CC BY
6
vantages: increased strength due to the fact that the steel fibers are not cut during rolling, as well as due to the use of high-strength steel; minimal metal consumption, due to the rational distribution of metal over the cross-section of the rail; high coefficient of metal use and low labor intensity of manufacturing. The analysis of the results showed that the proposed design is workable.
Keywords: gear rack, bench tests, cleaning combine, scraper conveyor, mover of a chainless feed system.
Lukienko Leonid Viktorovich, doctor of technical sciences, docent, head of department, lukienko_lv@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State Pedagogical University named after Leo Tolstoy
УДК 621.9
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-9-579-585
ОЦЕНКА БЛАГОПРИЯТНЫХ ДЛЯ ЗАХВАТА ПОЛОЖЕНИЙ ПОЛУФАБРИКАТОВ ДВУХСТОРОННЕГО ВЫДАВЛИВАНИЯ ПРИ ИХ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАГРУЗКЕ
Э.В. Дьякова, Е.В. Пантюхина
В статье были получены выражения для определения вероятностей нахождения полуфабрикатов двухстороннего выдавливания на каждой из его поверхностей на дне бункера механических дисковых бункерных загрузочных устройств и построены графики зависимостей указанных вероятностей от различных соотношений геометрических параметров полуфабрикатов.
Ключевые слова: бункерное загрузочное устройство, полуфабрикат двухстороннего выдавливания, автоматическая загрузка, ориентирование деталей, производительность.
Развитие существующих технологических процессов производства гильз патронов спортивно-охотничьих (ПСО) идет в сторону снижения материалоемкости, трудоемкости и энергоемкости. Для этого необходимо создание новых технологий изготовления ПСО. К таким усовершенствованным технологиям относится технология с ключевой операцией двухстороннего полугорячего выдавливания полуфабриката из стального прутка. Пластическое формоизменение материала заготовки при температурах полугорячего выдавливания позволяет получить структуру металла с заданными механическими свойствами. Кроме того, при проведении операции выдавливания в нагретом состоянии заготовки значительно снижаются нагрузки на рабочий инструмент. Также, при использовании в качестве исходной заготовки прутка взамен вырубки кружка из полосы значительно повышается коэффициент использования материала (КИМ), что приводит к сокращению затрат и снижению себестоимости самого изделия. Исходя из вышеизложенного изготовление изделий (гильз ПСО) с применением технологии полугорячего выдавливания позволяет разработать перспективных технологических процесс, отвечающий требованиям современного производства [1, 2].
Однако до сих пор не существует систем автоматической загрузки, способных подавать такие полуфабрикаты в необходимом ориентированном положении и с требуемой производительностью в роторные линии, на которых осуществляется технологическая операция вытяжки. Поэтому для надежной автоматической загрузки полуфабрикатов двухстороннего выдавливания в роторные линии с требуемой производительностью необходимо спроектировать высотехнологичное БЗУ, которое позволит полностью обеспечить автоматизацию данного процесса [3, 4].
Проектирование БЗУ для автоматической загрузки различных по форме и размерам деталей в технологическое оборудование является сложной многоуровневой задачей, обусловленной особенностями конструкции БЗУ, главной из которых является его уникальность [5]. Поэтому надежная работа каждой отдельной конструкции БЗУ будет обеспечена только для конкретной детали с определенными размерами и формой, изменение которых даже в диапазоне от 5 до 7% приведет к резкому снижению надежности работы БЗУ [6].
579
Одним из главных этапов проектирования надежной конструкции БЗУ является достоверное определение его фактической производительности
,-г 60и (1)
ПБЗУ =— Л' (1)
где и - окружная скорость захватывающих органов; t - шаг захватывающих органов; л - коэффициент вероятности захвата [7].
Сложность расчета производительности обусловлена вероятностным принципом захвата одной детали из общей массы в процессе непрерывного вращения диска БЗУ, особенно при загрузке деталей с неявной асимметрией по торцам, когда конструкция захватно-ориентирующих органов БЗУ должна практически полностью повторять профиль детали для обеспечения его надежной работы [8].
Практике известны несколько исторически сложившихся подходов к математическому моделированию производительности БЗУ. Наиболее значимы с теоретической точки зрения подходы двух советских ученых В.Ф. Прейса и М.В. Медвидя, которые параллельно друг от друга разработали концепции построения математических моделей производительности БЗУ. В работах [9-18] была предложена концепция обобщения этих двух подходов с помощью которой было получено аналитическое описание коэффициента выдачи, что позволило построить математические модели производительности различных конструкций дисковых БЗУ в виде
ПБЗУ = 60^РгРс (1" £пред(2) где р. - вероятность нахождения детали на пути захватывающего органа в положении, благоприятном для захвата); рс - вероятность того, что захвату не помешает взаимосцепляемость
загружаемых деталей); 8пред = и^ед (коэффициент, определяемый из начального условия невозможности захвата детали при таком значении предельной скорости ипред захватывающих органов, когда производительность БЗУ становится равной нулю) определяются теоретически с использованием методов классической механики и теории вероятностей [19, 20].
Таким образом, построение математической модели производительности механических дисковых БЗУ сводится к определению р., рс и ипред . Каждый из указанных коэффициентов математической модели определяется параметрами загружаемых деталей и конструктивными особенностями БЗУ.
Экспериментальные исследования производительности на макетах БЗУ подтвердили адекватность и корректность предложенной концепции построения математических моделей [21-26].
Анализируя выражение (2) можно сделать вывод о том, что чем больше значения параметров р., рс и чем меньше коэффициент £пред, тем выше значение производительности.
При этом если коэффициент рс определяется только геометрическими свойствами загружаемых деталей и коэффициентом трения их поверхностей друг о друга, то значения коэффициентов рI и ипред во многом зависят от конструкции БЗУ, конфигурации и размеров захватывающих и ориентирующих органов, поэтому их можно повысить путем создания в БЗУ условий, благоприятных для захвата загружаемых изделий.
Для автоматической загрузки рассматриваемых полуфабрикатов могут быть использованы два типа БЗУ: с наклонным или вертикальным вращающимся диском. Оценим влияние геометрических параметров полуфабрикатов двухстороннего выдавливания на вероятность р. для каждого из двух типов БЗУ.
Для БЗУ с наклонным диском вероятность р. равна
жК\\ 3
р1 = 1 п (1 п рк Д. тахГ (1 п рк р{ тт)^, (3)
где р£ - вероятности, которые определяют благоприятные положения для захвата полуфабриката на поверхности вращающегося диска: р£ цилиндрической поверхностью с большим основанием, р£ - цилиндрической поверхностью с меньшим основанием - асимметрич-
ным торцом вниз; рj max и pj - максимальное и минимальное значения вероятности pj,
характеризующие приближение полуфабриката к захватывающему органу в требуемом для ориентирования положении; m - количество полуфабрикатов, которое может разместиться по окружности захватывающих органов в зоне, свободной от полуфабрикатов (как правило, принимается его максимальное значение m = 3); R - начальный радиус вращающегося диска БЗУ по осям профильных карманов, а зона захвата фз полуфабрикатов была определена из условий
статического равновесия полуфабриката в захватывающем органе БЗУ; d\ - диаметр основания полуфабриката, м.
Вероятности pj max и pj зависят от геометрических параметров полуфабриката
(высоты h, центра масс Хц м , высоты торца h\), коэффициента трения скольжения ц полуфабриката о поверхность БЗУ, угла наклона дна бункера а БЗУ к горизонту и геометрии карманов (ширины захватывающего органа В, зазора А между полуфабрикатом и карманом БЗУ) и определяются с помощью подхода [19, 20].
Для БЗУ с вертикально расположенным диском вероятность pj определяется по выражению
Pj = (PkI + Pkп + Pkш PhIII )Pm , (4)
где Pki, Pkn , Pkni - вероятности того, что полуфабрикат при падении на дно бункера окажется на его поверхности соответственно большим и меньшим основаниями и дном; Ph^ -
вероятность поворота требуемым торцом к карману при падении полуфабриката на дно бункера боковой поверхностью; Pm - вероятность отсутствия помех при указанном повороте от других полуфабрикатов [12, 13, 23, 24].
Вероятности Phи Pm зависят от геометрических параметров полуфабриката (высоты h центра масс Хцм , высоты торца hi, диаметра основания di), коэффициента трения скольжения ц полуфабриката о поверхность БЗУ, угла наклона дна бункера а БЗУ и определяются с помощью подхода [19, 20].
Анализ выражений (3) и (4) показал, что значительное влияние на вероятность Pj оказывает вероятность Pk . Для определения вероятности перехода полуфабриката от произвольного положения в устойчивое требуется проанализировать положения, в которых полуфабрикат может находиться на основной ориентирующей поверхности бункера БЗУ каждой гранью из числа всех ограничивающих полуфабрикат граней. Расчет вероятности Pk зависит от расчета
телесных углов, которые соответствуют всем поверхностям, ограничивающим деталь.
Таким образом, с целью повышения производительности БЗУ необходимо изучить свойства загружаемых полуфабрикатов и оценить, как они влияют на производительность БЗУ. Это поволит подобрать наиболее оптимальную конструкцию БЗУ и создать условия, благоприятные для захвата полуфабрикатов захватывающими органами БЗУ.
Полуфабрикат изделия имеет три поверхности - основания с диаметрами d1, d 2 и цилиндрическую часть высотой h. Каждая из этих сторон соответствует вероятностям - pk , Pkj , Pkjjj. В
конструкции БЗУ с наклонным диском благоприятным для захвата положением будет положение, при котором полуфабрикат будет двигаться к захватывающим органам основанием I, а для вертикального БЗУ - основанием III, что характеризуется вероятностями Pk и Pk-^ соответственно (рис. 1).
Воспользовавшись расчетной схемой для определения вероятностей Pk , Pkm и
введя для удобства вычислений коэффициенты a, b, c
d1 1 Хц.м. d2 (5)
a = —, b =——, c = , (5)
h h h
получим вероятность нахождения детали на поверхности бункера БЗУ с основаниями d1, d2 , h соответственно
1
1
рк I = 2
1
рк п = 2
2 2Jl + ^ 1
Гк 111 = 1 п (Гк 1 + рк„ ) =
2И + 1
( с ^ 2(1 п Ь)
2,1 +' 2Ь
2 1 +
( с ^ 2(1 п Ь)
(6)
(7)
(8)
4
—
б,
III
/ 1 к
Рис. 1. Расчетная схема к определению вероятностей р£ , р£ , ркщ полуфабриката
Ниже представлены графики, по которым в зависимости от введенных коэффициентов а, Ь и с можно определить вероятности нахождения полуфабриката на вращающемся диске каждым из его оснований (рис. 2).
Графики показывают, что в зависимости от коэффициентов а и Ь вероятность р£^
находится в диапазоне от 0,02 до 0,43 (рис. 2, а), а вероятность р£ в зависимости от коэффициентов с и Ь - в диапазоне от 0,001 до 0,4 (рис. 2, б).
0.8 Ь
0.4 0.6
б
Рис. 2. Графики изменения вероятностей нахождения полуфабриката на основаниях I (а) и II (б) в зависимости от а, Ь и с
Вероятность р£щ в зависимости от коэффициентов а, с и Ь находится в диапазоне от 0,001 до 0,78 (см. рис. 3).
Определим значения вероятностей р£ , ркп , ркш для рассматриваемого полуфабриката с параметрами ^ = 0,015м; й2 = 0,011м; И = 0,012 м; И = 0,0025м.
582
2
1
+
2
2
а
Рис. 3. Графики изменения вероятностей нахождения полуфабриката на основании II в зависимости от а, Ь и с при с = 0,3 (график 1); с = 0,7 (график 2); с = 1,2 (график 3)
В таблице представлены результаты вычислений.
Результаты вычислений вероятностей
*ц.м., мм Коэффициенты Вероятности
a b c Рк I Рк II Ркщ
0,002 1,25 0,167 0,917 0,436 0,219 0,345
0,003 1,25 0,25 0,917 0,407 0,213 0,38
0,004 1,25 0,333 0,917 0,382 0,206 0,412
0,005 1,25 0,417 0,917 0,361 0,197 0,442
0,006 1,25 0,5 0,917 0,344 0,184 0,472
Результаты сравнения вероятностей p^ и Ркщ при -*-цм = 0,002 м и Хцм = 0,003 м показали, что рк > Рк:11 • Это свидетельствует о том, что в данном случае
наиболее рационально использование БЗУ, в которых захват полуфабриката будет обеспечиваться при его нахождении на основании I, например БЗУ с наклонным вращающимся диском.
При Хцм = 0,004 м получаем, что рк «Рк , поэтому можно использовать как
БЗУ с наклонным диском, так и с вертикальным.
В двух других случаях, при Хцм = 0,005 м и при Хцм = 0,006 м, рк < Ркт , поэтому наиболее рациональным является использование вертикального БЗУ.
Таким образом, анализируя вероятности нахождения полуфабрикатов в положении благоприятном для захвата, приходим к выводу, что для благоприятного захвата полуфабрикатов двухстороннего выдавливания при их автоматической загрузки можно использовать конструкцию БЗУ как с наклонным, так и с вертикальным диском, имеющим горизонтальную ось вращения. Решающую роль в выборе оптимальной конструкции БЗУ играет координата центра масс полуфабриката.
Список литературы
1. Лялин В.М., Пантюхин О.В. Экспериментальное исследование двухстороннего полугорячего выдавливания из проволочных заготовок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 7. Ч. 2. С. 246-251.
2. Лялин В.М., Пантюхин О.В., Тарасова Н.А. Метод расчета параметров режима полугорячего выдавливания заготовки в зависимости от требуемых свойств полуфабрикатов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 8. С. 106114.
3. Прейс В.В. Системы автоматической загрузки штучных предметов обработки в роторные и роторно-конвейерные линии // Вестник машиностроения, 2002. № 12. С. 16-19.
583
4. Прейс В.В. Модели и оценка надежности роторных систем автоматической загрузки с параметрическими отказами // Автоматизация и современные технологии. 2003. № 1. С. 9-15.
5. 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 10 т. Рязань, 2021. Т. 6. С. 95-101.
6. 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 XII общероссийской научно-практической конференции. В 3-х томах. Сер. «Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ». Санкт- Петербург, 2020. С. 79-85.
7. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Теоретические основы проектирования механических дисковых бункерных загрузочных устройств // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 7. Ч. 1. С. 10-20.
8. Пантюхина Е.В. Комплексная автоматизация пищевой промышленности: учебник. Тула: Изд-во ТулГУ, 2019. 216 с.
9. Давыдова Е.В. Аналитическая модель производительности бункерного загрузочного устройства с радиальными профильными гнездами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2010. Вып. 3. С. 235-241.
10. Бурцев Д.В., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Математическая модель производительности дискового бункерного загрузочного устройства с радиальными профильными гнездами // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2014. №9. С. 33-36.
11. Давыдова Е.В., Прейс В.В., Провоторова К.Н. Математическая модель производительности дискового бункерного загрузочного устройства с тангенциальными профильными гнездами // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2014. №10. С. 7-10.
12. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Аналитическая модель и методика расчета производительности вертикального бункерного загрузочного устройства // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2010. № 9. С. 27-31.
13. Давыдова Е.В., Прейс В.В., Чурочкин А.В. Математическая модель производительности вертикального бункерного загрузочного устройства для плоских асимметричных предметов обработки // Прогресивш тех-нологи i системи машинобудування. 2016. № 3 (54). С. 36-40.
14. Голубенко В.В., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Аналитическая модель производительности дискового зубчатого бункерного загрузочного устройства с кольцевым ориентатором // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 6. Ч. 2. С. 104-113.
15. Давыдова Е.В., Дружинина А.В., Прейс В.В. Математическая модель производительности дискового зубчатого бункерного загрузочного устройства с параметрическими отказами // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2015. №10. С. 11-15.
16. Хачатурян А.В., Пантюхина Е.В., Прейс В.В. Математическая модель фактической производительности зубчатого бункерного загрузочного устройства с кольцевым ориентатором для пустотелых деталей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 7. С. 98-110.
17. Пантюхина Е.В., Прейс В.В. Математическая модель производительности бункерного загрузочного устройства с тангенциальными карманами и гребенкой// Сборка в машиностроении, приборостроении. 2021. № 8. С. 372-378.
18. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Аналитическая модель производительности бункерного загрузочного устройства с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2009. № 11. С. 23-30.
19. Pantyukhina E.V. Integrated approach methodology for evaluating the feed rate of mechanical disk hopper-feeding devices// Journal of Physics: Conference Series. IV International Scientific and Technical Conference "Mechanical Science and Technology Update", MSTU 2020. 2020. С. 012024.
20. Пантюхина Е.В. Методология комплексного подхода для оценки производительности механических дисковых бункерных загрузочных устройств// В сборнике: Проблемы машиноведения. Материалы IV Международной научно-технической конференции. Научный редактор П.Д. Балакин. 2020. С. 380-388.
21.Голубенко В.В., Давыдова Е.В., Токарев В.Ю. Экспериментальные исследования производительности дискового зубчатого бункерного загрузочного устройства с кольцевым ориентатором // Автоматизация: проблемы, идеи, решения. Материалы Международной научно-технической конференции «АПИР-16»: в 2 частях. 2011. С. 39-43.
22. Пантюхина Е.В., Прейс В.В., Хачатурян А.В. Оценка производительности механического зубчатого бункерного загрузочного устройства с кольцевым ориентатором для деталей, асимметричных по торцам // Проблемы машиноведения. Материалы III Международной научно-технической конференции. В 2-х частях. Научный редактор П.Д. Балакин. 2019. С. 233-239.
23. Пузиков И.В., Пантюхина Е.В. Экспериментальные исследования производительности вертикального бункерного загрузочного устройства с роликами // Вестник Тульского государственного университета. Автоматизация: проблемы, идеи, решения. сборник научных трудов национальной научно-технической конференции с международным участием «АПИР-24». Под редакцией В.В. Прейса. 2019. С. 43-46.
24. Pantyukhina E.V., Preis V.V., Puzikov I.V., Dyakova E.V. Results of a theoretical and experimental research of a vertical hopper feeding device with rollers for flat and close-to-equal-sized parts with implicit asymmetry // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conference Series. 2021 1901 (2021) 012017. doi: 10.1088/1742-6596/1901/1/012017.
25. Пантюхина Е.В., Прейс В.В., Пузиков И.В., Дьякова Э.В. Результаты теоретического и экспериментального исследования вертикального бункерного загрузочного устройства с роликами для плоских и близких к равноразмерным деталям с неявной асимметрией // Проблемы машиноведения. Материалы V Международной научно-технической конференции. Омск, 2021. С. 377-386.
26. Pantyukhina E.V., Preis V.V., Khachaturian A.V. Feed rate evaluation of mechanical toothed hopper-feeding device with ring orientator for parts, asymmetric at the ends // Journal of Physics: Conference Series. Mechanical Science and Technology Update. 2019. С. 032032.
Дьякова Элеонора Владимировна, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Пантюхина Елена Викторовна, канд. техн. наук, доцент, elen-davidova@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ASSESSMENT OF CAPTURE-FRIENDLY POSITIONS SEMI-FINISHED PRODUCTS OF DOUBLE-SIDED EXTRUSION WHEN THEY ARE AUTOMATICALLY FEEDING
E.V. Diakova, E.V. Pantyukhina
In the article, expressions were obtained to determine the probabilities of finding semifinished products of double-sided extrusion on each of its surfaces at the bottom of the hopper of mechanical disk hopper-feeder devices and graphs of the dependences of these probabilities on various ratios of the geometric parameters of semi-finished products were constructed.
Key words: hopper-feeder device, semi-finished double-sided extrusion, automatic feeding, orientation of details, feed rate.
Diakova Eleonora Vladimirovna, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula state university,
Pantyukhina Elena Viktorovrn, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula state university
