CC BY
24
чет параметров зубчатого механизма со связанными колесами с последующей передачей результата в программные средства Microsoft Word или Microsoft Excel.
Программный комплекс «Контур» реализует предлагаемый алгоритм и создает возможность для исключения ошибок при решении задачи по обеспечению показателей качества механизмов со связанными зубчатыми колесами посредством применения метода объемного блокирующего контура на стадиях расчета и проектирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Болотовский И. А. Справочник по геометрическому расчету эвольвентных зубчатых и червячных передач. М. : Машиностроение, 1986. 448 с.
2. Болотовский И. А., Гурьев Б. И., Смирнов В. Э., Шендерей Б. И. Цилиндрические эвольвентные зубчатые передачи внутреннего зацепления. М. : Машиностроение, 1977. 174 с.
3. Сильченко П. Н., Колотов А. В., Мерко М. А., Швец Д. А. Методика определения коэффициентов относительного смещения для обеспечения требуемых качественных показателей зубчатых механизмов // Проблемы механики современных машин: материалы Третьей междунар. конф./ Вост. -Сиб гос. технол. ун-та. Улан-Удэ, 2006. Т. 1 С. 132 - 135.
УДК
Аннотация. Даны описание и принцип действия ВСЗУ. Представлены результаты экспериментальных исследований области разрежения в местах контакта устройства с плоским объектом. Приведены результаты расчета подъемной силы на основе данных измерений в зависимости от зазора между поверхностями устройства и пластины.
4. Сильченко П. Н., Колотов А. В., Мерко М. А., Швец Д. А. Метод построения объемных блокирующих контуров для зубчатых колес // Сб. докл. междунар. конф. по теории механизмов и механике машин. Краснодар / Кубан. гос. технол. ун-т, 2006. С. 81-135.
5. Сильченко П. Н., Колотов А. В., Мерко М. А. Построение объемных блокирующих контуров при расчете зубчатых передач с зацеплением двух и более колес для обеспечения всех требуемых эксплуатационных показателей // Технология машиностроения. 2006. № 9 С. 57-60.
6. Сильченко П. Н., Колотов А. В. , Мерко М. А. Анализ влияния параметров зубчатых колес для достижения необходимых качественных показателей // Технология машиностроения. 2007. № 11 С. 50-54.
7. Мерко М. А., Колотов А. В. , Меснянкин М. В Обеспечение минимизации скоростей удельных скольжений для рядных цилиндрических передач методом объемного блокирующего контура // Механики XXI веку : сб. докл. : VIII Всерос. науч.-тенх. конф. с междунар. участием. Братск : БрГУ, 2009. С. 50-52.
8. Колотов А. В. Обеспечение качественных показателей зубчатых передач со связанными зубчатыми цилиндрическими колесами : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Красноярск, 2006. 23 с.
Ключевые слова: захватное устройство, вихревое движение, струйное движение, подъем, подъемная сила.
Abstract. The description and principle of operation of vortex jet gripping device are presented. The results of experimental research in exhaustion area in the points of the device contact with a flat object are given. The results of ascensional power calculation on the basis of measurement depending on the
621.542:533.6.01 Конищева Ольга Васильевна,
к. т. н., доцент кафедры «Теория и конструирование механических систем» ПИ ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Брюховецкая Елена Викторовна к. т. н., доцент кафедры «Проектирование и экспериментальная механика машин» Политехнического института Сибирского федерального университета т. (391) 24-97-555
РАСЧЕТ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ ВИХРЕВОГО СТРУЙНОГО ЗАХВАТНОГО УСТРОЙСТВА (ВСЗУ)
O. V. Konischeva, E. V. Bruhovezckaya
THE CALCULATION OF ASCENSIONAL POWER FOR VORTEX JET GRIPPING DEVICE
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
gap between surfaces of the device and plate are described.
Keywords: gripping device, vortex motion, jet motion, exhaustion, ascensional power.
В основу разработанных конструкций ВСЗУ положен известный эффект присасывающего действия струи, истекающей из отверстия малого диаметра и взаимодействующей с обтекаемой ею плоской, цилиндрической или шаровой поверхностью, и вихревой эффект, который заключается в следующем. Под действием центробежных сил, возникающих во вращающемся потоке, частицы газа смещаются в периферийную область камеры, образуя спиральную вихревую струю. В приосе-вой области образуются зоны разрежения (зоны обратных потоков). Характерной особенностью взаимодействия закрученной струи с плоской преградой является то, что при расположении преграды в непосредственной близости от торцевой поверхности вихревой камеры возникает отрицательное избыточное давление. В этом случае истекающая из цилиндрической камеры струя прилипает к торцевой поверхности и притягивает преграду.
В предлагаемом устройстве воздух истекает не через сужающее отверстие, а наоборот, через расширяющееся, что позволяет увеличить область разрежения. При этом истечение происходит через
боковой кольцевой зазор, когда воздушный поток на своем пути встречает преграду, которая может располагаться на различном расстоянии от устройства. В этом случае воздушные струи перемещаются не к центру устройства, а от него.
ВСЗУ представляет собой вихревую камеру 1 (рис. 1) диаметром dk = 70 мм, высотой Н = 50 мм, с тангенциальной подачей сжатого воздуха через четыре отверстия диаметром dc = 4 мм. В нижней части вихревая камера плавно переходит в торец 2 диаметром Dт = 200 мм. В кожух 3 для создания замкнутой полости вокруг входных отверстий нагнетается сжатый воздух под разным давлением ри от источника 4. Верхнее отверстие закрывается пробкой 5 или используется для установки вставки, позволяющей получить более узкие зазоры на выходе из камеры. При приближении устройства к плоской пластине 6 образуется узкий кольцевой зазор, истекающая струя прилипает к торцу, создается разрежение. Кроме этого за счет вихревого эффекта возникает разрежение и в центральной части камеры. За счет образующихся зон разрежений пластина присасывается к торцу устройства.
Для измерения давлений использовалась пластина 6, имеющая отверстие 7 диаметром 0,3 мм, и водяной манометр 8 с пределами измерений ±700 мм вод. ст. Пластина закреплялась на нижнем основании торца струбцинами 9, а зазор
5
4^^ЧЧхЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ
D 10
7777777777777777777-
Рис. 1. Вихревое струйное захватное устройство
8
Современные технологии. Математика. Механика и машиностроение
выдерживался с помощью планок различной толщины 10, которые помещались между торцом устройства и пластиной. Таким образом, пластина, полностью перекрывающая торец устройства, располагалась на расстоянии к = 0,3-2 мм от него и перемещалась вдоль радиуса с шагом 2 мм.
В вихревых устройствах на периферии всегда имеется область избыточного давления, которое обычно тем больше, чем больше разрежение в центре. В нашем случае, когда воздух выходит не через центровое отверстие, а через боковую кольцевую щель и движется в плоскопараллельном узком зазоре, избыточное давление на периферии уменьшается и при определенных условиях исчезает совсем (рис. 2). Происходит как бы перемещение эпюры давлений вниз.
Наибольшее разрежение в центре отвечает такому положению пластины, когда окружная (тангенциальная) составляющая скорости уттах будет наибольшей. Тангенциальная составляющая, с одной стороны, возрастает с уменьшением площади выходного кольцевого отверстия, а с другой стороны, уменьшается с увеличением сопротивления камеры, которое возрастает при этом. Поэтому существует оптимум, когда сопротивление будет не настолько большим, чтобы препятствовать обеспечению наибольшей уттах при наименьшем сечении выходной кольцевой щели.
Выход воздуха через периферийную щель способствует увеличению разрежения за счет по-
ставляющей скорости и силами вязкостного трения, то
др V
л =Р"
дг г
р\г
дУг дг
(1)
где уф = ут.
На рис. 2 представлены результаты измерений давления на поверхности пластины. Давление на входе ри = 0,3-105 Па (0,3 ат), расход Q = 5,8^ 10-3 м3/с. При очень маленьких зазорах к < 0,3 мм вообще отсутствует разрежение в центре (на графиках не представлено), при к = 0,3 мм появляется небольшая область разрежения гр = 4 мм и большое избыточное давление на периферии ртах = 2650 Па. Максимум давлений находится на радиусе г = 45-50 мм. Второй максимум, который возникает на периферии при малых зазорах, объясняется падением радиальной скорости из-за увеличения площади зазора при удалении от центра. Это вытекает из уравнения (1). При увеличении зазора область разрежения и его максимум увеличиваются. При зазоре к = 0,8 мм избыточное давление в трех точках равно нулю. При дальнейшем увеличении зазора во всей области контакта отсутствует избыточное давление. При к = 1 мм разрежение достигает максимального значения 3040 Па, а область разрежения гр = 75 мм. При к >1 мм происходит уменьшение величины разрежения и расширение его области до 100 мм при к = 2 мм, т. е. область отрицательных дав-
О, а р, мм вод. ст.
Основной Основной Основной Основной -Основной -Основной -Основной
-Основной
ОсновнойОсновнойОсновнойОсновнойОсновнойОсновнойОсновнойОсновнойОсновнойОсновнойОсгн, омвмной
2
в к = 0,3 мм ■ к = 0,5 мм ■ к = 0,6 мм • к = 0,7 мм • к = 0,8 мм
• к = 0,9 мм ■ к = 1 мм " к = 2 мм
Рис. 2. Результаты измерения давления на поверхности пластины
вышения радиальной скорости, которая вызывает эжекцию в центральной части. Падение давления ниже атмосферного вызвано градиентом радиальной скорости, так как, если пренебречь осевой со-
лений полностью занимает рабочую поверхность устройства. На графиках видно, что при зазорах больше 1 мм давление изменяется более плавно.
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
По измеренным давлениям определим подъемную силу, интегрируя давление по площади контакта пластины с устройством:
г =100
^ = | Ар2кгёг 0,5-9,807-10-6п(А<3; + Ар+1)(г+1 -г2), (2)
г=0
где Ар - перепад давления в мм вод. ст. (1 мм вод. ст. = 9,807 Па), г — радиус в мм, ^ - подъемная сила в Н.
В результате расчета получены величины подъемной силы при разных зазорах к и построена кривая этой зависимости (рис. 3), при этом сплошная кривая построена по результатам расчетов, а пунктирная по полиномиальному ряду. На графике видно, что наибольшие значения подъемной силы существуют при зазорах к = 1... 1,6 мм. При зазорах меньше 0,6 мм возникает отталкивающая сила. Наибольшие значения подъемной силы для этого опыта составили 11...12,8 Н, и это при довольно небольшом давлении на входе (всего 0,3 ат), экспериментально определенная сила при этом же давлении составила 2...5 Н. В опытах использовалось давление до 3 ат. В ходе экспери-
ментальных измерений силы было выявлено, что при увеличении давления в 10 раз сила, изменяясь по квадратичному закону, увеличивается примерно в 30 раз [1]. Тогда предполагаемая сила может достигнуть значений 300 Н.
При опытном определении силы зазор не фиксировался и устанавливался самопроизвольно. Очевидно, установив упоры, удерживающие пластину на определенном оптимальном расстоянии, можно значительно увеличить подъемную силу. При этом пластина будет жестко удерживаться на торце устройства, а не плавать на воздушной подушке.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Конищева О. В. Определение силы, удерживающей плоский объект посредством вихревого струйного устройства // Вестник КГТУ. Машиностроение. Красноярск : КГТУ, 2000. Вып. 21.
Рис. 3. Подъемная сила при различных зазорах
