CC BY
31
Дальнаука, 2004. 143 с.
2. Чан Дык Хиеу, П.А. Сорокин. Способ и устройство управления устойчивостью стационарного башенного крана // Наука и технологии строительства. Ханой, Вьетнам. №12/5. 2012. С. 105-108.
Chan Dyc Hieu
FEATURES OF TOWER CRANES EXPLOITATION IN VIETNAM
The conditions for the operation of tower cranes with the meteorological situation in Vietnam, the necessity of taking into account the dynamic of the constituent wind while ensuring stability of the crane to tip over.
Key words: tower crane, safety, wind loads, sustainability.
Получено 20.11.12
УДК.621.9.06-52
М.К. Галонска, канд. техн. наук, начальник отдела, galonska@tula.net (Россия, Тула, Филиал ОАО КБП-ЦКИБ СОО), В.В. Прейс, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, preys@klax.tula.ru, (4872)33-24-38 (Россия, Тула, ТулГУ)
МОДЕЛИ, ВАРИАНТЫ И ПРИНЦИПЫ СИНТЕЗА СТРУКТУР РОТОРНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКИ
Рассмотрены внешняя, иерархическая и внутренняя модели структуры роторных систем автоматической загрузки штучных предметов обработки в автоматические роторные линии, проанализирована вариативность структур и разработаны принципы их синтеза.
Ключевые слова: система автоматической загрузки, роторная линия, структура, внешняя модель, иерархическая модель, внутренняя модель.
Как показал опыт создания автоматических роторных линий (АРЛ) в различных отраслях промышленности наиболее предпочтительными для обработки на АРЛ являются осесимметричные объемные штучные предметы формы тел вращения, принадлежащие к классам 71-72 [1].
Подобные штучные предметы обработки эффективно загружаются в АРЛ с производительностью от 200 до 1200 шт./мин многопозиционными роторными системами автоматической загрузки (САЗ). По компоновке и принципу действия роторные САЗ являются машинами роторного типа, т.е. осуществляют технологические функции (захват, накопление, ориен-
тирование и выдачу предметов обработки) в процессе непрерывного вращения соответствующих функциональных устройств вокруг общей вертикальной оси САЗ совместно с загружаемыми предметами. Это обеспечивает надежную выдачу ориентированных предметов в транспортные устройства линий на высоких окружных скоростях до 1 м/с [2, 3].
Модели структуры роторных САЗ. Основой для разработки понятийного аппарата объекта исследований, объединяющего комплекс взаимосвязанных, логически непротиворечивых терминов, определяющих основные структурные элементы роторной САЗ и реализуемых в ней функций, являются модели структуры роторной САЗ.
В соответствии с методологией системного анализа структура роторной САЗ может быть представлена в виде внешней, иерархической и внутренней моделями.
Внешняя модель роторной САЗ (рис. 1) представляет её структуру в виде «черного ящика», а её взаимодействия с внешней средой показаны в виде «входов» и «выходов». На «вход» W1 поступает поток неориентированных предметов обработки от внешних транспортных устройств, контроль за которым и управление транспортными устройствами осуществляется посредством «выхода» Т. На «выходе» W2 формируется регламентированный поток ориентированных предметов обработки, который передается в транспортное устройство линии с заданной производительностью, а контроль за ним и управление работой САЗ осуществляется посредством «входа» Q. Энергия и сигналы управления от внешних систем линии, необходимые для функционирования САЗ, поступают соответственно на «входы» Р и N.
Рис. 1. Внешняя модель роторной САЗ
Таким образом, сущностью технологической функции САЗ является преобразование входного потока W1 в выходной поток W2.
В иерархической модели структурные элементы САЗ выделяются и группируются по принципу подчиненности (иерархии). Иерархическая модель структуры роторной САЗ (рис. 2) включает четыре уровня систем различного ранга. На первом уровне определена роторная САЗ, как система нулевого ранга, обеспечивающая автоматическую регламентированную
31
подачу предметов обработки в АРЛ в требуемом ориентированном положении и с заданной производительностью.
Рис. 2. Иерархическая модель структуры роторной САЗ
На втором уровне модели определены системы первого ранга -функциональные устройства роторной САЗ:
А - бункерное загрузочное устройство (БЗУ), обеспечивающее автоматическое извлечение из навала, приведение в упорядоченное положение и выдачу предметов обработки в последующие устройства;
В - накопительно-передающее устройство (НПУ), обеспечивающее накопление систематизированных предметов обработки и их поштучную передачу в последующие устройства;
С - ориентирующее устройство (ОУ), осуществляющее приведение упорядоченных предметов обработки в однозначное заданное положение и передачу их в таком положении в последующие устройства;
D - выдающее устройство (ВУ), обеспечивающее выдачу ориентированных предметов обработки из САЗ в транспортное устройство линии в соответствии с темпом ее работы;
Е - транспортно-несущее устройство (ТНУ), обеспечивающее структурную, кинематическую и функциональную взаимосвязь всех устройств САЗ и передачу им транспортного вращения от привода линии.
На третьем уровне модели определены системы второго ранга -функциональные и управляющие механизмы, входящие в состав функциональных устройств САЗ. Функциональные механизмы (ФМ) предназначены для выполнения основных рабочих функций (операций) над предметами обработки, а управляющие механизмы (УМ) обеспечивают синхронизацию работы всех ФМ в соответствии с циклограммой работы САЗ, реагирование ФМ на внешние управляющие сигналы и т.п.
Основные функциональные механизмы БЗУ и ОУ, определяющие технологические возможности и области применения роторной САЗ:
А1 - бункерный механизм (БМ), обеспечивающий хранение запаса неориентированных предметов обработки и их дозированную подачу в зону захвата;
А2 - захватывающий механизм (ЗМ), обеспечивающий поштучное извлечение предметов обработки из навала и их систематизацию;
С1 - опознающий механизм (ОпМ), обеспечивающий опознавание положения предметов обработки в пространстве;
С2 - ориентирующий механизм (ОрМ), обеспечивающий приведение предметов обработки в заданное ориентированное положение.
На четвертом уровне модели определены системы третьего ранга -исполнительные органы (ИО) и элементы их привода (Пр), входящие в состав ФМ и УМ. Исполнительные органы (А 1а, А2а..., Е1а) выполняют непосредственно заданную рабочую операцию над предметом обработки, а элементы привода (А^, А2Ь..., Е1Ь) сообщают исполнительному органу необходимые кинематические движения и передают рабочую энергию. Например, в бункерном механизме (БМ) основным исполнительным органом является бункер, хранящий запас предметов обработки, а в захватывающем механизме - захватывающий орган, осуществляющий извлечение предметов обработки из навала в бункере.
Внутренняя модель структуры роторной САЗ (рис. 3) отражает взаимосвязь между структурными элементами САЗ и позволяет классифицировать и дать полное описание основных функций, реализуемых в устройствах и механизмах роторной САЗ, на основе анализа и определения функциональных и управляющих связей между ними. Функциональные связи (А1А2, А2В1,... D1W2) обеспечивают последовательное выполнение соответствующими ФМ основных рабочих операций над предмет обработки, а управляющие связи (А3А1,... В3В2 и т.п.) - контроль и управление взаимодействием ФМ.
Различают также внутренние связи - между различными ФМ САЗ и внешние связи (W1A1, QD3, А3Т и т.п.) - между ФМ САЗ и внешними устройствами, соответствующие «входам» и «выходам» внешней модели САЗ (см. рис. 1).
Классификация и определения основных функциональных и управляющих связей роторной САЗ приведены в табл. 1.
Основные способы их реализации: механические, электрические или электромагнитные, пневматические и комбинированные [1]. Механические способы, характеризуемые передачей механической энергии, наиболее распространены в роторных САЗ для реализации внутренних функциональных связей (А1А2, А2В1,... E1D), определяющих процессы захвата, ориентирования, накопления и выдачи предметов обработки, и внешних функциональных связей (W1A1, D1W2), определяющих формирование входного и выходного потоков предметов обработки.
Таблица 1
Классификация и определение связей в роторной САЗ
Обозначение Выполняемая функция
1. ВНУТРЕННИЕ СВЯЗИ
1.1. Функциональные связи
А1А2 Подача предметов обработки из бункерного механизма (БМ)
в захватывающий механизм (ЗМ)
А2В1 Выдача систематизированного потока предметов обработки из ЗМ
в накопительно-передающий механизм (НПМ)
В1В2 Передача систематизированных предметов обработки из НПМ
в механизм поштучной выдачи (МПВ)
В2С1 Поштучная передача предметов обработки из МПВ в опознающий
механизм (ОпМ)
С1С2 Поштучная передача предметов обработки из ОпМ в ориентирующий
механизм (ОрМ)
C2D1 Поштучная передача предметов обработки из ОрМ в выдающий
механизм (ВМ)
Е1Л, Е1В, Осуществление структурного и кинематического взаимодействия
Е1С, E1D между функциональными механизмами роторной САЗ
1.2. Управляющие связи
А1А3, А3А1 Поддержание стабильного уровня предметов обработки в БМ
А2А3А1 Поддержание стабильного уровня предметов обработки в 3М
В1В3А2, В3В1 Поддержание стабильного уровня предметов обработки в НПМ
С3В2, С3С2 Синхронизация работы ОрМ и МПВ в соответствии с циклограммой
С1С3С2 Опознавание положения предмета обработки в ОпМ
D1D2C, D1D2B2 Синхронизация работы ВМ с ОрМ и МПВ
D1D2, D2D1 Управление процессом выдачи предметов обработки в транспортный
орган АРЛ (отказ от выдачи)
АЕ2Е1, ВЕ2Е1 Реагирование на нарушение функционирования устройств роторной
СЕ2Е1, DE2E1 САЗ (индикация отказов, аварийная остановка линии и т.п.)
2. ВНЕШНИЕ СВЯЗИ
2.1. Функциональные связи
W1A1 Подача потока неориентированных предметов обработки от внешних
устройств в бункерный механизм (формирование входного потока W1)
D1W2 Выдача потока ориентированных предметов обработки во внешние
транспортные устройства линии (формирование выходного
потока W2)
РЕ1 Подача рабочей энергии от внешних устройств;
обеспечение структурной и кинематической связи роторной САЗ
с линией
2.2. Управляющие связи
ИЕ2 Управление функционированием роторной САЗ от внешних
устройств линии (включение и отключение функциональных
механизмов)
А3Т, QD2 Управление входным и выходным потоками предметов обработки
САЗ
А БЗУ
НПУ
ОУ
I) ВУ
1Г1
¿1 БМ
¥
¿2 ЗМ
АЗ УМ
вз
УМ -
ТГ 1
В1
ним
В2
ыпв
С1 ОпМ
сз
УМ
С2 ОрМ
вм
у
Дл.
ж
- УМ
иг
=>
Е ТНУ
Е1
тнм
тс
-I_
В2 -УМ
и
Рис. 3. Внутренняя модель структуры роторной САЗ:
функциональные связи; —► управляющие связи
Варианты структур роторных САЗ. Рассмотрим основные признаки, определяющие варианты структур роторной САЗ (табл. 2).
Таблица 2
Варианты структур роторных САЗ
Варианты совмещения функций в функциональных устройствах Варианты структур по числу реализуемых функций в функциональных устройствах
П /3
1 [¿надс]-[вд£] [А]-[В]-[0]-[Е] [А]-[С]-[В]-[Е]
2 [¿надсодя] Нет [АНСИКт
3 [авнснодя] [АВНИЯЕ} Нет
Окончание
Варианты совмещения функций в функциональных устройствах Варианты структур по числу реализуемых функций в функциональных устройствах
F1 F2
4 [АВ]-^]-[Е] Нет Нет
5 [АС]-[В]-Р ]-[Е] Нет [АС]-^ ]-[Е]
6 [АВС]-^]-[Е] Нет Нет
7 [ABCD]-[E] Нет Нет
1. Наличие тех или иных функций в роторной САЗ и реализующих их функциональных устройств - F. Очевидно, что три функциональных устройства всегда должны присутствовать в роторной САЗ: БЗУ (А), реализующее функцию захвата предметов обработки; ВУ (D), реализующее функцию выдачи предметов обработки в транспортное устройство линии и ТНУ (Е), реализующее структурную и кинематическую взаимосвязь между функциональными устройствами.
Функция накопления (В) может отсутствовать (см. табл. 3, варианты структур F3) в случае реализации поштучно-дискретного способа захвата предмета обработки и непосредственной передачи предмета обработки захватывающим органом в выдающий механизм САЗ.
Функция ориентирования (О) может отсутствовать только при загрузке симметричных предметов обработки, поскольку исключение этой функции при загрузке асимметричных предметов обработки противоречит определению САЗ, т.е. такие варианты структур являются тупиковыми. Таким образом, наличие или отсутствие функции ориентирования определяется наличием или отсутствием асимметрии свойств загружаемого предмета обработки.
Таким образом, по первому признаку возможны три варианта структур роторных САЗ.
2. Совмещение различных функций в одном функциональном устройстве роторной САЗ. Явно нереализуемым вариантом структуры являются парные совмещения функций накопления предметов обработки, реализуемой в НПУ (В), и ориентирования, реализуемой в ОУ (С), т.е. структуры [ВС] или [СВ].
Парное совмещение функций ориентирования и выдачи предмет обработки [CD] наиболее часто реализуется при использовании гравитационных или комбинированных ориентаторов с прямолинейным движением
36
исполнительных органов. Однако в общем случае целесообразнее разделять эти функции, обеспечивая реализацию функциональной связи C2D1 (см. рис. 3) отдельным механизмом, что дает возможность более свободной компоновки роторной САЗ с транспортным устройством линии.
Возможность реализации вариантов структур роторной САЗ [AC] с совмещением функций захвата и ориентирования также обусловлена наличием или отсутствием асимметрии свойств загружаемого предмета обработки.
При загрузке симметричных предметов обработки варианты структур [AC] практически тождественны вариантам структур при отсутствии функции ориентирования (см. табл. 3, варианты структур F2). В этом случае все варианты таких структур САЗ могут быть реализованы для всех вариантов структур захватывающих механизмов, реализующих способ захвата предмета обработки за наружную поверхность. При загрузке асимметричных предметов обработки варианты структур роторной САЗ [AC] могут быть реализованы только для вариантов структур захватывающих механизмов, реализующих поштучно-дискретный способ захвата предмета обработки за внутреннюю поверхность.
Варианты структур роторной САЗ [AB] с совмещением функций захвата и накопления формально могут быть реализованы только для варианта захватывающего механизма, реализующего поштучно-дискретный способ захвата предмета обработки за наружную поверхность при использовании многоместного захватывающего органа, совершающего возвратно-поступательное движение.
С некоторым отступлением от формального признака к этим вариантам структуры можно отнести и реализацию варианта структуры ЗМ поштучно-непрерывного способа захвата предмета обработки за наружную поверхность вращающимся захватывающим органом, поскольку в этом случае захватывающий орган может быть выполнен вместе с накопителем в виде единой детали, размещенной в автономном блоке.
Аналогично определяются возможные реализации вариантов структур роторной САЗ [ABC] с совмещением трех основных функций: захвата, накопления и ориентирования предметов обработки.
Вариант структуры [ABCD] с совмещением всех основных функций роторной САЗ может быть реализован только для варианта структуры ЗМ, реализующего поштучно-дискретный способ захвата предмета обработки за наружную поверхность.
Все варианты структур роторной САЗ с совмещением функций могут быть реализованы для любых вариантов структур ориентирующих механизмов, кроме ограничений, указанных для варианта совмещения функций [CD].
Таким образом, по данному признаку выделено семь групп возможных структур роторных САЗ.
3. Число транспортно-несущих устройств (ТНУ) - Е. По данному признаку возможны две группы структур роторной САЗ: с одним ТНУ -Е1 или двумя - Е2.
Компоновка функциональных устройств роторной САЗ в двух ТНУ позволяет обеспечить более рациональный выбор их конструктивных параметров (например, различное число рабочих позиций БЗУ и ОУ), упростить конструкцию и улучшить условия обслуживания роторной САЗ.
На практике наибольшее распространение получили варианты структур с двумя ТНУ группы F1 (см. табл. 2), т.е. при наличии всех основных функций роторной САЗ. Однако и другие варианты имеют определенный практический интерес, поскольку позволяют обеспечить более гибкую компоновку с транспортным устройством линии, применение различных конструктивных вариантов выдающих устройств, реализующих, например, управляющие связи D1D2 - D2D1, QD2 по управлению выходным потоком предметов обработки (см. рис. 3).
4. Тип привода транспортного вращения ТНУ. Различают кинематически зависимый привод, когда существует жесткая кинематическая связь привода ТНУ с приводом линии, и индивидуальный (независимый) привод, когда такая связь отсутствует, а также отключаемый и неотклю-чаемый от привода линии привод ТНУ.
Поскольку вариант «индивидуальный неотключаемый привод» не имеет практического смысла, то в структурах с одним ТНУ возможны только три варианта приводов транспортного вращения роторной САЗ.
В структурах роторных САЗ с двумя ТНУ возможны шесть вариантов сочетаний типов приводов. Тупиковыми вариантами являются сочетания кинематически зависимого привода в одном ТНУ с индивидуальным приводом в другом ТНУ и кинематически зависимого неотключаемого привода в одном ТНУ с отключаемым приводом в другом ТНУ.
Использование отключаемого (кинематически зависимого) или индивидуального привода ТНУ в роторных САЗ позволило бы при отказах функциональных устройств останавливать роторную САЗ для восстановления отказов без остановки всей линии. Для линий термохимической обработки или штамповочных операций, имеющих гидравлический привод, это обеспечило бы улучшение динамики работы и энергопотребления. Кроме того, на основе роторных САЗ с отключаемым или индивидуальным приводом вращения ТНУ возможно создание резервированных САЗ, обеспечивающих повышение их эффективности [5- 6].
Варианты структур роторных САЗ, рассмотренные в табл. 2, имеют один общий признак - жесткую структурную и кинематическую связь между всеми функциональными устройствами, располагающимися на рабочих позициях роторной САЗ, как при компоновке на одном, так и на двух ТНУ. Такие структуры будем называть жесткосвязными.
Представляется перспективным поиск и формирование нежесткос-
вязных структур роторных САЗ, которые позволили бы еще больше расширить их технические и технологические возможности.
Используя классификационные признаки жесткосвязных структур роторных САЗ, можно составить морфологическую таблицу для поиска и формирования нежесткосвязных структур, аналогичную табл. 2.
По первым двум признакам (наличия и степени совмещения функций) возможные реализации нежесткосвязных структур полностью аналогичны рассмотренным выше. По третьему признаку (числу ТНУ) нежест-косвязные структуры могут размещаться в двух соосных ТНУ, имеющих только структурную взаимосвязь и объединенных конструктивно в одну систему [^1^2], поэтому по типу привода ТНУ реализуемые варианты структур роторной САЗ соответствуют вариантам, рассмотренным выше для жесткосвязных структур.
Теоретически можно представить и компоновку нежесткосвязной структуры в двух несоосных, т.е. структурно не связанных и конструктивно не объединенных ТНУ. В этом случае необходимо специальное транспортное устройство, работающее в жесткой кинематической связи с одним из ТНУ, в результате чего мы получаем как бы комбинированную структуру. Поскольку на сегодня практическая ценность и возможность реализации таких структур в роторных САЗ недостаточно ясны, то эти варианты не рассматриваются.
Анализ сформированных нежесткосвязных структур показывает, что наибольший практический интерес представляют варианты структур с наличием всех функций роторной САЗ и различными вариантами совмещения (см. табл. 3, варианты структур F1), при которых накопитель НПУ разделяется на два ТНУ [В1]-[В2] или размещается на втором ТНУ, и оба ТНУ или одно их них имеют отключаемый привод вращения. В таких структурах все рабочие позиции первого НПУ последовательно взаимодействуют с рабочими позициями второго НПУ, что позволяет создавать резервированные роторные САЗ за счет введения избыточности по производительности в БЗУ, размещаемое на первом ТНУ [7].
Разработанные модели структуры роторных САЗ, описания и классификация ее функциональных связей; признаки и подходы к формированию вариантов структур роторных САЗ и предложенные морфологические таблицы позволяют проводить целенаправленный поиск новых структур роторных САЗ и создают методическую основу для разработки компьютерной системы их синтеза.
Список литературы
1. Классификатор ЕСКД. Детали - тела вращения. Классы 71-74. М.: Стандарты, 1985. 50 с.
2. Прейс В.В. Автоматизация загрузки дискретных деталей в ротор-
ные и роторно-конвейерные линии // Кузнечно-штампов. пр-во. 1987. № 1. C. 12-15.
3. Прейс В.В. Роторные системы автоматической загрузки штучных предметов обработки // Автоматизация и современные технологии. 2002. № 9. С. 3-8.
4. Прейс В.В. Модели и оценка надежности роторных систем автоматической загрузки с функциональными отказами // Автоматизация и современные технологии, 2002, № 10. С. 3-8.
5. Галонска М.К., Прейс В.В. Повышение эффективности роторных бункерных загрузочных устройств с вращающимися воронками // Автоматизация и современные технологии, №11. 2003. С. 18-22.
6. 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. 9-15.
7. А. с. 755506 СССР. Роторный автомат питания / Г.В.Комаров, В.И.Кирсанов, В.В.Прейс. Опубл. 15.08.80. Бюл. № 30.
M.K. Galonska, V. V. Prejs
MODELS, VERSIONS AND PRINCIPLES OF A SYNTHESIS OF FRAMES OF ROTOR AUTOMATIC FEEL SYSTEMS
Choronomic, hierarchic and intrinsic models of frame of rotor automatic feel systems of block subjects of machining in automatic rotor lines are considered, variability of frames is parsed and principles of their synthesis are developed.
Key words: an automatic feel system, a rotor line, frame, a choronomic model, a hierarchic model, an intrinsic model.
Получено 20.11.12
