автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.03, диссертация на тему:Вихревые струйные захватные устройства для автоматической загрузки технологического оборудования

.. г- ^ На правах рукописи

V \ 0

Конищева Ольга Васильевна

Вихревые струйные захватные устройства для автоматической загрузки технологического оборудования

05.02.03 - системы приводов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 1998

Работа выполнена в Красноярском государственном техническом университете.

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор C.B. Каверзин; кандидат технических наук, профессор Е.Г. Синенко

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор В.К. Андреев; кандидат технических наук, доцент В.П. Зайцев

Ведущая организация: ГП "Красмаш" г. Красноярск

Защита состоится "/■/" â^/. 1998 г. уЖ'Со^ аудитории Г2-22 на заседании диссертационного совета К. 064.54.02 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, Красноярск, ул. Киренского, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Просим выслать отзыв на автореферат по выше указанному адресу диссертационного совета в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью.

Автореферат разослан 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ,

К_™„К ^ П.М. Кондратов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время по-прежнему остается актуальной задача автоматизации вспомогательных технологических операций. Зачастую применение механических схватов становится нерациональным и экономически невыгодным, а иногда и просто неприемлемым в силу следующих причин: повреждаемость деталей, громоздкость, сложность кинематического движения, трудность при работе с листовыми заготовками и т. д. Применение вакуумных захватных устройств (ЗУ) имеет свои трудности: необходимость герметичности соединений; необходимость отсутствия частиц между поверхностями; требование ровной и плоской поверхности; невысокое быстродействие; разрушение резиновых уплотнений при воздействии окружающей среды (влаги, масел, высоких и низких температур); возможность разрушения вакуумом хрупких объектов; пониженная точность базирования из-за эластичности присосок и т. д. Магнитные и электромагнитные ЗУ имеют также ограниченное применение вследствие того, что они могут работать только с деталями из магнитных материалов; имеют значительную массу; вероятен остаточный магнетизм, что приводит к загрязнению поверхности; необходим дополнительный манипулятор для снятия деталей в случае использования магнитных ЗУ; возникают затруднения при работе с горячими заготовками.

Вихревые струйные захватные устройства (ВСЗУ) не имеют вышеперечисленных недостатков, они могут работать с любыми материалами, при любой температуре заготовки и с заготовками разной конфигурации. По сравнению со струйными ЗУ ВСЗУ позволяют обеспечить более высокую грузоподъемность и менее подвержены влиянию шероховатости поверхности захватываемой детали. Кроме этого применение таких устройств позволяет совместить решение задачи захвата и транспортирования объекта с ре-

шением других важных задач, а именно: ориентация произвольно лежащего объекта, очистка его поверхности, охлаждение и др.

Цель исследования. Определение оптимальных условий работы вихревых струйных захватных устройств, а именно: определение оптимального зазора, при котором достигается максимальное разряжение в зоне контакта с захватываемым объектом, а также оптимизация их конструктивных и режимных параметров.

Научная новизна. Определены рациональные схемные решения, позволяющие создать простые и технологичные конструкции захватных устройств. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена целесообразность использования ВСЗУ в качестве средств автоматизации загрузки технологического оборудования. Исследованы режимные и геометрические параметры ВСЗУ и влияние их на эксплуатационные характеристики. Предложена методика оптимизации параметров ВСЗУ. В лабораторных условиях показана возможность повышения подъемной силы и расширения эксплуа-тациоиных возможностей средств загрузки при использовании ВСЗУ.

Практическая ценность работы. Разработаны рациональные конструкции ВСЗУ, позволяющие использовать их для изделий, имеющих неровную поверхность, преимущественно листовых, сменность насадок и вставок позволяет создать универсальные конструкции для захватывания изделий различной формы. Разработана методика расчета на компьютере статических и динамических характеристик, выяснен характер влияния различных геометрических и режимных параметров на эффективность работы ВСЗУ. Определены наиболее значимые геометрические параметры для задачи оптимизации, показано наличие частных оптимальных решений.

Реализация работы. Методика расчета и проектирования ВСЗУ передана для использования в НПО «Прикладная механика» и «СибНИИстройдормаш», что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на Московской городской конференции "Роботы и их применение в народном хозяйстве" (Москва, 1987 г.); межвузовской конференции аспирантов, соискателей и студентов "Молодежь и наука - третье тысячелетие" (Красноярск, 1996 г.); научно-технической конференции в Сибирском теплотехническом научно-исследовательском институте ВТИ "Использование методов математического моделирования в котельной технике" (Красноярск, 1996 г.); на научных семинарах кафедры "ГП и ГПА" Московского станкоинструменталь-ного института (1985-87 г.) и Красноярского государственного технического университета (1997 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 1 авторское свидетельство, 1 положительное решение о выдаче патента на изобретение, 5 статей, 3 тезиса докладов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 98 наименований. Работа изложена на 162 страницах, включая 92 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, научная новизна работы и положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе отражено состояние, существующее в области средств загрузки технологического оборудования. Разработана классификация ЗУ по способу удержания. Проводится анализ работ в области создания ЗУ, работающих на аэродинамическом эффекте.

Разработке струйных и вихревых захватных устройств посвящены работы М.Я. Пикнера, М.А. Козловского, Я.И. Проця, Ю.В. Гявгяжена, Б.А. Сен-тякова, Д.М. Левчука и др.

В работе были поставлены следующие задачи:

- на примере разработанной конструкции ВСЗУ исследовать влияние режимных и конструктивных параметров на величину подъемной силы, выявить оптимальную величину зазора между рабочей поверхностью ВСЗУ и поверхностью захватываемого объекта, а в ВСЗУ со вставкой еще и оптимальную величину зазора между вставкой и камерой, т.е. размер выходной щели, определить оптимальный диаметр рабочей поверхности ВСЗУ, разработать принципиальные схемы ВСЗУ для объектов разной конфигурации, дать рекомендации по рациональному использованию ВСЗУ;

- разработать математическую модель газодинамических процессов, происходящих в ВСЗУ при истечении газового потока и взаимодействии его с захватываемым объектом, произвести численный расчет давления, скорости потока, подъемной силы, исследовать влияние режимных и геометрических параметров.

Во второй главе дается описание ВСЗУ и их принципа действия. Устройство с пустотелой камерой изображено на рис. 1. Оно состоит из цилиндрической камеры 1, плавно переходящей в развитой торец (насадок) 2. В верхней части имеется кожух 3, создающий замкнутую полость б вокруг камеры для подачи возду-

ха в отверстия 4 диаметром йс.

Сжатый воздух постоянного давления ри подается через отверстие 5 в замкнутую полость 6, где воздух имеет давление р0, далее, проходя через тангенциальные отверстия 4 в стенках камеры и

г"' / __

а ^етр

Рис. 1. Схема ВСЗУ без вставки

попадая в цилиндрическую камеру, он закручивается.

При приближении захватного устройства к поверхности заготовки 7 зазор к между -горцем и заготовкой уменьшается, в результате чего значительно возрастает радиальная составляющая Кг". Такое увеличение скорости приводит к снижению статического давления ниже атмосферного, причем наибольшее разрежение возникает при определенной величине зазора к, дальнейшее уменьшение которого вызовет увеличение силы струи, которая будет стремиться оттолкнуть заготовку.

При использовании вихревого устройства для удержания объектов необходимо создать как можно большие разрежение на оси камеры и область действия этого разрежения. Этой цели отвечает выход воздуха не через центральное отверстие, а через боковую щель, как и предлагается в ВСЗУ.

Подъемная сила удерживающая заготовку 7, возникает за счет: разрежения в центре вихря; разрежения в результате эжекции из приосевой области при высокоскоростном истечении воздуха через щель в атмосферу; разрежения в области торца из-за значительного повышения составляющей скорости V"; сил вязкостного трения.

Если пренебречь осевой составляющей скорости, то

дР VI зуг дгуг

ог г ог д^г

Из этой зависимости видно, что давление уменьшается сильнее, если градиент радиальной скорости будет положительным, т.е. если радиальная скорость будет увеличиваться при удалении от центра. При дозвуковом течении положительный градиент радиальной скорости можно получить уменьшением площади кольцевого зазора.

Чтобы обеспечить оптимальные условия работы ВСЗУ, на торцовой поверхности можно установить упоры 8, высота которых выбирается такой, чтобы сила была максимальной.

Аналог ично работает ВСЗУ с центральной вставкой 1 (рис. 2). Такое устройство позволяет получить большую радиальную скорость на выходе из камеры, а значит и большее разрежение в области контакта. Вставка позволяет плавно изменить направление движения воздуха из вертикального в горизонтальное, при этом уменьшается реактивное действие струи на заготовку.

ВСЗУ по первому варианту рациональнее использовать для заготовок с неровной поверхностью, а по второму - для тяжелых.

Исходя из уравнения (1), предлагаются более рациональные конструкции ВСЗУ, которые позволяют получить большее разряжение в области контакта, а значит и большую подъемную силу. Это связано с уменьшением площади кольцевого Рис.2. Схема ВСЗУ со вставкой

зазора при движении воздуха к периферии, что может быть реализовано использованием расширяющихся к периферии ребер на нижней поверхности ВСЗУ. Предлагается также более рациональная форма ребер.

Сменность центральной вставки и насадка позволяют применить ВСЗУ для деталей разной конфигурации. Предлагается несколько конструкций ВСЗУ с разными вставками и насадками.

Исследуется область использования ВСЗУ.

В третьей главе диссертации приведены математическая модель ВСЗУ и методика расчета.

Искомыми функциями являются три компоненты вектора скорости и, у, й), представляющие собой проекции вектора скорости на оси координат х, у, г соответственно, и давление/?. Для учета турбулентных флуктуаций

будем использовать хорошо зарекомендовавшую себя в инженерных приложениях так называемую к - £ модель турбулентности. В соответствии с этой моделью к искомым функциям и, и, со, р добавляются еще две переменные: кинетическая энергия турбулентности к и скорость диссипации турбулентности е.

В рассматриваемой нами задаче число Рейнольдса может достигать значений 105-106, что свидетельствует о турбулентном режиме течения.

Для расчета течения в ВСЗУ используем уравнения Рейнольдса:

д\ри) д(ро) д( ра)

-Л-¿ + -¿ + -- = 0 (2)

дх ду дг

2

иг

д(рии) д(рио) д(рисо) др дт1х дх1 дт^

-1 + —V-¿ + —\-1---С +-+-+- (3)

дх ду дг дх дх ду дг

д(рии) д(рии\ д(роб)\ д~р дт1х дт1у дх12 —\-1 + —V-/ + —^-> ---- +-+-+- (4)

дх ду дг ду дх ду дг

фа") д(рао) д[рсосо)_ д~р дт1х дт1у дт.

.2

(02

+ + + , (5)

дх ду дг дг дх ду дz

где г| = т^ + г*у (6)

и г\^-р-и\и), (7)

где г.. - вязкие напряжения, ри[ и'. - турбулентные напряжения, г^ - тур-

булентиыс потоки импульса.

Корреляции, записанные в правых частях уравнений (7), обычно представляют следующим образом

, ди. ди

У I дх дх 3 V ] 1

Выражение для эффективной турбулентной вязкости следующее:

м4Г = м + Смр 7

(9)

где ¡л - коэффициент динамической вязкости, к- кинетическая энергия турбулентности, £ - скорость диссипации кинетической энергии, С^ - эмпирическая константа.

Уравнения, которые определяют кинетическую энергию турбулентности и скорость ее диссипации для стандартной к —с модели имеют вид

д(рик) д(рок) д(ра>к) 3 дх ду дг дх

V дк

а^ дх

д_ ду

м.

дк

сг, ду

дг

дк . ак дг.

(10)

+ ре

д(рие) ^ д(рие) д{рсое) _ д ^ Ме// де^ ( д ^Ме// де дх ду дг дх

дг

Не// д£

V <?£ дг.

с С

ае дх) ду\ ае ду

(П)

Эмпирические константы С =0.09, <7 = 1.0, <7 = 1.3, С,= 1.43,

¡Л К £

С2= 1,92, С, -0 для стандартной к - е модели взяты из работы Лаундера, для модифицированной к - £ модели Чена-Кима С3= 0,25. Скорость генерации турбулентности б равна

]

3

(12)

Дискретизация уравнений выполняется с помощью конечно-разностных аппроксимаций в преобразованной области. Для аппроксимации диффузионных членов используются центральные разности второго порядка. Для конвективных членов используется гибридная разностная схема. Реализована также схема Леонарда, имеющая повышенный порядок аппроксимации.

Общая процедура расчета представлена следующей последовательностью операций.

1. Задание начального поля давления р*.

2. Решение уравнений для получения и*, V*, со*.

3. Решение уравнений турбулентности для получения кие; определение эффективной вязкости.

4. Решение уравнения Пуассона

±{о ££)=—+—+— (13)

Зх\ чдх) ду\ у ду) дх\ ™ дг) дх ду дг

для поправки давления р'.

5. Корректировка поля давления р= р* +р'.

6. Вычисление поправок скорости и', у', и-'.

7. Корректировка компонент скорости и=и +н', у=у* +у', vv = IV* +п>'.

8. Представление скорректированного р как нового р*.

Ы + (Ум + р'\

9. Если условие сходимости —+ < 5 0-< (

и,е! РУ'г.г

не выполнено, то возврат на п. 2, пока не будет достигнута сходимость.

В диссертации разработан способ задания граничных условий на выходной границе, учитывающий закрученность потока. При этом радиальная составляющая вектора скорости на выходе определяется из условия сохранения массы, а тангенциальная составляющая из условия сохранения момента импульса.

Течение в вихревом струйном захватном устройстве существенно трехмерно, но все параметры течения периодически (через 90°) повторяются, если двигаться по окружности. В связи с этим в диссертации предложено брать расчетную сетку в виде 1/4 реального аппарата (рис. 3), что дает экономию в необходимых машинных ресурсах. Такая расчетная сетка в виде сектора

в 90°, применяется нами для устройств с 4-я вводами воздуха, равномерно расположенными по окружности.

Четвертая глава содержит результаты экспериментального исследования ВСЗУ. Приводится описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов. При проведении эксперимента ста-

Рис. 3. Расчетная область и направ-вилась цель осуществить выбор оптимальных леШ1я осей декартовых координат

конструктивных параметров ВСЗУ, а также

выявить зависимость стационарных и динамических параметров от режимных (давления, расхода) и конструктивных (высота камеры, диаметр сопел, зазор и др.) параметров.

В ходе эксперимента определялось следующее:

- характер изменения максимальной подъемной силы в зависимости от расхода и давления на входе;

- зависимость давления в зазоре между рабочей поверхностью ВСЗУ и поверхностью объекта захвата от радиальной координаты при разных давлениях на входе с неизменным зазором;

- зависимость давления в зазоре между рабочей поверхностью ВСЗУ и поверхностью объекта захвата от радиальной координаты при разных величинах зазора и постоянном давлении на входе;

- характер изменения максимальной силы в зависимости от величины зазора, через который закрученный поток воздуха истекает из вихревой камеры;

- оптимальное соотношение между величиной зазора, через который воздух истекает из вихревой камеры, и величиной зазора между рабочей поверхностью ВСЗУ и поверхностью объекта захвата для ВСЗУ со вставкой;

- оптимальная величина зазора между рабочей поверхностью ВСЗУ и поверхностью объекта захвата для ВСЗУ без вставки;

- зависимость радиальной и тангенциальной скоростей от радиальной координаты в зазоре между рабочей поверхностью ВСЗУ и поверхностью объекта захвата;

- зависимость подъемной силы от шероховатости поверхности объекта захвата.

Для проведения исследований был изготовлен опытный образец ВСЗУ (рис. 4). Номерами обозначены: 1 - камера цилиндрическая; 2 - разъемный кожух для создания замкнутой полости; 3 - вставка, при необходимости удаляемая; 4 - сменный насадок; 5 - сменные втулки с сопловыми отверстиями; 6 - гайка-зажим для закрепления вставки или пробки (пробка устанавливается при удалении вставки для закрытия отверстия в верхней части камеры); 7 -

Л-А

Рис. 4. Экспериментальный образец ВСЗУ

отверстие для подачи воздуха из магистрали.

Образец изготовлен таким образом, что возможна смена отдельных элементов. Во-первых, можно менять камеру 1, изменяя ее высоту. Во-вторых, можно снять насадку 4 совсем или сменить ее, в опытах использовались на-

садки с гладкой рабочей поверхностью и с ребрами разной высоты. В-третьих, можно убрать вставку 3 и закрыть отверстие пробкой или сменить ее, в опытах использовались вставки с центральным отверстием и без него. В-четвертых, можно менять втулки 5 с разными диаметрами внутренних отверстий, через которые сжатый воздух поступает в камеру. Кроме этого, возможно перемещение вставки вдоль оси, что позволяло изменять зазор 1и между насадкой и вставкой. Через этот зазор воздух истекает из камеры.

Диаметр сопел <1С изменяется от 3 до 7 мм, длина сопел 1С составляет 55 мм, диаметр камеры с1к =70 мм, минимальная высота камеры Н =40 мм, максимальная - Н =80 мм, диаметр насадка £>г =200 мм, диаметр вставки ¿,-25 мм, диаметр расширенной части £>„=110 мм. Использовались насадки с гладкой рабочей поверхностью и с ребрами высотой А=1,2 мм и Л =2 мм. Зазор А, менялся от 0,02 мм до 0,5 мм, зазор И менялся от 0,1 мм до 2,5 мм. Давление сжатого воздуха на входе в ВСЗУ изменялось от 0,2 ат до 3 ат. При этом расход <3 изменялся от 8,6 м3/ч до 26,4 м3/ч. В качестве заготовок использовались диски с различной чистотой обработки поверхности, по которой происходил контакт с ВСЗУ. Наименьшая шероховатость \\г=Ъ2 мкм, наибольшая - К2~160 мкм.

Результаты экспериментальных давления ри на входе исследований представлены на рис. 5^9.

д. 6»«

V- / /

! 101

Х-Ь« =0,116»« ■ 1 1 /

+. м» пои, с ребраки еиссгск Ь Л ,4 а / О /

▼ •Ь6=А / та / > * / о

Л л/ / /

фк „П* /

"А Л 2_ . Г*

* ,шп Л/ / г* ^ _

/Л ! Л / у о' ' /

/•/ож / т О ./__^ /

Л

4 с У у*

1 1.5 г г-%«

Рис. 5. Зависимость подъемной силы Р от

20

Л

/ \ Ро-'.ба

/

Л

\

\ .-ь-и™

\ \

Л \

• »41

Ри - 0,$ ат

I

Экспериментальные исследования показали:

- подъемная сила возрастает с увеличением давления по квадратичному закону;

- параметр шероховатости не оказывает существенного влияния на величину подъемной силы ВСЗУ вследствие большой величины оптимального зазора между рабочей поверхностью ВСЗУ и плоскостью заготовки (она доходит до 2 мм в

данных опытах и зависит от режимных рис.6. Зависимость подъемной силы Р параметров); от зазора к>14511Р3311"* Давлениях ри

- наличие центральной плавно расши- ¿г.? ряющейся к периферии вставки в камере

+300

ВСЗУ обеспечивает значительно большие по величине подъемные силы вследствие создания узких боковых зазоров к,, вызываю- "т щих резкое увеличение радиальной Ра скорости;

■юс

- подъемная сила в ВСЗУ со вставкой

•20(

наибольшая при зазорах не больше

п 1

0,1 мм.

При исследовании ВСЗУ установлено,

что:

0 10 20 30 40 50 60 70

Рис. 7. Зависимость давления в зазоре Д р от радиуса г при разной - для каждого типа ВСЗУ, имеющего оп- высоте зазора И для ВСЗУ без

вставки

ределенную оптимальную величину зазора А,

существует конкретный оптимальный диаметр насадка Бх, который соответ-

/

/

/

/

ствует зоне отрицательных давлении, он г должен быть не больше, чем 1,4(Л + Л);

80

- при использовании насадков с реб- <0 рами на рабочей поверхности, оптималь- 40 ная величина зазора увеличивается; ю

- при малых зазорах давление во о всей области избыточное, при увеличении

Рис. 8. Зависимость положения точки зазора в центральной области появляется гр,тзхе Др=0, от величины зазора к

разрежение, а при определенной вели-

& Р, ММ.РОД СТ

чине зазора разрежение возникает во всей области, при этом максимальное разрежение уменьшается, а на периферии незначительно увеличивается, т.е. кривая давлений выравнивается;

- наибольшая подъемная сила для данного экспериментального образца получена для ВСЗУ со вставкой, установленной с зазором ¿5=0,02-0,1 мм (при давлении на входе ри =2 ат подъемная сила Р составила 130 Н).

Пятая глава посвящена адаптации о~™~2о ~зо ла 50 ео 7о за м г,мм

описанной выше математической модели Рис. 9. Зависимость давления Ар в за-

базе 30Ре от Ралиуса г ПРИ разном зазоре к и

с фиксированными и ри (измерение с

течения в захватном устройстве на проведенных экспериментов и расчетного мелким шагом) исследования влияния режимных и конструктивных параметров устройства на показатели силы притяжения, уровня разрежения и других характеристик функционирования захватного устройства.

На рис. 10, 11, 12 показано сравнение экспериментальных данных и по-

V, :

7г

/ ■ I:.,

Л

•

, Г ' 1

* I ♦/ »

• ♦

* • /

II I I I

0.00 0.02 о,04 0,06 0.08 0,10 Г 0.12

Рис. 10. Зависимость тангенциальной скорости (м/с) от радиуса (м) (точки -эксперимент, сплошная линия - схема Леонарда, пунктир - гибридная схема)

0,00 0,02 0,04 0,06 0.0

Рис. 11. Зависимость радиальной скорости (м/с) от радиуса (м) (точки - эксперимент, сплошная линия - схема Леонарда, пунктир - гибридная схема)

лученных в расчетах с помощью гибридной схемы и схемы Леонарда. Видно, что для радиальной компоненты скорости (рис. 11) обе схемы дают близкие результаты, тогда как для тангенциальной компоненты скорости гибридная схема дает существенно заниженные значения. Схема Леонарда обеспечивает приемлемую точность расчета для тангенциальной компоненты скорости (рис. 10) и для давления

-100-150-

*

" V,' ♦ -,

/ ^ V

/ /

/

0.05 0,08 Г О.Ю

(рис. 12). Данная схема правильно пред- Рис. ^.Зависимостьперепададаме-

, шм (мм вод. ст.) от радиуса (м) (точки сказывает положение максимумов компо- "ид 1 ; р -

1 - эксперимент, сплошная линия - схема

нент скоростей и сложный характер про- Леонарда, пунктир - гибридная схема) филя давления в зоне формирования выхода воздуха.

Стандартная к - £ модель турбулентности недостаточно учитывает особенности закрученных течений. Поэтому в диссертации кроме стандарт-

Рис. 13. Поле скоростей, сечение 2=45,8 мм, Ь=0,6 мм

Рис. 14. Поле скоростей, сечение г= 12,75 мм, Ь=0,б мм

""Чцц

птпЙ

Рис. 15. Поле скоростей, сечение г=0,45 мм, Ь=0,6 мм

Рис. 16. Поле скоростей, сечение 2=1,56 мм, Ь=2,0 мм

ной была использована и модифицированная к - е модель Чена. Модифицированная модель показывает результаты более близкие к экспериментальным. Дальнейшие расчеты проводились по модифицированной к - е модели турбулентности Чена.

На рис. 13, 14, 15, 16 показаны рассчитанные наиболее типичные картины скоростей движения воздуха в различных горизонтальных сечениях захватного устройства. В цилиндрической части устройства формируется зона квазитвердого вращения (рис. 13). Далее по течению, в области расширения,

линейный профиль квазитвердого вращения переходит в параболический (рис. 14). Наконец, в области выхода формируется картина течения, показан-

Рис. 17. Поле скоростей в вертикальном се- Рис. 18. Поле скоростей в вертикаль-чении, Ь=0,6 мм ном сечении, 11=2,0 мм

Рис. 19. Зависимость давления (мм. вод. Рис. 20. Зависимость давления (мм. вод. ст.) ст.) от радиуса (м) при разном расстоянии от радиуса (м) при разном расходе воздуха до базовой плоскости Ь (в мм) -1:0.6,2: <3(м3/ч)- 1: 16.0,2:20.0,3:21.0,4:25.0 1.2,3: 1.5,4:2.0

ная на рис. 15. В зоне выхода, как и следовало ожидать, увеличение /г приводит к снижению радиальной компоненты скорости при сохранении тангенциальной компоненты (рис. 15 и 16).

Картины течений в вертикальном сечении для вариантов А= 0.6 мм и й= 2.0 мм представлены на рис. 17 и 18 соответственно. Отметим образование тороидального вихревого течения, распространяющегося примерно до

половины радиуса. При этом интенсивное опускное течение формируется окёоло стенки. Результаты теоретических исследований представлены на рис. 19+30.

100 р

го

•зос •зет

-400

4 /'■у Л

• (( 1 К

3 /7

/ /

к 1 /

гу !

/

1

0X10 0.02 0-04 О.ОВ 0.02 0.10 Г С12

Рис. 21. Зависимость давления (мм, вод. ст.) от радиуса (м) при разных диаметрах <1с (мм) окна ввода воздуха- 1:3.7,2: 4.0,3:4.5,4:4.8

А

1 <л

а 1 а \

1 \

/ ч 3

/

' ' 1 1 1

Рис. 22. Зависимость тангенциальной скорости (м/с) от радиуса (м) при разном расстоянии до базовой плоскости Ь - 1:0.6, 2: 1.2,3: 1.5,4:2.0

г\

; / \

■ ¡1 \ Г\ ч \\

/ N ч\ \

• Ч п / ¡и /// ч X N. 3 \ г"

■ 1 1 1 1 1 ^_

\

/ 1 N

1 ¡1

г, \ К4

а ! \ V. 1

/ 1' — 3 4

0.00 0.02 0.04 О.Ой 0.01

0.10 Г 0.12

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 Г 0.12

Рис. 23. Зависимость тангенциальной скорости (м/с) от радиуса (м) при разном расходе воздуха (3 - 1: 16.0,2:20.0,3:25.0

Рис. 24. Зависимость тангенциальной скорости (м/с) от радиуса (м) при разных диаметрах с1с (мм) окна ввода воздуха - 1: 3.7,2:4.0,3:4.5,4: 4.8

о

Рис. 25. Зависимость радиальной скорости (м/с) от радиуса (м) при разном расстоянии до базовой плоскости И -1: 0.6, 2: 1.2,3: 1.5,4:2.0

Рис. 26. Зависимость радиальной скорости (м/с) от радиуса (м) при разном расходе воздуха (м3/ч) - 1: 16.0, 2: 20.0,3:21.0,4:25.0

Рис. 27. Зависимость радиальной скорости (м/с) от радиуса (м) при разных диаметрах с!с (мм) окна ввода воздуха - 1: 3.7, 2:4.0,3:4.5, 4: 4.8

Рис. 28. Зависимость силы притяжения Р (Н) от расстояния до базовой плоскости Ь (мм)

Рис. 29. Зависимость силы притяжения Б (Н) от расхода воздуха (3 (м3/ч) сплошная линия -11=0,6 мм, пунктир - Ь=1,2 мм)

Рис. 30. Зависимость силы притяжения Р (Н) от диаметра окна ввода воздуха с! (мм)

Выводы.

1. Разработаны различные конструкции ВСЗУ, обеспечивающие наибольшее разрежение в области контакта ВСЗУ с захватываемым объектом, а также наибольшую область его распространения, что способствует созданию наибольшей подъемной силы. Предложены способы оптимизации конструкций ВСЗУ с целью повышения подъемной силы, а также конструктивные варианты ВСЗУ для изделий разной конфигурации.

2. Предложена математическая модель ВСЗУ с пустотелой камерой и насадком, имеющим внутреннюю поверхность в виде части тора, разработан способ задания граничных условий, расчетная сетка берется в виде 1/4 реального устройства, для аппроксимации конвективных членов применена схема Леонарда, которая дает значительно лучшие результаты, чем традиционно используемая гибридная схема, а для моделирования турбулентности использовалась как стандартная к ~е модель, так и модифицированная.

3. Проведены экспериментальные исследования опытного образца ВСЗУ, в которых определены зависимости параметров давления, скорости,

подъемной силы от режимных и геометрических параметров; выявлено наличие оптимальных геометрических параметров, а именно: величины зазоров ке и к; установлено, что подъемная сила ограничивается только давлением на входе и имеет параболический характер изменения; в ВСЗУ, имеющим плавно расширяющуюся к периферии вставку, получены значительно большие подъемные силы, чем в ВСЗУ с пустотелой камерой.

4. Проведенные численные расчеты доказывают правильность выбора математической модели, т.к. полученные теоретически поля скоростей и уровень давления в ВСЗУ соответствуют полученным экспериментальным результатам. В ходе численных экспериментов получен квадратный закон изменения подъемной силы в зависимости от расхода; с ростом А подъемная сила растет с выходом на максимум.

5. Применение ВСЗУ в автоматизации загрузки технологического оборудования позволит расширить функциональные возможности захватных устройств, а именно: совместить процесс захвата с ориентацией, охлаждением, очисткой поверхности и др. ВСЗУ могут быть применимы для изделий независимо от параметра шероховатости их поверхности, а для возникновения подъемной силы не требуется создание герметичности в рабочей полости захватного устройства.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Чеканила О.В. (Конищева О.В.) Захват заготовок с любой степенью шероховатости и любой температурой // Роботы и их применение в народном хозяйстве: Тезисы докл. моек. гор. конф. молодых ученых и спец-в. -М,1987. - С.29.

2. Чеканина О.В. (Конищева О.В.) О взаимодействия закрученной струи газа с плоской преградой П Гидравлические системы металлорежущих стан-

ков и промышленных роботов: Межвуз. сб. науч. тр. / Под ред. Трифонова О.Н. - М.: Мосстанкин, 1987. - С. 137-142.

3. A.c. 1350006/ СССР / Захватное устройство / Бубнов В.А., Чеканина О.В. (Конищева О.В.) и др. // Б.И. 1987. - № 41.

4. Конищева О.В. Расчетно - экспериментальное моделирование аэродинамики вихревой камеры // Использование методов математического моделирования в котельной технике: Тезисы докл. науч.-техн. конф. - Красноярск: СибВТИ, 1996. - С. 31-32.

5. Конищева О.В., Каверзин C.B. Струйно-вихревой способ автоматизации загрузки технологического оборудования // Молодежь и наука - третье тысячелетие: Материалы конференции аспирантов, соискателей и сотрудников. Красноярск: КГТУ, 1996. - С. 24-27.

6. Конищева О.В., Конищев В.М. Принципиальные схемы вихревых струйных захватных устройств // Гидропривод машин различного технологического назначения: Сб. науч. тр. - Красноярск: КГТУ, 1997. - С 101-108.

7. Конищева О.В., Конищев В.М. Принцип действия вихревых струйных захватных устройств // Гидропривод машин различного технологического назначения: Сб. науч. тр. - Красноярск: КГТУ, 1997. - С 94-101.

8. Конищева О.В., Конищев В.М. Экспериментальные исследования вихревых струйных захватных устройств // Достижения науки и техники -развитию города Красноярска: Тезисы докладов / Под ред. П.И. Пимашкова, А.И. Матюшенко, С.А. Подлесного. - Красноярск: КГТУ, 1997. - С 39-40.

9. Konishcheva O.V., Kovalevskii A.M., Kamenshchikov L.P., Dekterev A.A. Study of vortical jet catch device on a three-dimensional mathematical model // Russ. J. Eng. Thermophys. - 1996. - Vol. 6. - No. 3. - P. 241-255.

10. Положительное решение от 28.10.97 по заявке РФ № 96110544 от 27.05.96, М.П.К. В 66С 1/02, В 25 J15/06. Вакуумное грузозахватное устройство / Конищева О.В., Конищев В.М.

Подписано в печать 2, О6. Формат 60 х 84 /16. Бумага тип № 1. Усл. ггеч. л. ! ,5. Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано на ризографе КГТУ. 660074, Красноярск, ул. Киренского., 26