Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Аленченков Иван Сергеевич
СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ МЕХАНИЗМОВ СЪЕМА РОТОРНОЙ ЛИНИИ
05.02.18 - теория механизмов и машин
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Ижевск 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова
Научный консультант: доктор технических наук Пушкарев Андрей Эдуардович
Официальные оппоненты:
Плеханов Федор Иванович, доктор технических наук, профессор, Глазовский инженерно-экономический институт (филиал) ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова, директор;
Иванов Алексей Генрихович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, доцент кафедры Теоретическая механика и сопротивление материалов.
Ведущая организация: ФГБУН Институт механики Уральского отделения Российской академии наук.
Защита состоится 30 октября 2012 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.065.01 ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, ИжГТУ, корп. 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова Отзывы на автореферат в 2 экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Автореферат разослан 21 сентября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор А. В. Щенятский
Общая характеристика работы
Актуальность. Автоматические роторные линии (АРЛ), являясь одним из достижений практического приложения науки о механизмах и машинах, широко применяются в современной промышленности для производства различных изделий.
В последнее время появились новые задачи проектирования роторных линий и их механизмов, связанные с модернизацией существующих АРЛ. Одним из направлений уменьшения затрат времени на контроль изделий и технического состояния инструмента и оборудования АРЛ между операциями обработки или сборки на транспортных роторах или передающих устройствах является применение автоматических механизмов выборочного контроля. Контрольные механизмы, как материальный элемент, входящий в состав роторной линии, вносят значительный вклад в фактическую производительности роторной линии (до 10%), и отвечают за 40% внецикловых потерь времени.
Известные методы проектирования съемников для контрольных механизмов основаны, в первую очередь, на методах синтеза плоских кулачковых механизмов.
Методам проектирования пространственных кулачков уделено значительно меньше внимания, а на транспортных роторах с механизмами смены уровня русла нет возможности разместить съемный механизм так, чтобы рабочая поверхность съемного механизма находилась параллельно плоскости движения заготовок (руслу).
Не освещен вопрос выбора оптимальной структуры механизмов съема АРЛ, связь структуры АРЛ с назначением механизмов съема и его основными функциями. Актуальна проблема создания методов анализа и синтеза параметров съемных механизмов, работающих в зонах смены уровня русла.
Существующая проблема определила цель исследования: повышение производительности роторной линии путем поиска, разработки и обоснования структурных схем и параметров механизмов съема, работающих в зонах смены уровней русла, имеющих повышенное быстродействие и исключающих повреждение деталей и заготовок.
Из цели следуют задачи исследования:
1. Исследование структурных и функциональных связей элементов роторной линии и механизмов съема, создание функционально-структурной модели роторной линии и механизмов съема и классификации механизмов съема.
2. Разработка методики структурного синтеза механизмов съема роторной линии на основе функционально-структурной модели и классификации механизмов съема.
3. Синтез схем механизмов съема роторной линии, отвечающих основному и дополнительным условиям синтеза.
4. Разработка методики параметрического синтеза механизмов съема роторной линии на основе математического моделирования динамики их работы.
5. Проведение экспериментов с целью проверки адекватности разработанной математической модели и уточнения основных параметров механизмов съема.
Объект исследования - механизмы съема роторной линии.
Предмет исследования - методы синтеза механизмов съема роторной линии.
Методы исследования. Использовались методы теории механизмов и машин, функционально-структурного анализа, теоретической механики, сопротивления материалов, теории удара.
Достоверность результатов основывается на применении известных теоретических положений теоретической механики, теории механизмов и машин, сопротивления материалов, апробированных аналитических методов, подтверждается сравнением результатов математического моделирования и экспериментов, а также сравнением полученных результатов с результатами других авторов.
Научная новизна результатов исследования:
1. Разработана функционально-структурная модель АРЛ и механизмов съема и основанная на ней классификация механизмов съема по виду их связи с АРЛ, уровню автоматизации, виду механизма, расположению механизма съема относительно русла АРЛ.
2. Создана методика структурного синтеза схем механизмов съема на основе предложенной оригинальной функционально-структурной модели и классификации механизмов съема.
3. Синтезирован ряд новых структурных схем безударных механизмов съема, имеющих повышенную скорость срабатывания и отвечающих габаритным требованиям.
4. Разработана методика параметрического синтеза механизмов съема на основе созданной математической модели динамики движения выбрасывателя, позволяющая реализовать основное и дополнительное условие синтеза - минимальная относительная скорость срабатывания при наименьших ударных нагрузках.
Практическая ценность работы:
- разработанные методики использованы при проектировании механизмов съема и выборе их параметров;
- предложенные безударные съемные механизмы совместно с контрольными механизмами можно устанавливать на транспортные роторы с механизмом смены уровня русла, тем самым повышая производительность АРЛ;
- механизм съема, защищенный патентом РФ, служит прототипом для изготовления межоперационного съемника;
- результаты исследования использованы на ОАО Научно-исследовательский технологический институт Прогресс при проектировании роторной линии.
На защиту выносятся:
1. Функционально-структурная модель АРЛ и механизмов съема и их классификация, позволяющие вести синтез наиболее рациональных схем съемных механизмов.
2. Методика структурного синтеза схем механизмов съема на основе их функционально-структурной модели и классификации.
3. Ряд синтезированных структурных схем съемных механизмов.
4. Методика параметрического синтеза механизма съема, основанная на математических моделях динамики движения выбрасывателя и заготовки под действием кулачкового пространственного выбрасывателя.
Апробация результатов исследования.
Основные положения диссертации обсуждались и докладывались на конференциях: Всероссийских научных конференциях молодых ученых Наука. Технологии. Инновации (Новосибирск, 2009, 2010 гг.), Всероссийской научно-практической конференции Научное обеспечение инновационного развития АПК (Ижевск, 2010 г.), IX Всероссийской научно-технической конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов (Тула, 2010 г.), Международной научно-практической конференции Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2009 (Одесса, 2009 г.), VI Международной научно-технической конференции Проблемы исследования и проектирования машин (Пенза, 2010 г.), II Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов Будущее машиностроение России (Москва, 2009, 2010гг.), Международном молодежном научном форуме Ломоносов-2010 (Москва, 2009 г.), Second forum of young researchers. In the framework of international forum "Education qualityЦ2010"(Ижевск, 2010 г.), Международной научно-практической конференции Современное машиностроение. Наука и образование (Санкт-Петербург, 2011 г.), Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения (Новокузнецк, 2011г.).
Результаты исследования использованы на ОАО Научно-исследовательский технологический институт Прогресс при анализе и выборе основных параметров механизма выборочного съема и его разработке в составе роторной линии.
Публикации. Результаты исследования опубликованы в 1 патенте на полезную модель и в 14 статьях, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Содержание работы Во введении обосновывается актуальность исследования, приведена научная новизна работы, сформулированы цель и задачи исследования.
В первой главе приведена история развития роторных машин и линий и анализ современного состояния методов синтеза механизмов, входящих в состав роторной линии, а также проблемы повышения производительности роторных линий.
Проектирование съемных механизмов роторной линии основывается на методах синтеза теории механизмов и машин, основа которых заложена в трудах П.Л.
Чебышева. Методы синтеза развивались Н.И. Левитским, Ю Л. Саркисяном, С.А.
Черкудиновым. Л.Н. Кошкин и Г.А Шаумян внес большой вклад в развитие роторных машин и линий, создал теоретические основы расчета и проектирования всех основных узлов и механизмов роторных машин.
Дальнейшими разработками в области автоматических роторных линий занимаются ряд ученых: Н.В. Волков (разработка и классификация роторов с механическим приводом); В.И Лукьянов, В.В. Хмелевский (разработка методик проектирования роторов с гидравлическим приводом); П.Н. Сиротин, С.В. Романенко, П.Е.
Майоров, Г.В. Комаров (проектирование технологических роторов); И.А. Недорезов, и Г. С. Хмелевская (разработка контрольных роторов); И.И. Гринберг, В.И. Коновалов (конструкции и методики определения основных параметров роторноцепных машин); П.Е. Майоров (механизмы загрузки предметов обработки) и др.
.И. Волчкевич, М.М. Кузнецов и Б.А. Усов разработали структурные модели автоматических линий, основные положения теории производительности и надежности роторных машин. Межоперационной передачей, классификацией и разработкой различных конструкций приемно-передающих механизмов и устройств занимался Е.Н. Фролович.
В настоящее время общепризнано, что потери технического вида на автоматической роторной линии можно снизить за счет ввода автоматических контрольных операций: размещение контрольных роторов или установки на транспортных роторах автоматических контрольных механизмов с механизмами съема.
Существующие методы проектирования механизмов съема дают лишь рекомендации для разработки безударного профиля съемника и не рассматривают законы изменения положения, угла поворота, скоростей и ускорений предмета обработки в захватном органе.
Вопросам синтеза кулачковых механизмов посвящены многочисленные научные исследования как у нас в стране, так и за рубежом. (Н.И. Левитский, В.Д. Попов, Ю.А. Матвеев, Е.А. Лариков и др.). Тем не менее, методы синтеза плоских, спиральных и объемных кулачковых механизмов применимы к разработке механизмов съема в ограниченной мере.
Выбор структуры целесообразно вести с применением методов функциональностоимостного анализа, разработанного в трудах Н.К. Моисеевой, М.Г. Карпунина, В.Н. Гринберга.
Во второй главе приводится классификация механизмов съема по наличию или отсутствию связи с АРЛ, уровню автоматизации (автоматический или неавтоматический механизм), виду механизма (с низшими или высшими кинематическими парами: рычажный, кулачковый, зубчатый, фрикционный; без трансмиссии), расположению механизма съема относительно русла АРЛ (радиальный, тангенциальный, осевой) и результаты функционально-структурного анализа и синтеза механизмов съема. Классификация съемных механизмов роторной линии представлена в табл. 1.
Функционально-структурная модель съемного механизма и АРЛ представлены на рис. 1, состав функций приведен в табл. 2.
а б Рис. 1. Функционально-структурная модель:
а - роторной линии; б - механизмов съема Таблица Классификация съемных механизмов роторной линии тип механизма рычажные кулачковые зубчатые фрикционные без трансмиссии рад. M1.1 Х M2.1 С M3.1 С M4.1 X M5.1 Х автотан. M1.2 Х M2.2 С M3.2 С M4.2 X M5.2 Х мат.
ос. M1.3 Х M2.3 С M3.3 С M4.3 X M5.3 Х рад. M1.4 Х M2.4 С M3.4 С M4.4 X M5.4 Х не авто- тан. M1.5 Х M2.5 С M3.5 Р M4.5 X M5.5 Х мат.
ос. M1.6 Х M2.6 С M3.6 С M4.6 X M5.6 Х рад. M1.7 Х M2.7 Р M3.7 С M4.7 С M5.7 Х автотан. M1.8 Х M2.8 С M3.8 С M4.8 С M5.8 Х мат.
ос. M1.9 Х M2.9 С M3.9 С M4.9 С M5.9 Х рад. M1.10 Х M2.10 Р M3.10 С M4.10 С M5.10 Х не авто- тан. M1.11 Х M2.11 С M3.11 С M4.11 С M5.11 Х мат.
ос. M1.12 Х M2.12 С M3.12 С M4.12 С M5.12 Х рад. M1.13 С M2.13 С M3.13 С M4.13 X M5.13 С автотан. M1.14 С M2.14 С M3.14 С M4.14 X M5.14 С мат.
ос. M1.15 С M2.15 С M3.15 С M4.15 X M5.15 С рад. M1.16 С M2.16 С M3.16 С M4.16 X M5.16 С не авто- тан. M1.17 С M2.17 С M3.17 С M4.17 X M5.17 С мат.
ос. M1.18 С M2.18 С M3.18 С M4.18 X M5.18 С рад. M1.19 П M2.19 Р M3.19 Р M4.19 С M5.19 С автотан. M1.20 Р M2.20 С M3.20 С M4.20 С M5.20 С мат.
ос. M1.21 С M2.21 С M3.21 С M4.21 С M5.21 С рад. M1.22 С M2.22 С M3.22 С M4.22 С M5.22 С не авто- тан. M1.23 С M2.23 С M3.23 С M4.23 С M5.23 С мат.
ос. M1.24 С M2.24 С M3.24 С M4.24 С M5.24 С Условные обозначения:
Мi.j - классификационный индекс структурной схемы механизма;
Х - реализация структурной схемы в настоящее время не возможна;
С - существующая структурная схема съемного механизма;
Р - разработанная структурная схема съемного механизма;
П - разработанная и запатентованная структурная схема съемного механизма;
рад. - съем заготовки в радиальном направлении (поперек русла);
тан. - съем заготовки в тангенциальном направлении (вдоль русла);
ос. - съем заготовки в осевом направлении (перпендикулярно плоскости русла).
Методика синтеза структурных схем съемных механизмов роторной линии, основанная на их функционально-структурной модели и классификации, состоит из следующих этапов.
1. На первом этапе на основе функционально-структурной модели и классификации синтезируется ряд новых структурных схем съемных механизмов. Данный этап проходит в три шага.
1.1. Для синтезируемого механизма на основе функционально-структурной модели и классификации выбираются виды структурных элементов, соответствующие классификационной ячейке, такие как привод, механизм кинематической связи с ротором АРЛ, выбрасыватель, трансмиссия. Основное внимание при структурном синтезе уделяется приводу и выбрасывателю - структурным элементам, выполняющим основную функцию ОФ1 и ОФ2, а также функции III уровня.
инерционный связью с АРЛ с кинематической ный не инерционинерционный связи с АРЛ без кинематической ный не инерционТаблица Состав функций механизмов съема Уровень Индекс Наименование функции модели функции I ГФ Съем заготовки ОФ1 Передача энергии выбрасывателю ОФ2 Смена траектории движения заготовки II ОФ3 Определение номера заготовки в соответствии с инструментальным блоком ОФ4 Сортировка заготовок Ф11 Преобразование энергии в механическую работу Ф12 Передача усилий и перемещений от двигателя выбрасывателю Ф13 Управление двигателем Ф21 Удержание элементов выбрасывателя III Ф22 Гашение колебаний и удара Ф23 Снижение трения Ф41 Смена траектории движение заготовки после съема Ф42 Ориентирование заготовок Ф43 Вывод заготовки с рабочей зоны в зону контроля 1.2. Рассматривается вариант интеграции структур съемного механизма с АРЛ.
В частности, при синтезе механизма выборочного съема можно идти по пути совмещения нескольких функций в одной структуре.
Например, кулачок АРЛ транспортного ротора, выполняющий функцию поворота заготовки, может в тоже время выполнять функцию приведения в действие выбрасывателя съемного механизма. В таком случае для работы съемного механизма будет задействован двигатель АРЛ и объемный кулачок транспортного ротора.
1.3. Выбираются структурные элементы на основе функционально-структурной модели съемного механизма и АРЛ по наибольшему вкладу в выполняемую ими функцию (табл. 3).
Таблица Вклады материальных элементов в выполнение функций функция Материальный элемент Вклад материального элемента в выполнение функции ГФ Механизм съема Относительное время срабатывания kt =0,1ЕОФ1 Привод Коэффициент полезного действия =15-35% ОФ2 Выбрасыватель Скорость срабатывания (S/t)/Vдоп=0,8Е0,ОФ3 Механизм счета Надежность Р = 0,ОФ4 Бункер приемник Полезный обьем Vлотков/Vбункера) 1,5ЕФ11 Двигатель Запас по необходимому усилию n =1,2ЕФ12 Трансмиссия Коэффициент полезного действия =80-95% Коэффициент времени срабатывания систем управлеФ13 Управление ния/исполнительных систем k = 0,1ЕФ21 Корпус выбрасывателя Запас прочности n =1ЕФ22 Демпфер Коэффициент поглощения энергии, Eп/E=0,1Е0,Ф23 Подшипник Коэффициент трения 0,05Е0,Снижение скорости потока. Vсредняя в ориентаторе/Vдвижения Ф41 Улавливатель = 0,5Е0,заготовки по лотку Тангенс угла между векторами скорости заготовки до и Ф42 Ориентатор после удара tg = 0,3Е0,Ф43 Лоток Проходимость (Sпроходного отв./Sнаибольшая заготовки) 1,2Е2. На втором этапе проводится анализ эффективности всего ряда синтезированных и существующих структурных схем. Выбирается структурная схема с самой высокой суммарной оценкой.
Синтезированные структурные схемы, получившие наибольшую оценку, представлены на рис. 2.
M2.10 M2.M1.20 M1.P2.10=74 P2.7=P1.20=75 P1.19= M2.19 M3.20 M3.P2.19=77 P3.20=71 P3.5=Рис. 2. Синтезированные схемы съемных механизмов (обозначения по табл. 1) На основании оценки каждого съемного механизма в отдельности произведена оценка видов съемных механизмов (табл. 4).
Таблица Средняя суммарная оценка видов съемных механизмов Вид съемного Количество Условное Значение средней механизма механизмов, n обозначение суммарной оценки, % Pp Рычажные 12 Кулачковые 24 PK PЗубчатые 24 PF Фрикционные 12 Pm Без трансмиссии 12 Таким образом, наиболее рациональной структурной схемой механизма съема роторной линии является синтезированная схема M1.19 из табл. 1 (рис. 3). На предложенную схему получен патент РФ на полезную модель № 101435.
Рычажный электромеханический съемник превосходит по скорости срабатывания механизмы с другими приводами, а выполненный совместно с механизмом счета позволяет максимально упростить механическую часть конструкции. Сравнительно небольшие габариты составляющих механизма позволяют разместить его в ограниченном пространстве.
Окончательное решение о выборе той или иной структурной схемы принимается после параметрического синтеза.
г) д) Рис. 3. Рычажный автоматический механизм съема:
a) начальное положение механизма, приведенного в движение; б) схема работы улавливателя;
в) схема работы выбрасывателя; г) расчетная схема для определения скорости срабатывания;
д) расчетная схема для определения динамической нагрузки:
1 - улавливатель (выбрасыватель); 2 - изделие; 3 - клещевой захватный орган; 4 - барабан;
5 - транспортный ротор; 6 - лоток; 7 - рычаг; 8 - пружина сжатия; 9 - кронштейн;
10 - сердечник электромагнита; 11 - электромагнит; 12 - упор; 13 - соединитель;14 - станина; - русло; 16 - захватный орган; 17 - улавливатель; 18 - изделие; 19 - выбрасыватель Третья глава посвящена разработке методики параметрического синтеза съемных механизмов. На этом этапе синтеза определяются параметры выбранной схемы механизма по заданным динамическим свойствам.
В качестве целевой функции выбрано относительное время срабатывания выбрасывателя съемного механизма:
l / R kt , (1) SB /VB(t) где VB (t) - скорость выбрасывателя; l - длина дуги русла транспортного ротора, на котором производиться съем изделия; - угловая скорость ротора, характеристика роторной линии; R - радиус кривизны русла транспортного ротора; SB - рабочий ход выбрасывателя.
Здесь необходимо уточнить, что функция V = V(t) будет зависеть от типа электромагнита, характеристики механизма возврата и длин звеньев рычага съемного механизма. Усилие на электромагните - также переменная функция и зависит от положения якоря электромагнита: F = F(x).
Исходя из дополнительных требований, предъявляемых к съемным механизмам, дополнительные условия синтеза в математической форме можно сформулировать следующим образом: [], b [b], kt 1 где - коэффициент динамичности при ударе выбрасывателя об заготовку; [] - допускаемый коэффициент динамичности; b - габаритный размер съемного механизма и [b] - расстояние между транспортным ротором и ограждением линии.
Найти минимальное значение целевой функции (1) можно, проведя динамический анализ съемного механизма. Математическая модель составлялась с помощью теоремы об изменении кинетической энергии механизма и теории удара. Приняты следующие допущения: соударяемые тела идеально упругие, деформация в упругих соударяемых телах происходит мгновенно; трение в кинематических парах отсутствует. Расчетная схема приведена на рис. 3, г, д.
Из теоремы об изменении кинетической энергии механизма определены коэффициент динамичности и динамическая нагрузка, возникающая при ударе:
2 Fпрh I0пр2 1 1 EI Х I Yдин 0пр дин ст ; Fдин Fпр ;
1 1 W Fпрh3 , Yст FпрYст где I0пр - приведенный момент инерции выбрасывателя; - угловая скорость выбрасывателя в момент удара; Yст и Yдин - величина статической и динамической деформаций изделия; Fпр - сила воздействия со стороны выбрасывателя на заготовку;
IХ - главный центральный момент инерции сечения изделия; h - выступающая часть заготовки; W - момент сопротивления сечения.
Угловая скорость рычага выбрасывателя определяется из решения дифференциального уравнения вращательного движения рычага съемного механизма:
I0пр F (t)lOA cos GlOC sin c(s0 lOD sin )lOD, (2) где F(t) - сила тяги якоря электромагнита; G - сила тяжести рычага съемного механизма; FY - сила упругости возвратного механизма; с - жесткость пружины механизма возврата; s0 - начальное растяжение пружины; lOA, lOC, lOD - длины участков рычага; - угол поворота рычага съемного механизма.
Принимая допущения (линейный закон изменения тягового усилия на якоре электропривода, разложение тригонометрических функций в степенные ряды Тейлора, пренебрежение силой тяжести), получено аналитическое решение дифференциального уравнения (2):
(F0lOA cs0lOD ) / IO t e / IO t e 2 ;
2 (3) F0lOA cs0lOD / IO t / IO t e e .
2 I O (4) F1 F0 2 lOA clOD где.
l Решение дифференциального уравнения позволяет определить коэффициент динамичности и динамическую нагрузку на изделие:
Fпрh EI I0 (F0lOA cs0lOD )lOB e / IO t / IO t Х дин 1 1 e , (5) W Fпрh3 2 IO (F0lOA cs0lOD ) e / IO t / IO t Fпр e где.
2lOB Таким образом, в ходе динамического анализа съемного механизма получены аналитические зависимости, которые позволили разработать методику параметрического синтеза съемных механизмов АРЛ, состоящей из следующих этапов.
1. Задаемся входными параметрами.
1.1. Задаемся длинами рычагов съемного механизма и ходом выбрасывателя, исходя из дополнительного условия синтеза, габаритов механизма:lOВ, lOА, lOD, sO, .
1.2. Задаемся характеристиками заготовки, захватных органов на данном участке русла транспортного ротора, а так же допускаемой динамической нагрузкой на заготовку: l, h, IX, WX, E, []n.
1.3. Исходя из режимов работы АРЛ, задаемся допускаемым временем срабатывания съемного механизма Ч [t].
1.4. Задаемся тяговыми характеристиками ряда серийных образцов линейных электродвигателей и жесткостью возвратных механизмов, исходя из жесткости пружин захватных органов: F, с Следует учесть, что момент, создаваемый возвратным механизмом, не должен быть меньше рабочего момента для своевременного возврата выбрасывателя в исходное положение: F lOA >FYlOD>0,5F lOA.
2. Используя уравнение (3), определяем влияние параметров съемного механизма на время его срабатывания t и исключаем конструкции, не удовлетворяющие основному требованию - времени срабатывания. Рассчитываем целевую функцию kt.
3. Используя уравнение (4), определяем влияние параметров механизма на угловую скорость рычага и скорость выбрасывателя съемного механизма соответственно: , V. Данная зависимость необходима для дальнейшего расчета динамической нагрузки в случае удара выбрасывателя об заготовку.
4. Используя уравнение (5), определяем предполагаемое динамическое напряжение заготовки в случае удара выбрасывателя съемного механизма о заготовку.
5. Из полученных вариантов выбираем механизм, удовлетворяющий основному и дополнительным условиям синтеза.
Пример параметрического синтеза рычажного автоматического неинерционного механизма съема по приведенной выше методике:
1.1. lOВ = 0,15 м; lOА = 0,05 м; lOD = 0,05 м; sO = 0,05 м; = 5.
1.2. l = 0,003 м, h = 0,21 м; IX = 55 мм4; WX = 9 мм3; E = 21011 Па; []n = 105 МПа.
1.3. [t] = 0,7 c.
1.4. F01 = 10 H; F02 = 30 H; F03 = 60 H; F04 = 80 H; с01 = 100 H/м; с02 = 300 H/м; с= 600 H/м; с01 = 800 H/м.
2. t1 = 0,11 c, t2 = 0,46 c, t3 = 0,81 c, t4= 1,2 c.
На рис. 5, а видно, что только съемники 1 и 2 отвечают требованиям по времени срабатывания. Съемники № 3 и 4 требуют доработки: уменьшения рабочего угла за счет увеличение длинны плеча lOB.
3. 1 = 0,38 c-1, 2 = 0,33 c-1, 3 = 0,30 c-1, 4 = 0,27 c-1. (рис. 5, б).
4. 1 = 120 МПа, 2 = 98 МПа, 3 = 87 МПа, 4= 72 МПа.
5. Совместное рассмотрение уравнений (4) и (5) представлено на рис. 6. Из рассмотренных съемных механизмов (рис. 6, а) требованию по динамической нагрузки удовлетворяют съемные механизмы № 2, 3 и 4, но, как было показано ранее, съемники 3 и 4 не удовлетворяют требованию по времени срабатывания (рис. 6, а). Всем требованиям, предъявляемым к параметрам автоматического съемного механизма выборочного съема, соответствует только съемник № 2.
Таким образом, используя разработанную методику, синтезированы параметры съемного механизма, превосходящего аналоги по времени срабатывания (определяется целевой функцией kt) на 38% и обладающего коэффициентом динамичности , меньшим аналогичных на 20%: =1,9; kt = 0,71.
а б Рис. 5. Положение рычага съемного механизма (а); изменение угловой скорости рычага съемного механизма (б): t2, t3 и t4 - время срабатывания механизмов а б Рис. 6. Изменение предполагаемой динамической нагрузки в случае удара выбрасывателя съемного механизма о заготовку (а) в зависимости от положения рычага съемного механизма (б): []n - допускаемое динамическое напряжение; [t] - допускаемое время срабатывания; 1, 2, 3 и - время срабатывания съемных механизмов Для проектирования пространственного кулачкового выбрасывателя съемного механизма разработана математическая модель, учитывающая движение точек заготовки, взаимодействующих с плоскостями выбрасывателя съемного механизма и захватным органом. Положение точек заготовки определяется как пересечение плоскости кронштейна с плоскостями выбрасывателей съемника во время съема изделия (рис. 7).
Уравнение плоскости кронштейна, в которой производится съем изделия, выводится из канонического уравнения плоскости Ax+By+Cz+D=0, откуда l1l2(xcoscos ysincos zsin) . (6) В уравнениях и на расчетной схеме приняты следующие обозначения: li - параметры транспортного ротора; ', '' - угловые параметры транспортного ротора; k1, k2, - параметры выбрасывателя съемного механизма; , Цуглы поворота захватного органа в неподвижной системы координат; xi; yi; zi - координаты общих точек заготовки с захватным органом и плоскостями выбрасывателя; VXi; VYi; VZi - скорости точек; аXi; аYi;
аZi - ускорения точек; 1; 2 - относительный угол поворота заготовки в случае одностороннего и двустороннего выбрасывателя; 1; 2; 1; ; - относительная угловая скорость и угловое ускорение заготовок в случае одностороннего и двустороннего выбрасывателя.
Рис. 7. Расчетная схема кулачкового выбрасывателя съемного механизма Составляя уравнения первой и второй кривой выбрасывателя, координат общей точки заготовки и захватного органа, получаем систему уравнений:
k2 xB1i ti )(xB1i costi sin tik3 sin l l1 cos(k cos sin ti l5 xB1i ) sin(kti )(xB1itg l4 ) 0;
cos (7) xB1i k2 xB1i yB1i l5 k1 sin ;
cos cos (xB1i tg l4 ).
zB1i Аналогично определяется положение угла наклона заготовки в захватном органе:
m1m2 n1n2 p1 p, arccos 2 2 2 2 2 (8) m1 n1 p1 m2 n2 p2 где m1, m2, n1, n2, p1, p2 - переменные, определяемые из канонического уравнения прямой:
x x2 y y2 z zx x1 y y1 z z ; , m1 n1 p1 m2 n2 pгде m1(t) = B1X(t) - AX(t); n1(t)=B1Y(t) - AY(t); p1(t) =B1Z(t) - AX(t); m2(t) = l1sin(t);
n2(t) = l1cos(t); p2(t) = 0.
Методика определения скоростей и ускорений точек заготовки основана на уравнениях (7) и (8) для двух возможных вариантов: одна и две плоскости выбрасывателя.
В качестве примера реализации методики приведем параметрический синтез кривой кулачкового выбрасывателя синтезированного выше механизма съема.
1. Задаемся входными параметрами согласно расчетной схеме: l1= 60 мм; l2= 30 мм; l3 = 60 мм; l4 = 40 мм; l5 = 120 мм; l6 = 20 мм; k= 3 - параметры механизмов транспортного ротора; '= 0,4 с-1; ''= 0,4 с-2 - угловые параметры транспортного ротора; k1= 15 мм; k2 = 0,01 мм; = /10 Цпараметры выбрасывателя съемного механизма.
2. С помощью уравнений (7) определяем траектории движения точек заготовки, на всем участке съема. Получаем графическое представление изменения координат точек заготовки с течением времени: xА; yА; zА; xВ1; yВ1; zB1; xВ1; yВ1; zB1.
На данном этапе окончательно выбирается количество выбрасывающих плоскостей, исходя из длины заготовки; проверяются возможные ошибки проектирования (столкновение выбрасывателей с захватным органом) (рис. 8).
Для двухплоскостного выбрасывателя на данном этапе определяется время покидания заготовки захватный орган, исходя из конструкции захватного органа и геометрической формы заготовки.
Анализ расстояния между точками заготовки, взаимодействующими с выбрасывателем и захватным органом, позволяет сделать вывод о применении одного или двух плоскостей выбрасывателя, исходя из общей длины заготовки (рис. 9).
3. Используя уравнение (8), определяем угловое положение заготовки в захватном органе с течением времени: 1; 2. Определяется время покидания заготовки захватного органа исходя из конструкции захватных органов и заготовки (рис. 12).
Рис. 8. Изменение положения точек Рис. 9. Изменение расстояния между точками заготовки в процессе съема заготовки, взаимодействующими с выбрасывателем и захватным органом Для однопрофильного выбрасывателя время покидания заготовки захватного органа определяется углом , в рассматриваемом случае =30, tc=0,35c.
4. Дифференцируя уравнение (7), определяем законы изменения скоростей точек заготовки:VXA; VYA; VZA; VXB1; VYB1; VZB1; VXB2; VYB2; VZB2. Эти данные необходимы для проектирования лотка-магазина (рис. 10).
5. Дифференцируем уравнение (8) для определения угловой скорости и ускорения заготовки в захватном органе: 1; 2; 1; 2. Они определяют ориентацию заготовки при движении по лотку-магазину. Здесь видно преимущество двухплоскостного съемника - угловая скорость близка к нулю. Следовательно, можно избежать установки ориентатора (рис 12).
6. Для определения реакций на захватных органах методом кинетостатики дифференцируем законы, полученные в п. 4, и определяем ускорения соответствующих точек заготовки (рис. 11): аXA; аYA; аZA; aXB1; aYB1; aZB1; aXB2; aYB2; aZB2.
Таким образом, в результате применения методики параметрического синтеза, основанной на математической модели кривой кулачкового выталкивателя, получены параметры двухплоскостного съемника, имеющего преимущества перед одноплоскостным и позволяющего исключить ориентатор из структурной схемы контрольного механизма АРЛ.
Рис. 10. Скорости точек заготовки Рис. 11. Ускорения точек заготовки Рис. 12. Угловое положение, угловая скорость и угловое ускорение заготовки В четвертой главе приведены результаты экспериментальной работы. Целью создания экспериментального стенда была проверка функционирования синтезированной структурной схемы съемного механизма в составе транспортного ротора с механизмом смены уровня русла и обоснование методики расчета скорости и ускорения заготовки на момент покидания захватного органа.
Определены критерии подобия, соблюдение которых необходимо для проектирования экспериментальной установки и проведения экспериментов - критерии Ньютона и Струхаля.
Общий вид экспериментального стенда представлен на рис. 13, фотографии стенда - на рис. 14, 15, результаты экспериментов - на рис. 16.
Рис. 13. Экспериментальная модель съемного механизма:
1 - основание; 2 - плита; 3 - упорное кольцо; 4 - корпус нижний; 5 - приводной вал;
6 - центрирующий фланец; 7 - радиальные подшипники; 8 - упорный подшипник;
9 - гайка; 10 - ось ступенчатого колеса;
11 - прокладка регулировочная;
12 - ступенчатое колесо; 13 - резиновый обод; 14 - прижимная втулка; 15 - крышка;
16 - верхний корпус; 17 - составной вал;
18 - втулка; 19 - кольца; 20 - диск;
21 - кронштейн; 22 - колесо;
23 - держатель; 24 - прокладка; 25 - губки;
26 - пружина растяжения; 27 - заготовка;
28 - выбрасыватель Рис. 14. Основные узлы экспериментальной модели:
Рис. 15. Экспериментальная 1 - основание; 2 - нижний корпус с осью в сборе;
модель, общий вид 3 - верхний корпус; 4 - составной вал с подшипниками;
5 - кронштейн с колесом и захватным механизмом;
6 - выбрасыватель; 7 - колесо ступенчатое Ход эксперимента фиксировался на две видеокамеры, расположенные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, обработка наблюдений проводилась на компьютере. Для ведения замеров в вертикальной плоскости нанесена ортогональная сетка, в горизонтальной плоскости на плиту модели нанесена радиальная сетка. Определена абсолютная погрешность косвенных измерений для линейных и угловых размеров: l = 0,19 мм, = 1,16.
Рис. 16. Положение общих точек заготовки с захватным механизмом А и с кривой выбрасывателя В:
А1, В1 - расчет; А2, В2 - эксперимент; tC - время покидания заготовкой захватного механизма В результате экспериментов подтверждена адекватность математической модели движения заготовки под действием выбрасывателя. Замеры положения общих точек заготовки и кривой выбрасывателя, углового положения заготовки в захватном органе показали хорошую сходимость эксперимента и расчета: расхождение не превышает 7 %.
Таким образом, экспериментально подтверждены функционирование съемного механизма и методика динамического синтеза съемного механизма.
В заключении подводятся итоги диссертации, приводятся основные результаты и формулируются следующие выводы.
1. Показана результативность методов функционально-структурного анализа в создании методики структурного синтеза механизмов съема АРЛ. На основе анализа функциональных связей механизмов съема и АРЛ предложены их функциональноструктурные модели. Выявлены классификационные признаки механизмов съема:
вид связи с АРЛ, уровень автоматизации, вид механизма, расположение механизма съема относительно русла АРЛ и создана классификация механизмов съема. Показано, что классификация охватывает как существующие механизмы съема, так и ряд новых механизмов и указывает на возможность их реализации.
2. Предложена методика структурного синтеза механизмов съема, основанная на функционально-структурных моделях АРЛ и механизмов съема и их классификации.
Из ряда синтезированных структурных схем выявлена наиболее перспективная структурная схема пространственного кулачкового съемного механизма. Установлено, что синтезированный пространственный кулачковый механизм съема наиболее полно выполняет основные функции и отвечает требованиям по скорости срабатывания и соответствия циклу работы АРЛ с механизмом смены уровня русла.
3. Предложена методика параметрического синтеза механизма съема, основанная на математической модели динамики движения выбрасывателя. Показано, что методика позволяет получить параметры механизма съема в соответствии с целевой функцией (относительным временем срабатывания механизма kt) с учетом дополнительных условий синтеза - допускаемой динамической нагрузкой и ограничением по габаритам. Установлено, что синтезированный с помощью методики механизм съема превосходит свои аналоги по относительному времени срабатывания kt на 38% и обладает уменьшенным коэффициентом динамичности на 20%: kt = 0,71; = 1,9.
4. На основе математической модели кривой пространственного кулачкового выталкивателя создана методика синтеза параметров механизма съема, применимого для снятия заготовок в рабочей зоне транспортного ротора с механизмом смены уровня русла. Выявлено преимущество двухплоскостного съемника, имеющего угловую скорость заготовки, близкую к нулю, что позволяет исключить ориентатор из структурной схемы контрольного механизма АРЛ. Установлено, что оснащение АРЛ с двумя транспортными роторами съемными механизмами с пространственным кулачковым выбрасывателем позволяет снизить уровень внецикловых потерь на 9%.
5. Теоретически и экспериментально обоснована работоспособность синтезированной схемы механизма. Результаты экспериментов показывают совпадение расчетных и экспериментальных данных с расхождением, не превышающим 7%, что позволяет рекомендовать выбранный и обоснованный вариант неинерционного автоматического механизма съема для изготовления опытного образца.
6. На синтезированную схему механизма съема получен патент РФ. Результаты исследования использованы на ОАО Научно-исследовательский технологический институт Прогресс при анализе и выборе основных параметров механизма выборочного съема и его разработке в составе роторной линии.
Таким образом, на основе рассмотрения функциональных и динамических связей механизмов съема и АРЛ разработана методика структурно-параметрического синтеза механизмов съема, применимых в рабочих зонах смены уровня русла и обладающих улучшенными скоростными и динамическими характеристиками, что дает снижение внецикловых потерь времени на АРЛ и уменьшает повреждаемость заготовок.
Результаты исследования отражены в следующих публикациях:
Патент 1. Пат. на полезную модель 101435 РФ, МПК B65G 47/82. Устройство конвейерного выбрасывателя / И. С. Аленченков А. Э. Пушкарев. - № 2010118816/11; Заявлено 11.05.2010. - Опубл. 20.01.2011. - Бюл. № 2. - 2 с.
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Аленченков И. С. Функционально-структурный анализ и синтез механизмов роторной линии / И. С. Аленченков, А. Э. Пушкарев // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2011. - № 2. - С. 7Ц11.
2. Аленченков И. С. Проектирование кинематических схем механизмов роторной линии / И. С. Аленченков, А. Э. Пушкарев // Интеллектуальные системы в производстве. - 2012. - № 1 - С. 95Ц101.
3. Аленченков И. С. Динамическая модель контрольных механизмов роторных линий / И. С. Аленченков, А. Э. Пушкарев // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2012. - № 2. - С. 7Ц10.
Статьи в сборниках материалов конференций 4. Аленченков И. С. Использование функциональной и структурной модели роторной линии для выбора механизма съема // Будущее машиностроение России:
Электрон. сб. тр. второй всеросс. конф. молодых ученых и специалистов (21Ц25 сентября 2009 г). [Электронный ресурс] - М.: МГТУ им Н.Э.Баумана, 2009. 1 электрон.
опт. диск (CD-ROM) №0320901785.
5. Аленченков И. С. Механизмы съема роторной линии // Наука. Технологии.
Инновации: матер. всерос. науч. конф. молодых ученых (4Ц5 декабря 2009г., Новосибирск). В 7 ч. Ч. 3. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. - С. 5Ц7.
6. Аленченков И. С. Механизмы съема роторной линии // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образованииТ2009: сб.
науч. тр. по матер. междунар. науч.-практич. конф. (21Ц28 декабря 2009 г., Одесса).
Том 3. Технические науки - Одесса: Черноморье, 2009. ЦС. 27Ц30.
7. Аленченков И. С. Механизмы контроля продукции роторных линий // Научное обеспечение инновационного развития АПК: матер. всерос. науч.-практич. конф.
(16Ц19 февраля 2010 г., Ижевск). В 4 т. Т. 3. - Ижевск : ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2010. - С. 144Ц149.
8. Аленченков И. С. Выбор оптимального варианта контрольных механизмов роторной линии // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов: матер.
IX всерос. науч.-технич. конф. студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых (16 апреля 2010 г., Тула). - Тула : Изд-во ТуГУ, 2010. - С. 4 - 8.
9. Аленченков И. С. Рычажный электромеханический съемник для автоматических линий. Расчет динамической нагрузки // ЛомоносовЦ2010: матер. междунар.
молод. науч.о форума (12Ц15 апреля 2010 г). [Электронный ресурс] - М.: МАКС Пресс, 2010. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) ISBN 978-5-317-03197-8.
10. Аленченков И. С. Синтез контрольных механизмов роторной линии // Проблемы исследования и проектирования машин: сб. статей VI междунар. науч.-технич.
конф. (ноябрь 2010 г., Пенза). - Пенза: Приволжский дом знаний, 2010. - С. 45Ц47.
11. Аленченков И. С. Автоматизация контрольных процессов роторных линий // Наука. Технологии. Инновации: матер. всерос. науч. конф. молодых ученых (3Ц5 декабря 2010г., Новосибирск). В 4 ч. Ч. 2. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2010. - С. 248Ц249.
12. Аленченков И. С. Механизмы съема роторной линии // Наука и молодеж: проблемы, поиски, решения: тр. всеросс. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (май 2011 г., Новокузнецк). - Новокузнецк: СибГИУ, 2011. - С. 261Ц267.
13. Аленченков И. С. Механизмы контроля роторных линий // Современное машиностроение. Наука и образование : матер. междунар. науч.-практич. конф. (14Циюня 2011 г., Санкт-Петербург). - С-Пб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. - С. 120 - 127.
14. Alenchenkov I. S. Removal mechanisms of rotary line // Second forum of young researchers. In the framework of international forum "Education quality Ц2010" (April 22, 2010, Izhevsk). - Izhevsk: Publishing House of ISTU, 2010. - pp. 179Ц183.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям