + и
\\
- аггат-
хс -1 + /1)2 + 0,25^4 аб
/У
1-
Рш 2п
аггат
- аггат-
лЯфзт 1804
//
1-
агйаи цз
+и2 + ¡1
л/2 • 0,542 + 2гкд + (I - кд)
• (0,2542 + 2гкд + ¿1(1 - кд))
х{1 -
g 81П аб
4
0,5^ + кк - 0,5
кз +у! й?2 + к2
•з У
где кз - толщина зубьев универсального БЗУ, г - радиус сферического торца заготовки; ¿1,1, ¡1, хс - диаметр наибольшего торца, длина заготовки, длина цилиндрического торца и координата центра масс; Я - радиус вращающегося диска БЗУ по оси расположения кармана; ф„„™ - зона захвата заготовок; к - высота дна заготовки; а«
т ,зс1лВ д О
- угол наклона бункера; ц - коэффициент трения между заготовками и элементами БЗУ; цз - коэффициент трения между заготовками; кк - ширина кармана; вероятности р-ц, рц и рщ , характеризующие нахождение на поверхности вращающегося диска БЗУ заготовок поверхностями I (наибольший по диаметру торец), II (сферический торец) и III (боковая цилиндрическая поверхность) соответственно определяются по формулам
Р1 =
_ = 1__
2^(1 - хс)2 + 0,2541 2 2^(хс -1 + ¡1)2 + 0,25414
хс -1 + ¡1
РШ =1 - РI - Рц.
Для проведения экспериментальных исследований был изготовлен и установлен на специальной станине натурный образец усовершенствованного универсального БЗУ с зубьями и регулируемым ориентатором в виде кольцевого сектора. Универсальное БЗУ, а также необходимое для проведения экспериментов оборудование представлены на рис. 1. Оно включает следующие элементы: 1 - частотный преобразователь; 2 - обечайка бункера; 3 -вращающийся диск; 4 - станина; 5 - электродвигатель трехфазный асинхронный; 6 - клиноременная передача; 7 -приемник; 8 - емкость для выданных из БЗУ ориентированных заготовок. Электродвигатель через клиноременную передачу и червячный редуктор передает вращение на вал БЗУ, на котором с помощью звездочки вращается с постоянной частотой диск.
г
4
и
Рис. 1. Натурный образец усовершенствованного БЗУ с зубьями разной высоты и карманами, расположенными
по периферии
Число карманов в универсальном БЗУ для проведения экспериментов - 72 штук. Размеры карманов: длина I£ = 14 мм, ширина К^ = 13,5 мм. Высота кармана в зоне отсутствия регулируемого ориентатора составляет
17,1 мм. Высота кармана в верхней части, где находится верхняя часть ориентатора, регулируется в диапазоне от Нтт = 7,7 мм до Нтах = 17,1 мм. Это позволяет с помощью данного БЗУ ориентировать заготовки диаметром
от 8,5 до 12,3 мм и длиной от 19 до 34мм в зависимости от расположения центра масс. Расположенные на вращающемся диске между карманами зубья чередуются по высоте так, что высота большего зуба составляет К = 29
з
тах
мм, а меньшего
К
зт
= 24 мм. Толщина зубьев I = 6 4 мм. Радиус вращающегося диска по оси карманов
Я = 0,222 м. Вращающийся диск наклонен под углом а б = 45° ■
Регулируемый ориентатор в виде кольцевого сектора, установленный на нижнем неподвижном диске универсального БЗУ, показан на рис. 2. Ориентатор по высоте регулируется с помощью трех подпружиненных регулировочных гаек, каждая из которых имеет 6 насечек, под каждый конкретный тип заготовки вручную. Под каждой гайкой для надежной их фиксации установлена контргайка.
в
Рис. 2. Регулируемый ориентатор в виде кольцевого сектора: а - расположение на нижнем диске; б - участок захода заготовок на ориентатор; в - верхняя поверхность ориентатора и участок схода заготовок
Для проведения экспериментальных исследований на универсальном БЗУ с зубьями и регулируемым ориентатором был использована стержневая заготовка в форме колпачка (рис. 3). Ее основные геометрические параметры приведены в табл. 1. Для проведения экспериментов было подготовлено 2000 шт. заготовок
Таблица 1
Основные параметры заготовок_
Параметры Вид I
Длина / , мм 24,5
Диаметр $1, мм 12,46
Длина цилиндрического торца /1, м 21
Координата центра масс X^ , мм 10,28
Масса, г 8,43
Материал Сталь 11ЮА
Рис. 3. Заготовка для проведения экспериментов
Экспериментальные исследования производительности универсального БЗУ проводились с помощью методов фото- и видеосъемки. Частота вращения диска менялась с помощью частотного преобразователя с некоторым шагом. Показания частотного преобразователя в Гц приведено на рис. 3. Затем осуществлялись преобразование в частоту вращения диска - экспериментальные исследования проводились при значениях частоты диска 2,36; 3,21; 3,89; 4,54; 5,04; 5,41; 5,8; 6,36; 6,95 об./мин, что соответствует окружным скоростям карманов 0,055; 0,075; 0,09; 0,105; 0,117; 0,126; 0,135; 0,148; 0,161 м/с.
1 2 3 4 5
6 7 8 9
Рис. 3. Показания частотного преобразователя на каждой серии опытов
А
Чт
Каждые 60 с подсчитывалось количество выданных из БЗУ заготовок П^ . Путем постоянной подсыпки
заготовок уровень заполнения ими бункера поддерживался одинаковым (высота уровня засыпки в нижней части бункера соответствовала одной длине заготовки).
По методу Романовского исключены резко выделяющиеся наблюдения, если таковые имелись при расче-
П - П П - П •
1Ашах 11ср 11ср 11шт
те для каждого опыта величин ¿и =-— или ¿и =-- и их сравнения с табличным знав £ в £
чением ¿в = 2 41. По результатам проведенных опытов были рассчитаны: окружная скорость карманов; тео-Ртабл '
ретическая производительность универсального БЗУ; среднее арифметическое значение; вероятность захвата; среднее квадратическое отклонение; дисперсия средней производительности; коэффициенты вариации и асимметрии. Результаты замеров и вычислений по каждой серии опытов представленных параметров и коэффициентов для каждого вида заготовок сведены в соответствующие таблицы.
С помощью разработанных выражений и программ для определения конструктивных ограничений на параметры органов захвата и ориентирования универсального БЗУ получим следующие диапазоны рабочих значений высоты Н кармана в зоне расположения кольцевого ориентатора с учетом его конструктивных возможностей: вид I - Н = 4...8 мм; вид II - Н = 0,1...14,7 мм. Чтобы натурный образец мог ориентировать эти два вида заготовок, устанавливаем высоту кармана в зоне кольцевого ориентатора с помощью подпружиненных регулировочных гаек Н = 7 мм.
Результаты экспериментальных исследований вероятности захвата и производительности БЗУ, а также вычислений среднего квадратического отклонения О , дисперсии средней производительности Д коэффициента вариации 5 и коэффициента асимметрии А представлены в табл. 2.
Результаты экспериментальных исследований
Таблица 2
& и п, об./мин
й ^ к 2,36 3,21 3,89 4,54 5,04 5,41 5,80 6,36 6,95
и 0,055 0,075 0,09 0,105 0,117 0,126 0,135 0,148 0,161
Пт 170 231 280 327 363 390 418 458 500
Пср 100 136 163 192 209 224 239 259 275
п 0,589 0,588 0,583 0,589 0,576 0,574 0,573 0,565 0,550
О 2,96 2,48 2,71 2,77 3,34 3,21 3,66 3,27 3,42
и 8,77 11,33 19,51 28,49 48,84 51,38 76,93 71,38 88,77
5 2,96 2,48 2,71 2,77 3,34 3,21 3,66 3,27 3,42
А 0,07 -0,33 -0,17 -0,53 0,45 -0,43 -0,56 -0,05 0,55
На рис. 4 приведены результаты обработки экспериментальных данных, а также результаты сравнения экспериментально полученных графиков вероятности захвата и производительности универсального БЗУ с теоретическими, полученными в результате построения математических моделей по разработанным выше моделям в зависимости от вида заготовки. Точками на графиках (рис. 4, б) показаны рассчитанные по экспериментам значения вероятности захвата. Для заготовок получена с помощью СигуеЕхРегг следующая зависимость вероятности захвата от
окружной скорости: щ =0,59 — 56,55 • и4 .
Как показывают графики, экспериментальные и теоретические зависимости вероятности захвата и производительности универсального БЗУ от окружной скорости захватывающих органов для каждого практически совпадают. Результаты сравнения подтверждают адекватность и корректность разработанных математических моделей вероятности захвата и производительности универсального БЗУ при минимальном уровне заполнения бункера заготовками каждого вида. Расчет отклонений экспериментальных значений вероятности захвата и производительности универсального БЗУ от теоретических по известным формулам в диапазоне окружных скоростей органов захвата от 0 до значения, при котором производительность БЗУ максимальна, показал, что разница составляет менее 3,52 %.
В течение проведения экспериментальных исследований в приемник из универсального БЗУ не было выдано ни одной неориентированной заготовки. При этом правильно запавшие в карманы заготовки не выпадали из карманов в верхней части бункера, в зоне расположения регулируемого ориентатора, так как его параметры были установлены в соответствии с разработанными конструктивными ограничениями.
На рис. 5 представлены кадры видеосъемки надежного функционирования универсального БЗУ при ориентировании заготовок. При этом правильно запавшие в карманы колпачки не выпадают из карманов, в том числе в зоне нахождения ориентатора.
Рис. 4. Результаты обработки экспериментальных данных и сравнение теоретических (----)
и экспериментальных (--) моделей
Рис. 5. Фрагменты функционирования универсального БЗУ при выпадении из карманов заготовок
Представленная математическая модель вероятности захвата стержневых заготовок в форме колпачка позволяет на ранних этапах проектирования оценить максимальные возможности и оптимальные параметры усовершенствованного универсального БЗУ с зубьями и регулируемым ориентатором в форме кольцевого сектора. Это позволит, в совокупности с разработанными конструктивными ограничениями на органы захвата и ориентирования универсального БЗУ, обеспечить требуемые значения производительности при загрузке широкой номенклатуры стержневых заготовок в форме колпачка и учесть взаимосвязанное влияние на производительность конструктивных параметров БЗУ, окружной скорости его захватывающих органов, параметров, характеризующих заготовки, а также коэффициентов трения между заготовками и между заготовками и конструктивными элементами универсального БЗУ.
Список литературы
1. Пантюхина Е.В. Разработка универсальной конструкции механического дискового бункерного загрузочного устройства с зубьями и регулируемым ориентатором для заготовок тел вращения в форме колпачка / Е.В. Пантюхина, С.А. Лукин, С.А. Васин // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2024. № 3. С. 44-51.
2. Лукин С.А. Разработка и математическое моделирование конструктивных ограничений на органы захвата и ориентирования бункерного загрузочного устройства с зубьями и регулируемым ориентатором / С.А. Лукин, Е.В. Пантюхина // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2024. № 7. С. 98-103.
3. Лукин С.А. Методика проектирования универсального механического дискового бункерного загрузочного устройства с зубьями и регулируемым ориентатором для заготовок тел вращения в форме колпачка / С.А. Лукин, С.А. Васин, Е.В. Пантюхина // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2024. № 3. С. 36-43.
4. Пантюхина Е.В. Методология комплексного подхода для оценки производительности механических дисковых бункерных загрузочных устройств / Е.В. Пантюхина // Материалы IV Международной научно-технической конференции в г. Омск; науч. ред. П.Д. Балакин. 2020. С. 380-388.
5. Васин С.А. Методика определения вероятности захвата асимметричных деталей формы тел вращения в дисковых бункерных загрузочно-ориентирующих устройствах / С.А. Васин, Е.В. Пантюхина // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2023. № 3. С. 64-88.
6. Pantyukhina E.V. Integrated approach methodology for evaluating the feed rate of mechanical disk hopperfeeding devices // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 1546 (2020) 012024. DOI: 10.1088/17426596/1546/1/012024.
Лукин Сергей Анатольевич, генеральный директор, tpz@tulammo. ru, Россия, Тула, АО «Тульский патронный завод»,
Пантюхина Елена Викторовна, д-р техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пузиков Иван Валерьевич, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
EXPERIMENTAL STUDIES OF CAPACITY OF HOPPER FEEDER WITH TEETH AND ADJUSTABLE ORIENTATOR
S.A. Lukin, E.V. Pantyukhina, I.V. Puzikov
The article presents the results of experimental studies of the probability of gripping and feed rate of an improved universal hopper feeder with teeth and an adjustable orientator in the form of an annular sector for rod blanks in the form of a cap with a spherical end.
Key words: automatic feeding, hopper feeding device with teeth and adjustable orientator, blanks in the form of a cap, experimental studies, feed rate.
Lukin Sergey Anatolyevich, general director, tpz@tulammo. ru, Russia, Tula, Joint Stock Company «Tula Cartridge Plant»,
Pantyukhina Elena Viktorovnu, doctor of technical sciences, docent, e.v.pant@mail. ru, Russia, Tula, Tula state
university,
Puzikov Ivan Valeryevich, postgraduate, zalesniyr@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University
