CC BY
231
Рисунок 3 - Литая стойка коромысла с обработанным валиком после легирования в
литейной форме
Более того, при введении этого новшества в технологию литья отпадает необходимость в проведении дополнительной термообработки-закалки, что также снижает объём затрат на производство детали.
Наши разработки приняты к внедрению заводом-изготовителем.
Литература
1. Ворошнин Л.Г. Антикоррозионные диффузионные покрытия. Минск: «Наука и техника», 1981 - 296 с.
2. Ляхович Л.С., Ворошнин Л.Г., Панич Г.Г., Щербаков Э.Д. Многокомпонентные диффузионные покрытия. Минск: «Наука и техника», 1974 - 288 с.
3. Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. М.: «Металлургия», 1985 - 256 с.
4. Абачараев М.М. Кавитация и защита металлов от кавитационных разрушений. Махачкала: «Дагкнигоиздат», 1990 - 176 с.
5. Абачараев М.М. Хапалаев А.Ю. Защитные покрытия в промышленности. Махачкала: «Дагкнигоиздат», 1986 - 104 с.
6. Абачараев М.М., Камилов И.К., Абачараев И.М. Легирующее покрытие для литейных форм и стержней. Патент РФ № 2058212, 1996.
Электрогидравлический отбойный молоток (ЭГЭ-перфоратор)
к.т.н. Бекаев А.А., д.т.н. проф. Соковиков В.К., Строков П.И., Бекаев И.А., Булеков А.Д.
МГТУ «МАМИ», ООО СК "ВИТАЛ-Полис", МОУЛикино-Дулевская гимназия
8-909-901-77-13, bekaev@list.ru
Ключевые слова: электрогидравлический эффект; импульсный разряд в жидкости; преобразование электроэнергии. Механические явления, сопровождающие импульсный разряд в жидкости, известны около 300 лет, но лишь в последние годы работы в этой области были развернуты более широким фронтом и направлены на практическое использование импульсных давлений, возникающих в момент разряда в жидкости.
Одними из первых исследователей импульсного разряда в жидкостях являются естествоиспытатели Т. Лейн и Дж. Пристли (XVIII век), исследователи Т. Сведберг и Ф. Фрюнгель (XX век), установившие, что электрический пробой жидкостей, так же как и воздуха (молния), носит характер искры, воспринимаемой в виде отшнурованного узко и ярко светящегося канала.
Однако от Лейна и до Фрюнгеля науке было известно только лишь явление электрического разряда в жидкости как таковое, без каких-либо указаний на то, что миллиметровый
разряд в жидкости может явиться прообразом нового способа трансформации электрической энергии в механическую и быть широко использован в самых различных областях науки и техники. Причин, по которым многие исследователи прошли мимо огромных практических возможностей использования нового физического явления, достаточно много. Главная из них - отсутствие общественной потребности в использовании сверхвысоких гидравлических давлений.
Первооткрывателем механизма этого явления по праву считается советский ученый Лев Александрович Юткин, который впервые сформулировал и обозначил новый способ трансформации электроэнергии в механическую как электрогидравлический эффект (ЭГЭ).
Сущность этого эффекта состоит в том, что при осуществлении внутри объема жидкости, находящейся в открытом или закрытом сосуде, специально сформированного импульсного электрического (искрового, кистевого и других форм) разряда вокруг зоны его образования возникают высокие и сверхвысокие гидравлические давления, способные совершать полезную механическую работу и сопровождающиеся комплексом физических и химических явлений. Возникающие сверхвысокие импульсные гидравлические давления приводят к появлению ударных волн со звуковой и сверхзвуковой скоростями; значительными импульсными перемещениями объемов жидкости, совершающимися со скоростями, достигающими сотен метров в секунду; мощными кавитационными процессами, способными охватить относительно большие объемы жидкости; инфра- и ультразвуковыми излучениями; механическими резонансными явлениями с амплитудами, позволяющими осуществлять взаимное отслаивание друг от друга многокомпонентных твердых тел; мощными электромагнитными полями (десятки тысяч эрстед); интенсивными импульсными световыми, тепловыми, ультрафиолетовыми, а также рентгеновскими излучениями; импульсными гамма- и (при очень больших энергиях импульса) нейтронными излучениями; многократной ионизацией соединений и элементов, содержащихся в рабочей жидкости [1.. .4 и др.].
В настоящее время ЭГЭ уже используется в некоторых промышленных отраслях - машиностроительной, металлургической, нефтяной и газовой и др.
Одним из главных преимуществ данного метода является его исключительная эколо-гичность, так как способ воздействия ЭГЭ не привнесет никаких дополнительных источников загрязнения окружающей среды в планируемые технологии.
Среди разнообразия известных областей применения ЭГЭ при стремительном развитии строительной индустрии настоящего времени наиболее актуальными являются методы использования данного эффекта при создании более простых, легких и бесшумных, недорогих и компактных установок для долбления и дробления твердой породы (асфальт, бетон, камень, хрупкие металлы и др.).
С учетом всего перечисленного перед авторами настоящей работы была поставлена цель - разработать конструкцию электрогидравлического отбойного молотка, работающего на эффекте Л.А. Юткина, по сути электрогидравлического перфоратора (ЭГЭ-перфоратор), способного эффективно работать в заданных условиях и режимах от электрических сигналов с использованием электрогидроимпульсных преобразований и обеспечивающего регулируемую ударную силу при изменении напряжения разряда между электродами [5].
Данное устройство - ЭГЭ-перфоратор - разрабатывается для использования в строительном и горнодобывающем деле, когда необходима регулируемая сила удара (он также может быть использован и в работе МЧС при ликвидации последствий катастроф, когда от величины силы и частоты удара могут возникнуть дальнейшие разрушения строительных конструкций, что приведет к человеческим жертвам), т.е. ставится задача разработать такое устройство, которое было бы технически совершеннее существующих аналогов.
В результате проведенного патентного поиска было установлено, что самым ближайшим аналогом разрабатываемого устройства является «Инструмент с электрогидравлическим приводом», спроектированный на основе ручной электродрели с расчетным значением
КПД * 37% [6].
Анализ конструкции и принципа действия указанного устройства показал, что основными недостатками такого инструмента являются недостаточная надежность, обусловленная высокой сложностью конструкции (а соответственно ее стоимостью); необходимостью введения ограничений по реализуемой силе удара вследствие возникновения мощной отдачи, а также относительно низкий КПД устройства.
Для устранения указанных недостатков и достижения поставленной цели настоящей работы была разработана более простая, легкая, компактная и надежная установка ЭГЭ-перфоратора (рисунок 1), а также создан ее макет - лабораторный образец для проведения исследований ее рабочих характеристик (рисунки 2.. .6).
4
Рисунок 1 - Конструктивно-принципиальная схема ЭГЭ-перфоратора: 1 - рабочая камера; 2 и 3 - электроды; 4 - пульт управления; 5 - датчик давления; 6 - обратный гидроклапан; 7 - уплотнительные кольца; 8 - поршень; 9 - шток; 10 - пружина; 11 - сменный ударный наконечник
Разработанный ЭГЭ-перфоратор (рисунок 1) имеет рабочую камеру 1, заполненную водой с присадками, обеспечивающими ее незамерзание при отрицательных температурах и уменьшающих трение между слоями жидкости. В рабочей камере установлены два электрода 2 и 3 с фторопластовой или аналогичной изоляцией, на которые подают постоянное напряжение с пульта управления 4, где входное напряжение (от сети, аккумулятора или генератора) преобразуется до требуемых величин и может регулироваться.
В рабочей камере 1 также установлен датчик давления 5, указывающий на необходимость дополнительной подпитки ее жидкостью через обратный гидроклапан 6. Это можно сделать шприцем или аналогичными средствами (однако в этом практически не возникнет необходимости из-за хорошего уплотнения поршня уплотнительными кольцами 7).
При подаче с пульта управления 4 напряжения разряда между электродами возникает электрическая дуга и мгновенное испарение (кипение) жидкости. Возникающая ударная волна парожидкостной смеси давит на поршень 8 со штоком 9, который, перемещаясь, преодолевает усилие пружины 10, обеспечивая рабочее действие сменным ударным наконечником 11.
После совершения ударного действия происходит процесс конденсации (релаксации) воздушных пузырьков, создается вакуум в рабочей камере 1 и при растяжении пружины 10 поршень 8 смещается в верхнее положение.
Далее процесс повторяется. Величину усилия и частоту удара можно регулировать напряжением, подаваемым на вход электродов от пульта управления 4.
Полученные результаты экспериментальных исследований, проведенные на лабораторном образце (макете) ЭГЭ-перфоратора, показали, что давление жидкости в канале разряда
Р г
разр. и КПД ЭГЭ-перфоратора зависит от емкости конденсатора г и индуктивности цепи разряда электронного блока пульта управления.
Цулмп управления Конденсатор (К75) Силовой гидр о цилиндр
Рисунок 2 - Лабораторный образец (макет) ЭГЭ-перфоратора
(4кОМ)
кнопочным
\ Резистор (4,7кОМ)
Рисунок 3 - Принципиальная электрическая схема макета ЭГЭ-перфоратора
Рра,р.> (МПа)
_ Ь*10 , (Гн)
О 0,5 1 1,5 2 Рисунок 4 - Зависимость давления в канале разряда от индуктивности цепи при
= 40 -103 В
пр
разр.
и постоянной электроемкости , (МПа)
С = 0,01-10-6 Ф
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
-6
Сх10 , (Ф)
0 0,1 0,2 0,3 0,4 Рисунок 5 - Зависимость давления в канале разряда от электроемкости цепи при
ипр = 40 -103 В
и постоянной индуктивности
Ь = 2,2 -10-3 Гн
Рисунок 6 - Зависимость давления в канале разряда от отношения
С/Ь
Так, из рисунка 4 видно, что уменьшение индуктивности с 2'2'10 Гн до 0,02'10 Гн приводит к увеличению давления разряда с 62МПа до 130МПа при постоянной электроемкости г, а с уменьшением емкости с 0,5 '10 Ф до 0,01'10 Ф и постоянной индуктивности Ь давление Рразр. возрастает с 25МПа до 62МПа (рисунок 5). Следовательно, для увеличе-
Р т Г
ния разр. целесообразно уменьшать индуктивность Ь и емкость конденсатора г .
Однако, как показали экспериментальные исследования, влияние этих параметров на Р
давление разр. неоднозначно, поэтому для оценки изменения давления в канале разряда целесообразно рассматривать зависимость Рразр. от С1Ь (рисунок 6).
В результате проведенного анализа полученных графических зависимостей, представленных на рисунке 6 (кривая I была получена при уменьшении емкости г и постоянной индуктивности, а кривая II - при уменьшении индуктивности Ь и постоянной электроемкости),
Р
было установлено, что для увеличения давления жидкости в канале разряда разр. следует уменьшать значение индуктивности с сохранением постоянной величины электроемкости.
Также экспериментально было установлено, что в начальный момент движения поршня гидроцилиндра (без нагрузки) давление жидкости в рабочей камере резко падало в 3.. .5 раз
Р
от первоначального разр., что объяснимо потерей энергии давления при возникновении внутреннего трения между движущимися слоями парожидкостной смеси [1].
Для снижения этих потерь целесообразно использовать жидкость с минимальной вязкостью (например, КПД ЭГЭ-устройства, работающего на воде будет существенно отличаться от КПД ЭГЭ-устройств, работающих на других жидкостях [2]).
Так, при исследовании КПД лабораторного образца было установлено, что при ходе
поршня Х -12'10 м в воде с присадками КПД ЭГЭ-перфоратора получался равным п = 35 40%
' и при больших ходах поршня уменьшался [7].
Полученные результаты хорошо согласуются с результатами экспериментальных исследований, приведенными в работе [2], где авторами было установлено, что КПД электро-
п ~ 40%
гидравлических устройств, работающих на воде, приближенно равен ' ~
при удалении
поршня от канала разряда на расстояние стей КПД зависит от их вязкости (таблица 1).
X > 20 • 10-3 м
а при использовании других жидко-
Таблица 1
Значения КПД ЭГЭ-устройств [2]
Рабочая жидкость Коэффициент кинематической вязкости v, (Ст) Птах
Вода 0,01005 35...40%
Антифриз «Экосол-40» 0,02426 33...38%
Машинное масло «Lotos L-AN» 0,092 25.30%
Трансформаторное масло «ТКп» 0,28 7.12%
Как видно из таблицы 1, наибольший КПД имеет вода, что при прочих равных условиях более чем в 5 раз больше, чем, например, КПД трансформаторного масла.
Отсюда следует, что для увеличения КПД ЭГЭ-устройства необходимо подбирать такую жидкость с соответствующими характеристиками, у которой коэффициент внутреннего трения ее слоев (коэффициент вязкости) был бы меньше.
Так, альтернативой воде, в качестве примера, может выступить полиметилсилоксан (кремнийорганическая жидкость), имеющий вязкость почти в два раза меньшую вязкости
воды (0,0065Сда) и более широкий диапазон рабочих температур (от - 40 С до + 200 С ). Вместо воды или в сочетании с ней также может быть рекомендована силиконовая жидкость ОвЖСотта 200
марки с той же вязкостью и температурным диапазоном применения, что
и полиметилсилоксан.
Выводы
Обобщая вышеизложенное, можно сказать, что разработанный ЭГЭ-перфоратор может найти широчайшее применение во многих сферах деятельности, где требуется энергия удара отбойником, так как на данный момент он является наиболее технически совершенным устройством любого аналога отбойного молотка (перфоратора), а его основными достоинствами являются:
• возможность регулировки (с пульта управления) силы и частоты ударов;
• защита людей и операторов от повышенной шумности, свойственных пневматическим и бензиновым отбойным молоткам;
• способность работать как от электрической сети, так и при создании электрического тока аккумулятором или генератором (приводимым в движение от ДВС);
• простота в эксплуатации и обслуживании (за счет простой конструкции, что снижает стоимость применения);
• экологическая чистота (потребляет только электрическую энергию).
Литература
1. Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1986, 253 с. ил.
2. Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект. М.; Л.: Машгиз, 1955, 52 с.
3. А. с. 105011 (СССР). Способ получения высоких и сверхвысоких давлений / Л.А. Юткин, Л И. Гольцова. - Заявл. 15.04.50, № 416898; Опубл. в Б.И., 1957, № 1.
4. А.с. 129945 (СССР). Способ получения высоких и сверхвысоких давлений и устройство для его осуществления / Л. А. Юткин, Л.И. Гольцова. - Заявл. 29.12.52, № 605995/25; Опубл. в Б.И., 1963, № 20.
5. Патент РФ № 74335 Электрогидравлическое устройство ударного действия. Опубл.
Раздел 2. Технология машиностроения и материалы. 29.12.07.
6. Патент РФ № 2015873 Инструмент с электрогидравлическим приводом. Опубл. 15.07.94.
7. Соковиков В.К., Строков П.И. и др. Беспрецизионный электрогидравлический ТНВД // Автомобильная промышленность. - 2005, № 3, с. 21-24.
Роботизация операций завинчивания крепежно-резьбообразующих деталей
д.т.н. проф. Березин С.Я., Охрименко М.И.
Читинский государственный университет
Ключевые слова: роботизация сборочных операций, стандартизация крепежных деталей, точность позиционирования, ориентация и базирование детали, управление режимом сборки.
Сборка традиционно считается наиболее сложной областью применения манипуляци-онных систем. Она предъявляет высокие требования к точности работы манипулятора, сложности управления и эффективности работы комплекса в целом. Вместе с тем, сборка является одной из самых перспективных областей применения роботов, так как доля сборочных работ на производстве достаточно велика и в некоторых отраслях доходит до 70% трудозатрат в общем объеме технологических операций. Высока, в частности, перспектива использования роботов в завинчивающих операциях при сборке резьбовых соединений, где необходимо решать проблемы автоматизации накопления собираемых деталей и их подачи на позицию сборки, ориентации осей, предварительной установки крепежа в отверстиях, на-живления, завинчивания, затяжки и послесборочных переходов.
Немало проблем возникает с управлением режимами работы приводов завинчивающих модулей (головок), их оснащением информационными устройствами, созданием управляющего программного обеспечения и т.д.
Сложности, связанные с обеспечением совмещения осей, пространственной ориентацией для выхода в точку сопряжения, удерживания деталей с необходимыми показателями жесткости, с выдерживанием требуемых рабочих усилий, успешно решаются применением адаптивных промышленных роботов.
В настоящее время значительно усложнились требования к реализации завинчивающих операций, расширилась номенклатура соединений и усложнились условия сопряжения.
Широкое внедрение самонарезающего крепежа остро нуждается в автоматизации операций по его монтажу [1]. Разнотипность конструкций крепёжных элементов вызывает проблему унификации их исполнения для обеспечения роботов завинчивающими головками. Только у винтов стандартных видов известны более 50-ти различных исполнений головок и элементов для передачи крутящих моментов. Фирмы-лидеры в производстве завинчивающих блоков для технологического оборудования испытывают значительные трудности в разработке универсальных конструкций для сборочных операций.
Показатели точности позиционирования, которые могут быть достигнуты в манипуляторах, а также точность базирования деталей на сборочном столе будут в значительном числе случаев ниже требуемой точности сопряжения собираемых деталей. В таких условиях сборка становится возможной за счет взаимодействия сопрягаемых поверхностей деталей и использования их в качестве направляющих при сочленении деталей. Для того чтобы избежать заклинивания, вызванного недостаточной точностью движения схвата, можно ввести силовую обратную связь, позволяющую идентифицировать момент заклинивания и вносить коррекцию в движение схвата или же использовать активную или пассивную податливость схвата. Могут быть также применены поисковые движения, типа малых колебаний схвата, в ходе которых периодически возникают благоприятные условия для продвижения сопрягаемых деталей [2].
Таким образом, имеется немало перспектив в разработке систем базирования и фикса-92 Известия МГТУ «МАМИ» № 1(9), 2010.
