CC BY
3
МАШИНЫ, АГРЕГАТЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 621.9.06-52
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-135-136
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОРГАНОВ ЗАХВАТА И ОРИЕНТИРОВАНИЯ ДИСКОВОГО БУНКЕРНОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА С РАДИАЛЬНЫМИ КАРМАНАМИ И КОЛЬЦЕВЫМ ОРИЕНТАТОРОМ
Е.В. Пантюхина
В статье рассмотрены схемы усовершенствованных механических дисковых бункерных загрузочных устройств с радиальными карманами и кольцевым ориентатором для полых и сплошных предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией торцов, один из которых выполнен в форме усеченного конуса или ступенчатым. Представлены диапазоны допустимых значений захватывающих и ориентирующих органов усовершенствованных бункерных загрузочных устройств и результаты их математического моделирования.
Ключевые слова: автоматическая загрузка, бункерное загрузочное устройство с радиальными карманами и кольцевым ориентатором, детали с неявной асимметрией, ориентирование деталей, захват деталей.
В последние несколько десятилетий в различных отраслях промышленности стали появляться предметы обработки (детали, заготовки, элементы и прочие) с неявно выраженной асимметрией по торцам, которые отличаются практически полным отсутствием смещения центра масс относительно середины продольной оси симметрии ( Хс « 0,5/), незначительным отклонением по размерам диаметров противоположных торцов предмета обработки (
0,6 < d21dl < 0,9) [1, 2]. Ориентирование таких предметов обработки известными ранее конструкциями механических дисковых бункерных загрузочных устройств (БЗУ) вызвало целый ряд проблем, которые привели к существенному снижению надежности и производительности [3, 4]. Поэтому перед разработчиками встают задачи проектирования надежных систем автоматической загрузки современного автоматизированного оборудования предметами обработки с неявной асимметрией [5].
Для загрузки полых или сплошных предметов обработки с неявной асимметрией по торцам, один из которых выполнен асимметричным в форме усеченного конуса или ступенчатым цилиндрическим с торцом меньшего диаметра, характеризуемых отношением длины предмета обработки к его наибольшему диаметру 2,5 < < 5,
(рис. 1), были предложены конструкции усовершенствованного БЗУ с радиальными гнездами, ранее широко применяемом для длинных стержневых предметов обработки с коническим торцом.
В конструкции (рис. 2, а) впервые была заложена идея разделения функций захвата и ориентирования. Захват предметов обработки, движущихся к карману в требуемом для захвата положении - асимметричным торцом, обеспечивается объемным захватывающим органом, образованным профильным карманом и сопряженным с ним кольцевым ориентатором, паз которого повторяет асимметричный торец предмета обработки [6, 7].
4
—
в—
я*
А.
а 11 1
1 п -1
1 н 1
А
а б в
Рис. 1. Стержневые предметы обработки, загружаемые БЗУ с радиальными карманами и кольцевым ориентатором: сплошные (а) и полые (б) с торцом в виде усеченного конуса, ступенчатые (в)
Надежное пассивное ориентирование обусловлено минимальной величиной зазора в профильном кармане и невозможностью полного западания в паз кольцевого ориентатора предметов обработки, движущихся к карману цилиндрическим торцом. Для более коротких и тяжелых предметов обработки в БЗУ предусмотрен плужок для принудительного их выталкивания в случае частичного западения в карман.
Рис. 2. Усовершенствованные БЗУ с кольцевым ориентатором и радиальными профильными карманами (а), прямоугольными карманами (б, в) и гребенкой (в): 1 - кольцевой ориентатор; 2 - вращающийся диск;
3 - неподвижное основание; 4 - паз кольцевого ориентатора; 5 - радиальный карман; 6 - предмет обработки;
7 - плужок; 8 - гребенка
При экспериментальных исследованиях модернизированной конструкции было выявлено, что при загрузке тяжелых предметов обработки с высоким коэффициентом трения наблюдался износ паза кольцевого ориентатора, а наличие в БЗУ сопряженного с вращающимся диском кольцевого ориентатора делает невозможным процесс сборки-разборки устройства. Кроме этого профильность сквозного радиального кармана, усложняющая конструкцию БЗУ, не влияет на захват неправильно сориентированных предметов обработки, так как надежное ориентирование обеспечивается непосредственно самим кольцевым ориентатором.
Для устранения указанных недостатков была предложена конструкция БЗУ с радиальными прямоугольными карманами, которые выполнены открытыми в сторону кольцевого ориентатора, а их размеры ограничены только отсутствием возможностей западания в карман второго предмета обработки, что позволяет значительно повысить вероятность захвата и, тем самым, производительность устройства (рис. 2, б) [8].
В модернизированных БЗУ (см. рис. 2, а, б) радиальные пазы на всем своем протяжении имеют постоянную глубину, большую половины диаметра предмета обработки. Поэтому неправильно ориентированные предметы обработки, двигаясь в процессе пассивного ориентирования к центру диска, не удаляются из радиального паза в верхней части бункера, а при дальнейшем вращении диска снова движутся к карману и частично западают в них, препятствуя западанию в карман предметов обработки в требуемом положении. Это значительно снижает вероятность захвата и производительность.
С целью устранения указанных недостатков было предложено дальнейшее усовершенствование (рис. 2, в). Радиальные пазы, выполненные в виде гребенки с чередующимися выступами и впадинами, равномерно уменьшаются до нулевой величины. Конструкция гребенки не только обеспечивает надежное удаление неправильно запавших предметов обработки из карманов и радиальных пазов, но и затрудняет западание в карманы неправильно сориентированных предметов обработки и [9].
Для надежного функционирования усовершенствованной конструкции БЗУ с радиальными прямоугольными карманами, кольцевым ориентатором и гребенкой необходимо разработать конструктивные ограничения на параметры захватывающих и ориентирующего органов БЗУ [10, 11].
Расчетная схема для разработки конструктивных ограничений на параметры органов захвата и ориентирования усовершенствованного БЗУ приведена на рис. 3.
Рис. 3. Расчетные схемы для разработки конструктивных ограничений на параметры захватывающих и ориентирующего органов усовершенствованного БЗУ
С помощью расчетной схемы были получены следующие выражения в виде конструктивных ограничений на органы захвата и ориентирования БЗУ, обусловленные тем, что предмет обработки, запавший в карман и кольцевой ориентатор своим асимметричным торцом, должен оставаться в кармане, а предмет обработки, оказавшийся в кармане своим цилиндрическим торцом, должен под действием силы тяжести выпасть из него [11].
Ширина кармана ограничена условием, при котором будет обеспечен захват только одного предмета обработки ^ < Ьк < + А, а значение величины зазора А может быть значительно больше области его традици-
онно рекомендуемых значений, находящихся в диапазоне (0,1 — 0,2)dp так как захватывающий орган не осуществляет ориентирование предмета обработки. Высота кармана принимается равной большему диаметру предмета обработки Нк = d\, что позволит ему полностью погрузиться в карман и в случае соударений с другими предметами обработки при их ворошении не выпасть из кармана.
Длина кармана ограничена условиями полного проникновения в карман предмета обработки, движущегося в него асимметричным торцом (наименьшим диаметром), и невозможностью полного проникновения предмета обработки, движущегося в карман цилиндрическим торцом:
l\ < /к < l — di sin Р,
где угол р, равный половине угла при вершине асимметричного торца предмета обработки, определится по выражению
í \ di — d 2
р = arcsin — =
[20,25 • (di — d2)2 + (l — li)2 или после ввода заменяющих коэффициентов заменяющих коэффициентов a = di/1, С = d 2/1 и f = lij l:
f • l < 1к < l — a • l • cos
arcsin
a — c
Jj
^(а — с)2 + 4(1 - /)2
На рис. 4 приведены диапазоны рабочих значений длины кармана 1к в выбранных с учетом геометрических особенностей предметов обработки при их длинах I = 0,04 м, I = 0,035 м, I = 0,03 м и I = 0,025 м.
Длина кармана 1к захватывающего органа БЗУ должна находиться в рабочей зоне, нижняя граница которой описана размером 1к , одинаковым для всех предметов обработки данного типа, а верхняя - 1к „ , опре-
К 1X11X1 К Шал
деляется в зависимости от коэффициента с .
Конструктивные размеры кольцевого ориентатора должны способствовать проникновению в его паз только предметов обработки, движущихся асимметричным торцом. Глубину паза кольцевого ориентатора Ь — 1к
принимаем равной .
мм
38,5
35
31,5 28
i шах с = 0,25 с=0,2
рабочая зона 1 i
'к min
i к
мм
29,5
27 24,5 22
0,2 0,25 0,3 0,35 а а
4 шах с = 0,25
с = 0,2
рабочая зона
'к mía
i к
ММ
33,5 3!
28,5 26
1 . к щах с = 0,25
с = 0,2
рабочая зона
1 . К Ш1П
0,2
I к
мм 24
22 20 18
0,25
0,3 0,35 б
шах с — 0,25
е= 0,2
рабочая зона
¡ К шш
0,35
0,2 0,25
0,3
0,35
0,2 0,25 0,3
в г
Рис. 4. Результаты математического моделирования рабочей зоны длины кармана 1к в усовершенствованном БЗУ для предметов обработки с различными геометрическими параметрами
при их длинах I = 0,04 м (а), I = 0,035 м (б), I = 0,03 м (в) и I = 0,025 м (г)
Угол ак при вершине кольцевого ориентатора должен находиться в диапазоне:
(
2 arccos
di
-Jdi2 + 0,25(к — di )2 i37
< а к < 2Р'
где Ь - общая длина кармана, определяемая как Ь = dl + 1к (см. рис. 3).
Выполнив преобразования с учетом заменяющих коэффициентов а = dl/l, С = d2 /I, / = 1ц /I и зазора Д = , принимая, что ¿к = (1 + Д^ , получим диапазон значений угла ак при вершине кольцевого ори-ентатора:
(
arccos
1
Л
2
(
< ак < 2arcsin
Л
a - c
V(a - c)2 + 4(1 - f )2
(1 + 0,25 Д1
На рис. 5 приведены диапазона: рабочих значений угла ак при вершине кольцевого ориентатора при разных значениях коэффициента зазора.
град
40 30 20 10
а к m ах ч
с -0,2
с-0,25
"к min ^У*
0,2
0,25
0,3 а
0,35
гряд
40 30 20 10 о
а к шнх ч, >
с = 0,2
С = 0Д5 ^
а . к min
0,2
0,25
0,3 б
0,35
град 40
30 20 10 0
\ так \
с = 0,2 /
с = 0,25 .
и V'N к Mm ^^
0,2
0,25
0,3 в
0,35
град 40
30
20
10
0
in ах
II й
а к min с-0,25
х' У"
0,2
0,25
0,3 г
0.35
Рис. 5. Результаты математического моделирования угла ак при вершине кольцевого ориентатора для
коэффициентов зазора A1 = 0,1 (а), Aj = 0,15 (б), Aj = 0,2 (в) и Aj = 0,25 (г)
Угол ак при вершине кольцевого ориентатора должен находиться в рабочей зоне, верхняя граница
которой описана углом аKmax, одинаковым для всех предметов обработки при указанном Ai , а нижняя -
к max 1
а к min, определяется в зависимости от заменяющего коэффициента c .
Наибольший размер n паза кольцевого ориентатора в сечении должен выбираться из условия
COS ß < n < . Подставив в полученные для определения параметра n и выполнив преобразования с учетом
заменяющих коэффициентов a = 1, С = d2 /l и f = l, получим
( \
a - c
a • l•cos
arcsin-
< n < a • Г
4(а — с)2 + 4(1 - /)2
На рис. 6 приведены диапазона: рабочих значений длины размера п паза кольцевого ориентатора в выбранных с учетом геометрических особенностей загружаемых указанным типом БЗУ предметов обработки при их
длинах I = 0,04 м, I = 0,035 м, I = 0,03 м и I = 0,025 м.
Длины размера п паза кольцевого ориентатора должна находиться в рабочей зоне, верхняя граница которой описана длиной птах, одинаковым для всех предметов обработки при указанной длине, а нижняя - пт1п , определяется в зависимости от заменяющего коэффициента С .
Пазы виде гребенки, должны способствовать беспрепятственному выпадению из паза предметов обработки, завершающих пассивное ориентирование.
При этом предметы обработки не должны западать во впадины гребенки, снижая скорость своего движения и увеличивая тем самым общее время пассивного ориентирования, которое может достигнуть критических значений и нарушить тем самым работоспособность БЗУ. Исходя из этих рассуждений, были определены следующие параметры гребенки.
Начальный участок гребенки имеет размер ¿2 = 11, высота ее выступа Нв = 0,5^1 — d 2 ), а шаг гребенки находится в диапазоне
11 — хс + д + Р) < ¿1 < 1
где а д - угол наклона вращающегося диска.
мм 13,5
13 12,5
¡2 11,5
И шах п . шш
С = 0,25
С = 0,2
мм 12
11,5
И
10,5 10
Лтах я . шш
0,25
С = 4 0,2
0,3 0,31 0,32 0,33 0,34 а а
0,3 0,31 0,32 0,33 0,34 а б
10
9,5
9 8,5
п шш
с =0,2
мм
8,6
8,2 7,8 7,4 7,4
п тах "тт
с = 0,25
с = 0,2
0,3 0,31 0,32 0,33 0,34 а в
0,3 0,31 0,32 0,33 0,34 о
г
Рис. 6. Результаты математического моделирования размера п паза кольцевого ориентатора для предметов обработки с различными геометрическими параметрами при их длинах
I = 0,04 м (а), I = 0,035 м (б), I = 0,03 м (в) и I = 0,025 м (г)
После преобразований с учетом заменяющих коэффициентов получено
( \
а - с
/ • I - Ь • I + 0,5 • а • I • tg
а д + штат
7(а - с)2 + 4(1 - /)2
< Ь < / • I ■
На рис. 7 приведены диапазоны рабочих значений длины шага Ьу гребенки в выбранных с учетом геометрических особенностей предметов обработки при их длинах I = 0,04 м, I = 0,035 м, I = 0,03 м и
I = 0,025 м.
«1 мм
30
25
20
15 10
1 так 1 мм
25
рабочая зона 20
Ь\ 15
с- \ С={ 0,2 >,25 1 10
"1 мм
20
15
10
0,2 0,23 0,26 0,29 0,32 а а
шах
рабочая зона
с = 0,2 с = 0,25 1 тш
К 1 шах
рабочая зона
1 шш
___.--* 0 с = 0,2 с=0>25
02 0,23 0,26 0,29 0,32 а б
мм
15
10
ь\ -1 тал
рабочая зона
С = 0,2 = 0,25 к . 1 шш
0,2 0,23 0,26 0,29 0,32 а 0,2 0,23 0,26 0,29 0,32 а
в г
Рис. 7. Результаты математического моделирования шага гребенки Ьу для предметов обработки
с различными геометрическими параметрами при их длинах I = 0 04 м (а), I = 0 035м (б), I = 0 03 м (в)
и l = 0,025 м (г)
Длины шага bi гребенки должны находиться в рабочей зоне, верхняя граница которой описана длиной
bi , одинаковым для всех предметов обработки при указанной длине, а нижняя - bi ■ , определяется в зави-1 max 1 min
симости от заменяющего коэффициента c .
Разработанные конструктивные ограничения на параметры захватывающих и ориентирующих органов усовершенствованного БЗУ с радиальными прямоугольными карманами, кольцевым ориентатором и гребенкой обеспечат надежное функционирование и требуемую производительность при загрузке асимметричных предметов обработки формы тел вращения с отношением длины к диаметру наибольшего торца 3 < l/di < 5 , у которых один из торцов выполнен в форме усеченного конуса или ступенчатым.
Список литературы
1. Пантюхина Е.В., Прейс В.В. Механические бункерные загрузочные устройства для элементов патронов стрелкового оружия с неявной асимметрией // Инновационные технологии и технические средства специального назначения: труды двенадцатой общероссийской научно-практической конференции: в 3 т. Т. 2. Санкт-Петербург, 2020. С.79-85.
2. Пантюхина Е.В., Прейс В.В., Хачатурян А.В. Механические дисковые бункерные загрузочные устройства для стержневых деталей с неявно выраженными ключами ориентации // Автоматизация и измерения в машино-приборостроении. 20i8. № 3 (3). С. i6-25.
3. Пантюхина Е. В. Проблемы автоматической загрузки деталей формы тел вращения с неявной асимметрией традиционными загрузочными устройствами // Современные технологии в науке и образовании - СТНО-2021: сборник трудов IV Международного научно-технического форума: в i0 т. Рязань, 202i. С. 95-i0i.
4. Пантюхина Е.В., Прейс В.В. Научные основы проектирования механических дисковых бункерных загрузочных устройств для деталей с неявной асимметрией по торцам // В сборнике: Современные технологии сборки. материалы VII международного научно-технического семинара. Москва, 202i. С. iii-i20.
5. Васин С.А., Пантюхина Е.В. Основные направления проектирования механических дисковых бункерных загрузочных устройств для асимметричных деталей формы тел вращения// Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2023. № i (89). С. 8-i5.
6. Патент № 64977. Бункерное загрузочное устройство / В.В. Прейс, Е.В. Давыдова. Опубл. 27.07.2007.
Бюл. № 2i.
7. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Бункерное загрузочное устройство для деталей с неявно выраженной асимметрией торцов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2007. № 9. С. 28-33.
8. Патент № i647ii. Бункерное загрузочное устройство для заготовок с цилиндрической формой одного из торцов и конической формой другого / Е.В. Давыдова, В.В. Прейс. Опубл. i0.09.20i6.
9. Патент № 20206i0979. Бункерное загрузочное устройство для цилиндрических заготовок с конической формой одной из концевых частей / В.В. Прейс, Е.В. Пантюхина. Опубл. 23.04.2020. Бюл. № i2.
10. Дьякова Э.В., Пантюхина Е.В. Разработка конструктивных ограничений на параметры захватывающих и ориентирующих органов дискового бункерного загрузочного устройства для асимметричных деталей, близких к равноразмерным // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2023. № 20. С. i25-i30.
11. Васин С.А., Пантюхина Е.В. Разработка конструктивных ограничений на параметры усовершенствованных дисковых бункерных загрузочных устройств для деталей с неявной асимметрией// Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2023. № 2. С. i46-i54.
Пантюхина Елена Викторовна, канд. техн. наук, доцент, e.v.pant@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MATHEMATICAL SIMULATION OF GEOMETRICAL PARAMETERS OF GRIPPING AND ORIENTATION ELEMENTS OF DISK HOPPER FEEDING DEVICE WITH RADIAL POCKETS AND RING ORIENTATOR
E.V. Pantyukhina
The article considers schemes of improved mechanical disk hopper feeding devices with radial pockets and an annular orientator for hollow and continuous objects of processing the shape of rotation bodies with implicitly expressed asymmetry of ends, one of which is made in the form of a truncated cone or stepped. Ranges ofpermissible values of gripping and orienting elements of improved hopper feeding devices and results of their mathematical modeling are presented.
Key words: automatic feeding, bunker feeding device with radial pockets and ring orientator, parts with implicit asymmetry, orientation of parts, gripping of parts.
Pantyukhina Elena Viktorovrn, candidate of technical science, docent, e.v.pant@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
