CC BY
36
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 658.562:621.9
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ РОТОРНОГО БУНКЕРНОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА С ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ВОРОНКОЙ ДЛЯ ТОНКИХ СТЕРЖНЕВЫХ ПРЕДМЕТОВ ОБРАБОТКИ
А.О. Ионов, В.В. Прейс, В.Ю. Токарев
Рассмотрены результаты экспериментальных исследований роторного бункерного загрузочного устройства с вращающейся воронкой специального профиля, предназначенного для захвата тонких стержневых предметов обработки с отношением длины к диаметру больше шести. На основе полученных результатов построены регрессионные модели фактической производительности роторного бункерного загрузочного устройства, позволяющие оценить её граничные значения в зависимости от кинематических параметров устройства.
Ключевые слова: роторное бункерное загрузочное устройство, роторная система автоматической загрузки, стержневой предмет обработки, производительность, экспериментальные исследования.
Бункерное загрузочное устройство (БЗУ) с вращающейся воронкой является эффективным техническим средством для захвата штучных стержневых предметов обработки формы тел вращения массой до 0,1 кг и максимальным габаритным размером до 0,1 м [1]. Конструкции БЗУ с подобными захватывающими органами имеют высокую производительность, просты по кинематике привода и обладают универсальностью, что обеспечивает создание на их основе эффективных многопозиционных роторных систем автоматической загрузки (САЗ) штучных предметов обработки в технологические системы роторных машин (ТС РМ) с производительностью от 200 до 1200 шт./мин [2 - 4].
При загрузке тонких стержневых предметов обработки с отношением габаритных размеров l/d > 6 (I - длина, d - наружный диаметр предмета обработки) и наружным диаметром d < 10 мм производительность одной рабочей позиции БЗУ с вращающейся воронкой значительно снижается.
Поэтому для обеспечения заданной производительности роторной САЗ требуется увеличение числа рабочих позиций, что приводит к увеличению габаритных размеров системы в поперечном сечении. Кроме того, возрастает вероятность заклинивания тонких стержневых предметов обработки между внешней поверхностью воронки и внутренней поверхностью обечайки бункера роторного БЗУ. Все это обусловливает значительное снижение эффективности роторных САЗ.
На основе анализа известных технических решений были предложены усовершенствованные конструкции роторного БЗУ с вращающимися воронками [5, 6] и разработаны математические модели их производительности, позволившие теоретически обосновать области существования конструктивных параметров роторного БЗУ, обеспечивающих достаточно высокие значения его производительности при захвате тонких стержневых предметов обработки формы тел вращения с отношением габаритных размеров 1Ш > 6, диаметром d < 10 мм и высоким коэффициентом трения [7].
Учитывая приближенный характер математических моделей, экспериментальные исследования производительности БЗУ с последующим построением регрессионных моделей являются основой для подтверждения теоретических положений [8, 9].
Методика проведения экспериментов. Для проведения экспериментальных исследований фактической производительности роторного БЗУ были выбраны два предмета обработки (рис. 1): типа латунного пустотелого стакана (рис. 1, а, в) с отношением габаритных размеров I / d = 8,57,
_3
массой т = 3,0*10 кг, коэффициентом трения скольжения по стали ^ =
0,4; типа стального сплошного стержня (рис. 1, б, г) с отношением габа-
_3
ритных размеров I / d = 10, массой т = 31,0*10 кг, коэффициентом трения скольжения по стали ^ = 0,3.
в г
Рис. 1. Чертежи (а, б) и фотографии (в, г) тонких стержневых предметов обработки формы тел вращения:
а, в - латунный пустотелый стакан;
б, г - стальной сплошной стержень
На рис. 2 показана экспериментальная конструкция роторного БЗУ с вращающейся воронкой, установленная на испытательном стенде. Экспериментальная конструкция роторного БЗУ 7 с вращающейся воронкой установлена на дисковой платформе 4 испытательного стенда 2. Дисковая платформа 4 смонтирована на вращающемся валу 6, на котором установлено также центральное зубчатое колесо 5. Стенд оснащен регулируемым электроприводом 10, который позволяет с пульта управления 12 изменять угловую скорость вала 6.
6 7 8 9 10
4
3
2
1
11
12
13
б
Рис. 2. Экспериментальная конструкция роторного БЗУ, установленная на испытательном стенде для исследований производительности БЗУ в стационарном режиме: а - общий вид стенда с БЗУ; б - вид сверху на БЗУ
5
5
Предметы обработки 13, загружаемые в бункер БЗУ, захватывались вращающейся воронкой 14 (см. рис. 2, б) и выдавались в сборник 1 по отражательному козырьку 3 (см. рис. 2, а).
Для исследования зависимости фактической производительности БЗУ от угловой скорости вращающейся (захватывающей) воронки в стационарном режиме платформу 4 (см. рис. 2, а) монтировали на валу 6 свободно и тормозили посредством стержня 9, жестко связанного с рамой стенда 2, а центральное зубчатое колесо 5 жестко связывали с валом 6. В этом случае вращение вала 6 через центральное зубчатое колесо 5 передавалось на зубчатое колесо 8 воронки неподвижно установленного (стационарного) БЗУ 7. Угловую скорость воронки контролировали с помощью электронного стробоскопа 11, непосредственно направляя световой поток лампы стробоскопа на зубчатое колесо воронки 8.
При исследовании фактической производительности БЗУ в роторном режиме (рис. 3) платформу 4 жестко связывали с валом 6, а центральное зубчатое колесо 5, наоборот, монтировали на валу 6 свободно и тормозили посредством тяг 7, жестко связанных с рамой стенда 2. Тогда при вращении вала 6 с платформой 4 и установленном на ней БЗУ захватывающая воронка 8 роторного БЗУ получала вращение за счет обкатки её зубчатого колеса 9 по неподвижному центральному зубчатому колесу 5.
7 8 9 10
Рис. 3. Экспериментальная конструкция роторного БЗУ, установленная на испытательном стенде для исследований производительности БЗУ в роторном режиме
Передаточное отношение зубчатой пары 5, 9 составляло 6:1.
Начальный радиус роторного БЗУ (расстояние от оси вала 6 до оси вращения воронки 8) R0 = 0,14 м.
Угловую скорость платформы регулировали с помощью управляемого электропривода 10, 12, а контролировали посредством электронного стробоскопа 11, направляя световой поток лампы стробоскопа на метки, специально нанесенные на поверхность платформы 4. Значения угловой скорости воронки получали пересчетом через передаточное отношение зубчатой пары 5, 9.
Предметы обработки, захваченные вращающейся воронкой 8 роторного БЗУ, выдавались в сборник 1 по отражательным козырькам 3.
Геометрические параметры экспериментальной воронки для захвата предметов обработки, показанных на рис. 1, были рассчитаны на основе зависимостей, представленных в работе [10].
Фактическую производительность БЗУ в единичном опыте регистрировали ручным счетом предметов обработки, выданных за одну минуту. Для каждого значения угловой скорости проводили по 10 единичных опытов и рассчитывали среднее арифметическое значение фактической производительности. Для каждой серии единичных опытов и полученного значения среднего арифметического фактической производительности БЗУ рассчитывали дисперсию среднего, среднеквадратическое отклонение от среднего, коэффициент вариации среднего и доверительный интервал. Все расчеты проводили с использованием стандартного пакета MS Excel в табличной форме.
Результаты экспериментальных исследований. На рис. 4 представлена покадровая видеограмма 1 - 8, иллюстрирующая полную выработку бункера при работе БЗУ в стационарном режиме без досыпки загружаемых предметов обработки. Исходное число предметов обработки в бункере БЗУ-50 шт. Видеосъемку проводили цифровой камерой FUJIFILM FINEPIX F550EXR с частотой 10 кадр. / с.
Результаты видеосъемки доказывают эффективность работы усовершенствованного БЗУ, поскольку полная выработка предметов обработки из бункера происходит в течение 30.. .40 с.
В табл. 1 представлена свертка результатов экспериментальных исследований фактической производительности БЗУ в стационарном режиме для двух типов предметов обработки.
По результатам экспериментов (см. табл. 1) с помощью стандартного пакета CurvExpert 1.3 были построены аппроксимирующие функции зависимости фактической производительности БЗУ у = Пф [шт./мин] от угловой скорости х = ^0 [об./мин] захватывающей воронки в виде полиномов второй степени (рис. 5).
Таблица 1
Свертка результатов экспериментальных исследований фактической производительности БЗУ в стационарном режиме
Угловая скорость воронки ю0, об./мин 100 200 300 400 500
Среднее арифметическое значение фактической производительности Пф, шт./мин Тип предмета рис. 1, а 31,0 53,0 72,0 77,0 75,0
рис. 1, б 15,0 26,0 38,0 42,0 -
7 8
Рис. 4. Видеограммы 1 -8, иллюстрирующие работу БЗУ в стационарном режиме до полной выработки бункера без досыпки предметов обработки
S =1.61613884 г = 0.99916559
X Axis (units) а
S = 1.48323970 г = 0.99813512
СП
'с
<л
X
<
>-
X Axis (units) б
Рис. 5. Аппроксимирующие функции (выходные графики пакета CurvExpert 1.3) экспериментальной зависимости фактической производительности БЗУ (у = Пф) от угловой скорости (x = ю0)
захватывающей воронки для двух типов предметов обработки: а - латунный пустотелый стакан; б - стальной сплошной стержень;
• - экспериментальные значения фактической производительности
Уравнения аппроксимирующих функций зависимости фактической производительности БЗУ от угловой скорости захватывающей воронки y(x) = Пф (<»о) для двух типов предметов обработки:
а) латунный пустотелый стакан (I / d = 8,57, см. рис. 5, а)
у = -0,53571429 + 0,36003571* - 0,00041607143*2; (1)
б) стальной сплошной стержень (I / d = 10, см. рис. 5, б)
у = -0,20 + 0,1670* - 0,00015*2. (2)
Дифференцируя аппроксимирующие уравнения (1), (2) и приравнивая их нулю, получим два линейных уравнения, решениями которых будут значения угловых скоростей [ ®0^ захватывающей воронки, соответствующие максимальным значениям [ Пф фактической производительности БЗУ для двух типов предметов обработки:
а) латунный пустотелый стакан (I / d = 8,57)
0 = 0,36003571 - 0,00083214286*; (3)
б) стальной сплошной стержень (I/d = 10)
0 = 0,1670 - 0,0003*. (4)
Подставляя значения угловых скоростей, полученные из уравнений (3), (4), в соответствующие уравнения (1), (2) и решая их, получим максимальные значения фактической производительности БЗУ в стационарном режиме для двух типов предметов обработки.
Приравнивая нулю аппроксимирующие уравнения (1), (2), получим квадратные уравнения, решениями которых будут значения предельных угловых скоростей [®0] захватывающей воронки, при которых фактическая производительность БЗУ в стационарном режиме обращается в нуль.
В табл. 2 представлены значения угловых скоростей захватывающей воронки, соответствующие максимальным и нулевым значениям фактической производительности БЗУ в стационарном режиме.
Таблица 2
Значения угловых скоростей захватывающей воронки,
соответствующие максимальным и нулевым значениям фактической производительности БЗУ в стационарном режиме для двух типов предметов обработки
Тип предмета обработки К ]гп, об./мин [ Пф ]max, шт./мин К1 об./мин
Латунный стакан (см. рис. 1, а) 432,66 77,22 866,81
Стальной стержень (см. рис. 1, б) 556,7 46,28 1112,13
На рис. 6 сопоставлены графики теоретических и эксперименталь-
ных (1), (2) зависимостей фактической производительности БЗУ от динамического параметра Z4 в стационарном режиме.
Пф
Пф,
а
б
Рис. 6. Графики экспериментальных (1) и теоретических (2) зависимостей фактической производительности БЗУ от динамического параметра 14 в стационарном режиме
для двух типов предметов обработки: а - латунного стакана; б - стального стержня
В табл. 3 сопоставлены теоретические (расчетные) и экспериментальные значения угловых скоростей захватывающей воронки, соответствующие максимальным и нулевым значениям фактической производительности БЗУ в стационарном режиме.
Таблица 3
Сопоставление теоретических и экспериментальных значений угловых
Предмет обработки К ^ об./мин [ Пф]тах, шт./мин 5, % [®01 об./мин 5, %
Латунный стакан (рис. 1, а) 432,66 407,80*) 77,22 87,06*) -18,8 866,81 880,20*) -1,54
Стальной стержень (рис. 1, б) 556,70 418,00*) 46,28 47,60*) -36,0 1112,13 1130,20*) -1,62
На рис. 7 представлены покадровые видеограммы 1 - 6, иллюстрирующие функционирование БЗУ в роторном режиме при загрузке предмета обработки типа латунного пустотелого стакана.
Рис. 7. Видеограммы 1 - 6, иллюстрирующие функционирование экспериментального БЗУ в роторном режиме при загрузке латунного пустотелого стакана
В табл. 4 представлены результаты экспериментальных исследований фактической производительности БЗУ в роторном режиме для латунного пустотелого стакана (см. рис. 1, а).
Таблица 4
Результаты экспериментальных исследований фактической производительности БЗУ в роторном режиме для латунного стакана
Угловая скорость воронки ю0, об./мин 1GG 2GG 3GG 4GG 5GG
Угловые скорости платформы По [об./мин] О [рад/с] 1б,7 1,75 33,3 3,49 5G,G 5,24 бб,7 б,98 83,3 8,72
Динамический параметр 25 G,G4 G,17 G,39 G,7G 1,G8
Среднее арифметическое значение фактической производительности Пф, шт./мин 31,G 58,G 6G,G 5G,G 2G,G
По результатам экспериментов (см. табл. 4) с помощью стандартного пакета СигуЕхреЛ 1.3 была построена аппроксимирующая функция зависимости фактической производительности БЗУ у = Пф [шт./мин] от угловой скорости х = юо [об./мин] захватывающей воронки и платформы в виде полинома второй степени (рис. 8).
Б = 3.02095854 Г = 0.99515362
X Axis (units)
Рис. 8. Аппроксимирующая функция (выходной график пакета СиюЕхреН 1.3) экспериментальной зависимости фактической производительности БЗУ в роторном режиме (у = Пф) от угловой
скорости (х = ю0) захватывающей воронки и платформы для латунного пустотелого стакана;
• - экспериментальные значения фактической производительности
Уравнение аппроксимирующей функции зависимости в роторном
13
режиме фактической производительности БЗУ у(х) = Пф (ю) от угловой
скорости захватывающей воронки и соответствующей ей угловой скорости транспортного вращения платформы с БЗУ (О0 = ю0/6) для латунного пустотелого стакана с I / й = 8,57 (см. рис. 1, а)
у = -1,8214286 + 0,44989286х - 0,00080892857х2 . (5)
Приравнивая нулю уравнение (5), получим квадратное уравнение, решением которого будет значение предельной угловой скорости [Ю0] захватывающей воронки и соответствующих ей предельной угловой скорости [П 0] транспортного вращения БЗУ и предельного динамического параметра [г5], при которых фактическая производительность БЗУ обращается в ноль. На рис. 9 сопоставлены графики теоретической и экспериментальной (5) зависимости фактической производительности БЗУ в роторном режиме от динамического параметра 25 = 24/36 для латунного стакана.
Рис. 9. Графики экспериментальной (1) и теоретической (2) зависимости фактической производительности БЗУ в роторном режиме от динамического параметра z5 при загрузке латунного
пустотелого стакана
В табл. 5 сопоставлены теоретические (расчетные) и экспериментальные (5) значения угловых скоростей захватывающей воронки и платформы, соответствующие максимальным и нулевым значениям фактической производительности БЗУ в роторном режиме.
Увеличение относительной погрешности между теоретическими и экспериментальными значениями угловой скорости воронки, соответствующей максимальной средней фактической производительности БЗУ при загрузке предметов обработки типа стального стержня с отношением
I / й = 10 (по сравнению с латунным стаканом с отношением I / й = 8,57) объясняется недостаточными размерами бункера БЗУ и, как следствие, ухудшением условий ворошения предметов в зоне захвата.
14
Таблица 5
Сопоставление теоретических и экспериментальных значений угловых ________скоростей захватывающей воронки БЗУ и платформы ___________
[®0 ^ об./мин [ П 0 ]т, об./ми н [25]ш 5, % [ Пф]тах, шт./мин [®0], об./мин [ П 0], об./ми н [25] 5, %
330,0 288,0*) 55.0 48.0 > 0,47 0,36 > +27, 9 60,74 60,73 618,0 552,0 103.0 92.0 16 6 1,3 2 +25, 8
*) 1 Примечания: ; - экспериментальные значения; 5 - относительная погрешность
Выводы. Сравнение полученных результатов с известными ранее показывает, что предложенная математическая модель [7] корректно описывает зависимость фактической производительности роторного БЗУ с вращающейся воронкой от кинематических и динамических параметров БЗУ при захвате тонких стержневых предметов обработки формы тел вращения. Корректность математической модели подтверждается невысокой относительной погрешностью (5 = 20...30 %) между теоретическими и экспериментальными значениями производительности, что практически в 1,5 - 2 раза ниже, чем в случае использования ранее известной модели.
Таким образом, предложенная математическая модель может быть использована при проектировании роторного БЗУ с вращающейся воронкой на заданную производительность.
Список литературы
1. Прейс В.В., Галонска М.К. Бункерные загрузочные устройства с вращающимися воронками криволинейного профиля. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. 128 с.
2. Прейс В.В. Роторные системы автоматической загрузки штучных предметов обработки // Автоматизация и современные технологии. 2002. № 9.С. 3-8.
3. Прейс В.В. Системы автоматической загрузки штучных предметов обработки в роторные и роторно-конвейерные линии // Вестник машиностроения. 2002. № 12. С. 16-19.
4. Галонска М.К., Прейс В.В. Модели, варианты и принципы синтеза структур роторных систем автоматической загрузки // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Вып. 12. С. 30-40.
5. Патент 100941 РФ. МПК8 В23 р 7/02. Роторный автомат питания // А.О. Ионов, В.В. Прейс. Опубл. 19.01.2011. Бюл. № 1.
6. Патент 102556 РФ. МПК8 B23 Q 7/02. Роторное бункерное загрузочное устройство для тонких стержневых заготовок / А.О. Ионов, В.В. Прейс. Опубл. 10.03.2011. Бюл. № 7.
7. Ионов А.О., Прейс В.В. Совершенствование аналитической модели производительности роторного бункерного загрузочного устройства с вращающейся воронкой // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. Вып. Ч. 3. С. 27-40.
8. Ионов А.О., Прейс В.В. Регрессионные модели производительности роторного бункерного загрузочного устройства для стержневых предметов обработки // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Вып. 2: Ч.1. С. 98-106.
9. Галонска М.К., Ионов А. О., Прейс В.В. Теоретические основы проектирования роторных бункерных загрузочных устройств с вращающимися воронками // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 7. Ч.1. С. 21-29.
10. Ионов А.О., Прейс В.В. Параметрический синтез роторного бункерного загрузочного устройства с вращающимися воронками для тонких стержневых предметов обработки // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 6. Ч. 1. С. 230-244.
Ионов Антон Олегович, канд. техн. наук, зам. директора,ionov_anton@mail.ru. Россия, Тула, ООО «Солид»,
Прейс Владимир Викторович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, yreys@klax.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Токарев Вячеслав Юрьевич, инженер, vv@,tsu.tula.ru. Россия, Тула, Тульский государственный университет
EXPERIMENTAL RESEARCHES OF PRODUCTIVITY OF A ROTOR HOPPER FEEDING DEVICE WITH A GYRATING FUNNEL FOR THE THIN BEAM SUBJECTS OF MACHINING
A.O. Ionov, V.V. Preis
Outcomes of experimental researches of a rotor hopper feeding device with a gyrating funnel of the special profile intended for acquisition of the thin beam subjects of machining with a length-to-diameter ratio more six are considered. On the basis of the received outcomes the regression models of actual productivity of the rotor hopper feeding device are builted, allowing to estimate its boundary values depending on the kinematic arguments of the device.
Key words: a rotor hopper feeding device, a rotor automatic feeding system, a beam subject of machining, actual productivity, experimental researches.
Ionov Anton Olegovich, candidate of technical scienses, the deputy the director, io-nov_anton@mail.ru, Russia, Tula, Limited Company «Solid»,
Preis Vladimir Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, the head of chair, preys@klax.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Tokarev Vyacheslav Jurevich, the engineer, pp@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 658.511
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА АНАЛИЗА КОНТРАКТА НА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОМ
ПРЕДПРИЯТИИ
В.Ю. Анцев, Е.А. Чернецова
Представлены результаты структурно-функционального моделирования процесса анализа контракта, позволившие создать модель процессного управления разработкой и заключением контрактов на изготовление грузоподъемных машин.
Ключевые слова: процессный подход, анализ контракта, структурнофункциональная модель, качество процесса.
В настоящее время, изменения, происходящие во внешней среде промышленных предприятий, вызывают необходимость поиска новых принципов организационного управления производством, обеспечивающих их устойчивое развитие. Чем интенсивнее проявляется воздействие внешней среды, тем большую актуальность приобретают изучение процессов, происходящих на предприятии, и разработка адекватных инструментов и методов организации управления производством. У управляющего персонала возникает необходимость иметь модель деятельности предприятия, отражающую все механизмы и принципы взаимосвязи различных подсистем в рамках предприятия в целом. Поэтому методики моделирования и анализа бизнес-процессов в настоящее время являются одним из важнейших инструментов повышения эффективности деятельности предприятий, и их использование имеет своей конечной целью реорганизацию бизнес-процессов и, как следствие, увеличение выручки, сокращение затрат на производство продукции, повышение качества продукции.
В современном машиностроении базой для планирования производства становится заказ потребителя. В этих условиях одной из основных задач предприятия является эффективная организация процесса управле-
