CC BY
252
АВТОМА ТИЗАЦИЯ ЗАГРУЗКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ШТУЧНЫМИ ПРЕДМЕТАМИ ОБРАБОТКИ
УДК 658.562:621.9
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ДИСКОВЫХ БУНКЕРНЫХ ЗАГРУЗОЧНЫХ
УСТРОЙСТВ
Е.В. Давыдова, В.В. Прейс
Рассматриваются теоретические основы проектирования механических дисковых бункерных загрузочных устройств, которые используются в структуре систем автоматической загрузки технологических машин-автоматов и автоматических линий, в том числе, роторных и роторно-конвейерных линий, предназначенных для изготовления элементов и сборки многоэлементных изделий массовых производств.
Ключевые слова: проектирование, бункерное загрузочное устройство, система автоматической загрузки, роторная линия, роторно-конвейерная линия.
Массовые производства многоэлементных изделий: строительномонтажных патронов, приводных втулочно-роликовых цепей, изделий сельскохозяйственной техники, инъекционных игл однократного применения, требуют создания современных высокопроизводительных и надежных технологических машин-автоматов и автоматических линий. Одним из эффективных направлений комплексной автоматизации подобных производств являются автоматические роторные и роторно-конвейерные линии (АРЛ/АРКЛ) [1-3].
В процессе эксплуатации любой технологической машины-автомата или автоматической линии (в том числе АРЛ/АРКЛ) их показатели надежности во многом определяются надежностью функционирования систем автоматической загрузки (САЗ) штучных предметов обработки (заготовок, элементов, предметов обработки). САЗ должны обеспечивать подачу элементов на рабочие позиции технологической машины в заданном ориентированном положении и с требуемой производительностью. Требования к надежности функционирования САЗ многократно возрастают при
автоматизации процессов сборки многоэлементных изделий массового выпуска, поскольку в структуре сборочной линии имеется несколько параллельно работающих систем для подачи собираемых элементов в соответствии с технологическим процессом сборки [4].
Для автоматической загрузки штучных предметов обработки в технологические машины-автоматы и автоматические линии с производительностью до 300...400 шт./мин применяют стационарные САЗ, которые применимы и для загрузки предметов обработки в АРЛ/АРКЛ (рис. 1, а). При необходимости автоматической загрузки предметов обработки формы тел вращения на высоких транспортных скоростях (> 0,5 м/с) при шаге рабочих позиций И > 100 мм в конструкции стационарной САЗ можно использовать однопозиционный вращающийся питатель (рис. 1, б) [5].
а б
Рис. 1. Типовые схемы стационарных систем автоматической загрузки штучных предметов обработки в АРЛ/АРКЛ: а - со стационарным питателем; 1 - БЗУ; 2 - накопитель; 3 -предмет обработки; 4 - транспортный ротор; 5 - шиберный питатель; б - с вращающимся питателем; 1 - зубчатое колесо; 2 - неподвижный пазовый кулачок; 3 - ротор; 4 - БЗУ; 5 - подшипники; 6 - накопитель;
7 - шиберный питатель; 8 - транспортный ротор
В этом варианте стационарной САЗ шиберный питатель 7 размещается на роторе 3, вращающимся синхронно с транспортным ротором 8 линии, посредством зубчатых колес 1. Выдающая позиция питателя распо-
ложена на окружности ротора, длина которой равна шагу рабочих позиций транспортного ротора. В процессе вращения ротора шиберный питатель совершает возвратно-поступательные движения за счет того, что его ролик обкатывается по неподвижному пазовому кулачку 2. Входная часть трубчатого накопителя 6 выполнена вертикально, и располагается в подшипниках качения 5 соосно вращающемуся ротору 3 и выходному лотку стационарного БЗУ 4, а выходная часть накопителя выполнена наклонной и соединяется с выдающей позицией ротора 3. Поэтому при вращении накопителя совместно с питателем ничто не препятствует поступлению предметов обработки в накопитель из выходного лотка стационарного БЗУ.
В стационарных САЗ широко применяют механические дисковые бункерные загрузочные устройства (БЗУ), в которых захватывающие органы расположены по периферии вращающегося диска, при этом каждый захватывающий орган является также и ориентирующим.
С целью повышения надежности механических дисковых БЗУ при загрузке осесимметричных предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам и продольной асимметрией центра масс предложен способ, основанный на разделении функций захвата и ориентирования загружаемых предметов обработки. На основе предложенного способа разработан ряд модернизированных конструкций механических дисковых БЗУ.
Для загрузки предметов обработки с коническим торцом и ступенчатых предметов обработки с отношением длины и диаметра наибольшего торца 3 < I / < 4 предложена модернизированная конструкция дискового
БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором [6, 7].
Модернизированное БЗУ (рис. 2) содержит бункер, образованный обечайкой 4 и неподвижным основанием 1, вращающийся диск 2 с радиальными пазами 5. Радиальные пазы переходят в захватывающие органы, выполненные в виде сквозных гнезд 6 прямоугольной формы. В нижней части бункера, на неподвижном основании 1 установлен кольцевой ориен-татор 3, сопрягающееся с вращающимся диском 2. С внутренней стороны кольцевого ориентатора 3, обращенной к сквозным гнездам 6, выполнен кольцевой паз, поперечное сечение которого соответствует профилю асимметричного торца предмета обработки.
В предложенной конструкции захват предметов обработки осуществляется гнездом, профиль которого не повторяет профиль загружаемых предметов обработки, а пассивное ориентирование в БЗУ реализуется с использованием кольцевого ориентатора, который является единым конструктивным элементом. Предметы обработки, засыпанные в бункер, при вращении диска с радиальными гнездами ворошатся, пересыпаются и западают в радиальные пазы вращающегося диска. Предметы обработки, запавшие в радиальные пазы, под действием силы тяжести и силы инерции движутся в сторону сквозных гнезд.
А
Рис. 2. Модернизированное бункерное загрузочное устройство с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором:
1 - неподвижное основание; 2 - вращающийся диск; 3 - кольцевой ориентатор; 4 - обечайка; 5 - радиальный паз; 6 - сквозное гнездо;
7 - электродвигатель; 8 - червячный редуктор
Если предмет обработки движется в сторону сквозного гнезда коническим или ступенчатым торцом вперед (рис. 3, а, в), то она скользит по фаске и западает в сквозное гнездо полностью, поскольку поперечное сечение паза кольцевого ориентатора соответствует профилю конического торца предметы обработки.
а б в г
Рис. 3. Схемы ориентирования предметов обработки с коническим торцом (а, б) и ступенчатых (в, г) в бункерном загрузочном устройстве с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором при различных вариантах западания предметов обработки в радиальные гнезда: а, в - асимметричными торцами вперед; б, г - цилиндрическими
торцами вперед
Если предмет обработки движется в сторону сквозного гнезда цилиндрическим торцом вперед, то он западает в сквозное гнездо не полностью, так как опирается цилиндрическим торцом на верхнюю часть паза кольцевого ориентатора, а коническим или ступенчатым торцом - на край радиального паза (рис. 3, б, г). При дальнейшем вращении диска предметы обработки перемещаются в верхнюю часть бункера. Предметы обработки, полностью запавшие в сквозные гнезда (см. рис. 3, а, в), перемещаются вращающимся диском к разгрузочному окну и выдаются в приемник (на рис. не показан). Предметы обработки, не полностью запавшие в сквозные гнезда (рис. 3, б, г), выпадают из них под действием силы тяжести обратно в бункер.
По аналогии с предыдущей конструкцией с целью повышения надежности дискового зубчатого БЗУ при загрузке предметов обработки с коническим или сферическим торцом и соотношением габаритных размеров 2 < I / < 3 была предложена конструкция БЗУ с общим кольцевым
ориентатором [8-10]. Модернизированное БЗУ (рис. 4) содержащее бункер, образованный обечайкой 4 и неподвижным основанием 1, вращающийся диск 3 с захватывающими органами, выполненными в виде радиальных пазов 5, переходящих в сквозные гнезда, чередующиеся с зубьями 6. Размер пазов и гнезд вращающегося диска несколько больше диаметра ^ цилиндрической части предмета обработки.
Рис. 4. Модернизированное зубчатое бункерное загрузочное устройство
с общим кольцевым ориентатором:
1 - неподвижное основание; 2 - кольцевой ориентатор;
3 - вращающийся диск; 4 - обечайка; 5 - радиальный паз;
6 - зубья; 7 - копир; 8 - электродвигатель; 9 - червячный редуктор
В нижней части бункера на неподвижном основании 1 установлен кольцевой ориентатор 2 с пазом, поперечное сечение которого соответствует профилю асимметричного торца предметы обработки. В верхней части бункера БЗУ установлен копир 7 в виде сегмента окружности, с торцевым криволинейным профилем, направление подъема которого совпадает с направлением вращения диска с гнездами и зубьями.
При вращении диска предметы обработки, засыпанные в бункер, ворошатся, пересыпаются и западают в гнезда. Предметы обработки, запавшие в гнезда асимметричным торцом вниз (рис. 5, а, в), погружаются полностью в паз кольцевого ориентатора, так как сечение паза повторяет профиль асимметричного торца предметы обработки. Предметы обработки, запавшие в гнезда цилиндрическим торцом вниз (рис. 5, б, г), опираются им на верхний край паза ориентатора, так как ширина верхней части паза не превышает диаметр цилиндрического торца предмета обработки.
а б в г
Рис. 5. Схемы ориентирования предметов обработки с коническим (а, б) и сферическим (в, г) торцами в зубчатом бункерном загрузочном устройстве с общим кольцевым ориентатором при различных вариантах западания предметов обработки в гнезда: а, в - асимметричными торцами вниз; б, г - цилиндрическими
торцами вниз
Запавшие предметы обработки перемещаются диском в верхнюю часть бункера. Предметы обработки, запавшие в паз кольцевого ориента-тора асимметричным торцом вниз (см. рис. 5, а, в), удерживаются в нем, опираясь на верхний край С гнезда, и перемещаются вращающимся диском в зону выдачи предметов обработки из гнезд в приемник (на рис. не показан). Предметы обработки, которые запали в гнезда цилиндрическим торцом вниз (см. рис. 5, б, г) и опираются им на верхний край паза ориен-татора, в процессе вращения диска наклоняются в его гнездах и «подхватываются» торцевым криволинейным профилем копира. Скользя по нему торцами, предметы обработки под действием силы тяжести опрокидываются вокруг верхнего края С гнезд вращающегося диска и выпадают обратно в бункер БЗУ.
Фактическая производительность механического дискового БЗУ
и
Пбзу = 60— Л, [шт./мин],
(1)
где и - окружная скорость вращающегося диска БЗУ по оси захватывающих органов, м/с; ? - шаг захватывающих органов, м; ^ - коэффициент выдачи БЗУ.
Коэффициент выдачи БЗУ трактуется, как вероятность того, что шаг и скорость потока штучных предметов обработки, формируемого на выходе БЗУ, будут близки к экстремальным значениям, соответствующим параметрам идеального или идеально-плотного потока предметов, который может быть сформирован БЗУ в данном физическом поле сил [11].
Опираясь на это теоретическое положение и обобщив два известных классических подхода (В.Ф. Прейса и М.В. Медвидя), авторами был предложен новый, комплексный подход к математическому описанию коэффициента выдачи БЗУ. В соответствии с этим подходом математическое описание коэффициента выдачи искали в виде эмпирической функции, предложенной В.Ф. Прейсом на основе статистической обработки результатов экспериментальных исследований различных типов механических дисковых БЗУ
где Лтах - максимальная величина коэффициента выдачи БЗУ, соответствующая окружной скорости вращающегося диска близкой к нулю; е - некоторый коэффициент.
Для нахождения математического описания максимальной величины коэффициента выдачи БЗУ использовали методологические подходы и аналитические зависимости, предложенные М.В. Медвидем, в соответствии с которыми Лтах определяли как произведение двух вероятностей
где рі - вероятность нахождения предмета обработки на пути захватывающего органа в требуемом ориентированном положении; рс - вероятность того, что захвату предметов обработки не помешает их взаимная сцепляемость.
Коэффициент е в формуле (2) было предложено определять как
где итах - предельное значение окружной скорости захватывающих органов, при которой производительность БЗУ падает до нуля.
Математические выражения, описывающие предельные значения окружной скорости захватывающих органов итах, находили, опираясь на следующий логический постулат: коэффициент выдачи БЗУ будет равен
Л Лшах(1 еи ),
(2)
Лшах рірс,
(3)
(4)
нулю, когда величина кинетической энергии, сообщенной предмету обработки движущимися захватывающими органами при неупругом ударе предмета обработки о край захватывающего органа, будет достаточна для выброса предмета обработки из захватывающего органа.
В частности, для дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором получили следующее математическое выражение предельной окружной скорости [12]
ишах = V ^1& + 0,4 & (ир + 2Д)- 0,2&л/ 5^12 - 4(д - 2Ир )2 , (5)
где Ир - высота радиального паза; Дґ - зазор по шагу.
На основе предложенного подхода математические модели фактической производительности дисковых БЗУ в соответствии с выражениями (1) - (5) искали в виде
и
ПБЗУ =60Ґ
1 - (і - рір )т (і - р,„. )*
У шах .гшіп
Ґ \ 4 ~
1 - и
• Рс ■ V ишах
(6)
где т - число предметов обработки, которое может разместиться на сво-
лВфз
бодном от них участке в нижней части бункера БЗУ; к = - число
предметов обработки, которое может разместиться в зоне захвата в нижней части бункера БЗУ; В - диаметр диска с захватывающими органами; Фз - угол, определяющий зону захвата предметов обработки.
Используя рассмотренные выше теоретические положения, были разработаны математические модели фактической производительности модернизированных дисковых БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором (см. рис. 2) и зубчатого БЗУ с общим кольцевым ориентато-ром (см. рис. 4), а также вертикального БЗУ, имеющего диск с горизонтальной осью вращения и профильными гнездами [12-14].
По результатам компьютерного моделирования были построены графики зависимостей коэффициента выдачи (2) - (4) и фактической производительности дискового БЗУ (6) от окружной скорости захватывающих органов при различных значениях коэффициента трения скольжения предметов обработки о направляющие поверхности БЗУ и величинах зазора по шагу At. В частности, для БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ори-ентатором было выявлено, что его фактическая производительность в зависимости от параметров загружаемых предметов обработки достигает максимальных значений ПБЗУтах = 70...150 шт./мин при окружных скоростях диска 0,19...0,21 м/с. Фактическая производительность зубчатого БЗУ достигает максимальных значений Пбзутах = 140...180 шт./мин при окружных скоростях диска 0,14.0,16 м/с.
В результате теоретических исследований было выявлено и обосновано влияние зазора по шагу на фактическую производительность дисковых БЗУ. Например, в БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориента-тором увеличение зазора по шагу с At = 0,1^ до Дt = 0,2^1 приводит к повышению максимального значения фактической производительности с 70 шт./мин до 120 шт./мин.
Было показано, что существенное влияние на максимальное значение фактической производительности БЗУ оказывает отношение габаритных размеров и коэффициент трения скольжения предметов обработки о направляющие поверхности БЗУ. Так, в БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором увеличение коэффициента трения с ^ = 0,3 до ^ = 0,5 приводит к снижению максимального значения фактической производительности БЗУ со 150 шт./мин до 75 шт./мин для предметов обработки с отношением габаритных размеров I / ^ = 3, а для предметов обработки с I / с?1 = 4 увеличение коэффициента трения с ^ = 0,3 до ^ = 0,6 приводит к снижению максимального значения фактической производительности БЗУ со 110 шт./мин до 40 шт./мин.
Результаты экспериментальных исследований фактической производительности дисковых БЗУ с кольцевым ориентатором для различных предметов обработки, проведенные на специально разработанных макетах, в целом подтвердили теоретические выводы, полученные на основе компьютерного моделирования фактической производительности БЗУ по разработанным математическим моделям.
Для дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориента-тором была разработана математическая модель процесса пассивного ориентирования предметов обработки [15]. Были выявлены условия, при которых обеспечивается надежное ориентирование предметов обработки за время прохождения захватывающим органом зоны ориентирования в верхней части бункера БЗУ (см. рис. 2, 3). При этом зона ориентирования была определена из анализа граничных условий выпадения неправильно ориентированных предметов обработки из захватывающего органа, а процесс выпадения предмета обработки, в диапазоне угловых скоростей вращающегося диска с гнездами ю = 0,5 .1,5 рад/с, описывался дифференциальными уравнениями плоского движения твердого тела в форме уравнений Лагранжа 11-го рода. Например, для предмета обработки с I / ^ = 3, массой т = 0,004 кг, коэффициентом трения т = 0,5 предельная окружная скорость диска, до значения которой будет обеспечиваться надежное ориентирование предметов обработки составила ипред = 0,276 м/с
(при диаметре вращающегося диска с гнездами В = 0,4 м).
Экспериментальные исследования процесса пассивного ориентирования предметов обработки показали, что разработанная математическая модель с достаточной для практики точностью (10-15 %) позволяет опре-
делить на стадии проектирования БЗУ значения угловых скоростей диска, при которых возможно ориентирование предметов обработки.
В результате комплекса проведенных исследований были созданы теоретические основы проектирования механических дисковых БЗУ на заданную производительность [16] для разнообразных осесимметричных предметов обработки формы тел вращения, имеющих не явно выраженную асимметрию по торцам, с отношением габаритных размеров от 1,5 до 2.
Список литературы
1. Крюков В. А., Прейс В.В. Комплексная автоматизация производства на базе роторных и роторно-конвейерных линий // Вестник машиностроения. 2002. № 11. С. 35-39.
2. Цфасман В.Ю., Савельев Н.И., Прейс В.В. Роторные и роторноконвейерные линии в производствах массовых предметов обработки сельскохозяйственного и автотракторного машиностроения // Вестник машиностроения. 2003. № 9. С. 40-43.
3. Быстров В.А., Прейс В.В., Фролович Е.Н. Роторные технологии, машины и линии на современном этапе промышленного развития // Вестник машиностроения. 2003. № 10. С. 43-47.
4. Прейс В.В. Надежность автоматических роторно-конвейерных линий для сборки многоэлементных изделий // Сборка в машиностроении, приборостроении. № 10. 2003. С. 17-22.
5. Прейс В.В. Системы автоматической загрузки штучных предметов обработки в роторные и роторно-конвейерные линии // Вестник машиностроения. 2002. № 12. С. 16-19.
6. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Бункерное загрузочное устройство для предметов обработки с неявно выраженной асимметрией торцов // Сборка в машиностроении, приборостроении, 2007. № 9. С. 57-65.
7. Патент № 64977 РФ. МПК8 B23 Q 7/02. Бункерное загрузочное устройство / Е.В. Давыдова, В.В. Прейс. Опубл. 27.07.2007. Бюл. № 21.
8. Голубенко В.В., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Совершенствование зубчатого бункерного загрузочного устройства для предметов обработки с неявно выраженной асимметрией торцов / Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. Вып. 2. Ч.1. С. 27-34.
9. Патент № 100942 РФ. МПК8 B23 Q 7/02. Бункерное загрузочное устройство / В.В. Голубенко, Е.В. Давыдова, В.В. Прейс. Опубл. 10.01.2011. Бюл. № 1.
10. Патент № 106577 РФ. МПК8 B23 Q 7/02. Бункерное загрузочное устройство / В.В. Голубенко, Е.В. Давыдова, В.В. Прейс, Д. А. Провоторов. Опубл. 20.07.2011. Бюл. № 20.
11. Прейс В.В. Основы теории производительности бункерных загрузочных устройств для автоматических роторных линий // Кузнечно-штамп. пр-во. 1989. № 5. C. 23-25.
12. 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.
13. Голубенко В.В., Давыдова Е.В., Прейс В.В. Аналитическая модель производительности дискового зубчатого бункерного загрузочного устройства с кольцевым ориентатором // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 6. В 2-х ч. Тула: Изд-во ТулГУ. 2011. Ч. 2. С. 104-113.
14. 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.
15. Давыдова Е.В., Прейс В.В. Аналитическая модель процесса ориентирования предметов обработки с неявно выраженной асимметрией торцов в бункерном загрузочном устройстве // Сборка в машиностроении, приборостроении, 2009. № 9. С. 33-37.
16. Голубенко В.В., Давыдова Е.В. Вопросы проектирования дискового зубчатого бункерного загрузочного устройства с кольцевым ориента-тором // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ. 2011. С. 11-16.
Давыдова Елена Викторовна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет.
Прейс Владимир Викторович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
FUNDAMENTAL THEORY OF PROJECTION OF MECHANIC DISK HOPPER FEEDING DEVICES
E.V.Davidova, V.V. Preis
Fundamental theory of projection of mechanic disk hopper feeding devices which one use in frame of automatic feeding systems of technological automatic machines and automatic transfer lines, including, the rotor and rotary-conveyor lines, intended for manufacture of units and the assembling of multiple-unit products of quantity productions are considered.
Key words: projection, a hopper feeding device, an automatic feeding system, a rotor line, a rotary-conveyor line.
Davidova Elena Viktorovnа, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula state university,
Preis Vladimir Viktorovich, Dr. Sci. Tech., the prof., the chief of the cathedra,, [email protected]. Russia, Tula, the Tula State University.
Получено 15.07.2013 г.
