автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Разработка теории устройств механизации операций формирования и транспортировки рулонных материалов

министерство высшего и среднего специального

образования рсфср

ленинградский ордена трудового красного знамени технологи1 ¡еский институт целлюлозно-бумажной промышленности

разработка теории устройств механизации операций ■жирования и транспортировки рулонных МАТЕРИАЛОВ

05.21.03 - технология и оборудование

химической переработки древесины; химия древесины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11а правах рукописи

НРОЦЮК Василий Романович

Ленинград-1990

Работа выполнена в Ленинградском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институте целлюлозно-бумажной промышленности.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Лебедев П.Л.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Новиков Н.Е.

- кандидат технических наук, доцент Кавнер Б.Л.

Ведущей предприятие - бумажно-картонная фабрика "Коммунар"

Защита состоится «М) •• с^^^Сл 1990 г. в часов на заседании специализированного Совета Д063.24.01 при Ленинградском ордена Трудового Красного Знамени технолога-ческом институте целлюлозно-бумажной промишленности по адресу: 198092, Ленинград, ул.Ивана Черных, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ленинградского ордена Трудового Красного Знамени технологаческом институте целлюлозно-бумажной промышленности. ■' .. ..

Автореферат разослан " " Ьй/сх^л^Д 1990

г.

Ученый секретарь специализированного Совета , Швецов Ю.Н.

сщая харакгешстика работы

Актуальность тевд. Опираясь на опыт социалистического строительства, достижения советской экономики и научную разработку стратегии КПСС на перспективу, руководство страны определило основные направления экономического и социального развития СССР на 1986-1390 г.г. и на период до 2000 года. В качестве главного ричага интенсификации народного хозяйства рассматривается кардинальное ускорение научно-технического прогресса. Особо подчеркивается направление повишения эффективности и качества готовой продукции при экономии и рациональном использовании сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов.

Современный уровень развития целлюлозно-бумажной промышленности (ИБП") требует создания и освоения совершенного оборудования, предназначенного для интенсификации отдельных этапов технологических процессов.. Поставлена задача коренной перестройки промышленности на базе научно-технических достижений, автомата- „ зации производства, робототехничвсках систем и на этой основе построение гибких автоматизированных производств. Такие преобразования необходим! и для производства штучной продукте«! ЦБП, отличающегося достаточно большой удельной затратой ручного труда и массовостью производимой продукции.

Одним из примеров трудоемкого производственного процесса является формирование бобин бумаги. На линиях производства бобин на отечественных предприятиях занято однообразными утомительными операциями значительное количество рабочих. Однако выполняеше имя операции могут быть осуществлены автоматизированными устройствами и комплексами.

Учитывая значдуедыще финансовые затраты, а таете расходы бумаги и рартода на производство картонных гилыз, которое го еле использован^ рулонов, Лак правило, ликвидируются, необходимо решение проблемы безгильзовой транспортировки рулонов и создания съемных устройств, замеряющих картонные гильзы.

Особенностью исторически сложившихся производственных процессов с применением труда человека является использование его цеограниченных информационно-мыслительных и двигательных функций. Поэтому при постановке задач автоматизации производства возникает необходимости научного и инженерного анализа и усовершенствования технологических процессов в направлении и максимально возиэлногв

■упрощения, разработки нового и усовершенствования традиционного оборудования и систем управления действием такого оборудования. Сложность и многооперационность процесса формирования бобин бумаги или картона с применением значительной доли ручного труда является основанием для выполнения исследований по усовершенствованию и автоматизации трудоемких операций.

Актуальной и экономически выгодной является и разработка съемного намоточного устройства.

Работа выполнена в соответствии с Координационным планом МинлесПрома научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ на 1986-1990 г.г. по созданию нового и модернизации действующего оборудования для технического перевооружения предприятий, вырабатывающих конденсаторные бумаги.

Перечисленная тематика предусмотрена позицией 1.11.1.8 Координационного плана научно-исследовательских работ по проблеме "Теорйя машин и систем МшниН на 1986-1990 г.г. Академии наук СССР" - "Разработка методов исследования, проектирования и внедрения автоматических линий для изготовления штучных изделий целлюлозно-бумажного производства".

Цель работы.

1. '1'ёоретическов обоснование повышения эффективности формирования бобинной продукции за счет применения отдельных автоматизированных узЯов.

2. Обоснование выбора конструктивного решения и расчета оптимальных параметров съемных устройств для намотки и транспортировки рулонных материалов.

Научная новизна. Разработана принципиальная схема и методика проектирования встроенного манйпулятора-рулононосителя. Разработана принципиальная схема механизации процесса монтажа и демонтажа намоточНых валиков без снятия с бобинорезательного станка (ЕРС).

Разработана принципиальная схема и методика аналитического синтеза с применением векторного исчисления шестизвенного механизма встроенного манипулятора для подачи комплекта гильз в ЕРС.

Разработана конструктивная схема и методика проектирования съемного НамЬточного устройства, защищенного авторским свидетельством.

Разработана постановка и математическая модель определения параметров движения И профиля гравитационного конвейера для наискорейшего перемещения качением тел вращения на заданное рассто-

яние с ограниченной конечной скоростью, а также упрощенная постановка этой задачи.

Разработана методика определения параметров движения и принципиальной схема составного гравитационного конвейера при условиях, сформулированных для вариационной задачи качения тел вращения. Экспериментально подтверждена правильность такой методики.

Разработана установка для экспериментального определения ко- . эффициента трения качения бобин по различным основаниям. Выполне- . но определение этих коэффициентов.

Практическая ценность. На основе полученных теоретических результатов и их экспериментальной проверки:

- разработаны принципиальные и конструктивные схемы, предложены методики расчета ыанипулятора-рулононооителя, устройства для монтажа и демонтажа намоточных валиков, манипулятора для подачи гильз в зону шмотки бобин;

- реализован с помощью ЭВЦ алгоритм оптимального раскроя по ширине бумажного полотна при резке на БРС;

- предложена методика расчета т оптимальным критериям съемного намоточного устройства, защищенного авторским свидетельством на изобретение.

Реализация работы в пром.тленности. Результаты работы используются в практике Украинского Научно-производственного объединения бумажной промышленности.

Апробация работы. По результатам работы сделаны сообщения, получившие положительную оценку на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников ДТИ Ц5П, 1986-1909 г.г., секции.научно-технического совета объединения УКРНПОбуыпроы.

Публикация работы. По' материалам диссертации опубликовано четыре статьи и получено-авторское свидетельство на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа представлена на 160 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка.

Структура работы. Диссертация состоит из введения,-четырех глав, выводов и библиографии, содержащей 92 наименования, приложе- . ния.

Автор защищает:

I. Разработанше принципиальные схемы и методики расчета •элементов, исключающих применение ручного груда и дающих возмоь-

ность автоматизировать отдельные операции на LPC.

2. Математическую модель гравитационного конвейера для перемещения рулонных материалов.

3. Конструктивную схему, теорию и методику расчета съемного намоточного устройства, дающего возможность обеспечить безгильзовую Транспортировку рулонов бумаги.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ßo Введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе Выполнен критический анализ литературы исследований lio Проблеме качества рулонов бумаги и rix безгильзовой транспортировки.

Проведен анализ существующих конструкций бобинорезательных станков й bnocööoB повышения эффективности их работы.

Установлено, что в процессе формирования бобин имеют место большие Sä-fpani ручного труда, сдерживающие повышение производительности ЕРС.

Показана необходимость разработки эффективного намоточного Устройства, обеспечивающего безгильзовую транспортировку рулонов. 4 В связи с Вышеизложенным сформулированы задачи исследований:

I, Разработка принципиальной схемы И методики расчета мани-пуллтора-рулононоситеяя к №С.

Й4 Построение алгоритма оптимального раскроя бумажного полотна при формировании бобин на IPC.

3. Разработка конструктивной схемы и методики расчета устройства для Монтажа я демонтажа намоточных валиков без снятия их с бобинорезательного станка.

4. Разработка принципиальной схемы и методики расчета манипулятора для подачи Гильз На БРС.

5. Постановка и решение вариационной задачи синтеза гравитационного конвейера Для Перемещения тел Качения на заданное расстояние с ограниченной конечной скоростью.

6. Построение приближенного решения вариационной задачи применительно х простейшим профилям гравитационных конвейеров. >

7. Разработка методики экспериментальных исследований параметров Качения рулонных материалов по гравитационному конвейеру и

анализ, полученных результатов эксперимента.

6. Разработка принципиальной схемы конструкции и методики расчета оптимальных узлов инвентарного начаточного устройства.

Вторая глава посвящена разработка устройства автоматизации процесса формирования бобин.

В первом разделе дана принципиальная схема и методика расчета манипулятора для подачи рулона в БРС. Загрузка рулона при атом должна осуществляться при помощи специально приспособленных захватов. Наиболее простым и экономически оправданный может быть вариант приспособления поворотного в вертикальной плоскос!и специализированного манипулятора непосредственно в станина станка. При этом несущий захват манипулятора выполняв! роль поддерживающей штанги. Наиболее простым перемещением продольной оси симметрии рулона при введении его в станон является перемещение по кругйоци-линдрической поверхности. В этом случав несущее устройство может быть выполнено в вида поворотных рычагов, шарнирно закреплеШшх в_ точках, расположенных на прямой линии 02, равноудаленных ОТ осей О и 01 (рис.1). Поворот вичагов в стадии Переноса рулона из положения 01,в положение 0 проще всего осуществим при'помощи пневмопривода, состоящего из двух пневмомоНороВ поступательного перемещения,' поворотные цилиндры которых шарнирно закреплены На оси Од, а штоки шарнирно соединены с Несущими рычагами О^.

Расчетная схема рулолвносителя

У

Рис.1

в

Необходимый диаметр поршня

где: р наименьшее давление воздуха в цеховой пневмомагистрали; гпмь _ __

- наибольшее усилие, развиваемое пневмомоторами.

Во втором разделе предложен алгоритм оптимального раскроя рулонов бумаги на ЕРС по ширине, основанный на определении минимума отходов бумаги при резке:

Тм ' «п

при следующих ограничениях 2амХ1вс1(, (I » 1,2,...,т ), 1»2,.,.,гг), где I - вид заготовки (ширины);

СП - количество всех видов заготовок; ^ - вариант раскроя рулона по ширине; Н - количество вариантов раскроя; 0..^- заданное количество заготовок I -го вида; - количество Ь -го вида, которое можно получить из одного рулона согласно ^ -му варианту раскроя; .С1 -.отхода бумаги или картона, получаемые из рулона соответствующего материала согласно ^ -му варианту; Х^ -и?ко- • Мое количество рулонов, раскраиваемых согласно -му варианту.

Алгоритм реализован в виде Р1 -программы с помощью ЭВМ ЕС—1040.

В третьем разделе рассмотрена принципиальная схема устройства для монтажа и демонтажа намоточных валиков без снятия с БРС, основанная на разделении намоточных валиков на две части, раздвигающиеся (и сдвигающиеся) вдоль продольной оси намотки при помощи пневмомоторов поступательного движения. Таким образом, освобождение намоточных валиков от сформированных бобин и нанизывание и зацепление на них комплекта гильз осуществляется непосредственно на Е'С с минимальной затратой времени.

В разделе 4 разработана методика расчета и принципиальная схема манипулятора для подачи комплекта гильз на осевую линию намоточных валиков. Предложено выполнить манипулятор, встроенный в ЕРС,в виде шестизвенного стержневого механизма с базовым шарнирным параллелограммом и присоединенной двухповодковой кинематиче-

ской группой ОЛВ, управляющей раскрытием охвата, совмещаемым с отводом его от зоны намотки (рис.2).

Схема механизма манипулятора для,подачи гильз

Рис.2

Очевидно, что зев охвата в предельном наружном положении должен превышать диаметр гильз. Поэтому выбран угол коромысел ОС и 01И таким, чтобы рычаг-носитель верхней части схвата обеспечивал беспрепятственную загрузку гильз. Положение верхней части схвата манипулятора определяется вектором

Я7? = 1й'Ц' 1[~С3005р + ь х Цаьпр ] , (4)

где -угол . ■

В третьей главе рассмотрена задача обеспечения наискорейшего качения тел вращения меяда двумя положениями в разных уров-

них на заданном расстоянии с учетом сопротивлений движению и построения профилей параллельных ходов для подачи катящихся тел с различными заданнши интервалами достижения приемных устройств (конвейеры, столы и т.п.). Б качестве дополнительного условия поставлено достижение конечного положения тал с заданной скоростью ЯГц .Решение такой задачи обеспечивает процесс автоматической разгрузки бобин на линиях ЕРС с подачей их на общий приемный конвейер.

Катящееся тело совершает два взаимосвязанных движения - поступательное движение вместе с продольной осью симметрии цилиндра и вращение вокруг этой оси (рис.3).

Расчетная схема гравитационного питателя

¿Г,

Рис.3

Определены величины потенциальной и кинетической энергии

гела:

(6)

(7)

Где: т г. I - масса и момент инерции относительно центральной прсдсьшоЛ оси ци;.и^Ер1'че(.кей поазрхн~сти.

у - искомая функция профиля основания.

Работа внешних сил на элементарном перемещении

Я = &[|.Чх; ♦ ] с!х,

и обобщенная сйла, соответствующая обобщенной координате X

Уравнение Лагранжа второго рода движения тела с учетом (6) и (7) приведено к виду: .

+,

Для этого уравнения поставлены начальные и граничные условйя

при Ъ = й Х»Х. и = и, 1) г О 1 а, «И

при -ь =т0 х = хг ^^

Составим функционал

где С| - постоянная интегрирования.

Обращение в минимум функционала (10) приводит к уравнению •Эйлера

где р в Я (I}1) - подинтегральная функция в (10). В нашем случае (II) превращается в

где

)=«■ У" -0.. ■ 1121

а4 Я1

*л л т +

8 Р

2 „ тй

в-у.»!.*««*- •.

Решение интегро-дифференциального уравнения (12) в явной форме недостижимо. Разработано приближенное решение задачи. Так как профиль должен быть пологим, то можно принять -р\(х) ~ О и ' уравнение (9) упрощено !

& интервал времени движения катящегося по-основанию тада IX / ?тпг1* Г Л-г "

к _ , _

(т} 4* у'*

* (¡¡ГГ-Ый } 4 + У

Поставленное условие ограничения скорости движения тела в конечном положении величиной и равенство нулю скорости в начальной положении предопределяют форму профиля основания из двух частей соответствующих разгону и торможения.

Дано также решение задачи синтеза гравитационного конвейера составного типа, профиль которого состоит из трех частей: наклонной прямолинейной части, предназначенной для обеспечения разгона весомого цилиндра; криволинейной (в форме дуги окружности), предназначенной для плавного сопряжения наклонных частей, обеспечмва-^дцей безударное качение цилиндра; каклгнноЯ прямолинейной части, предназначенной для торможения цилиндра.

Движение тела на келдсм из участков спи?ань оиотвитмвенно > -уравнений:««

Т = * Гт Л£1Л 1 ж* -ь ТТТ^

I -д-р = - ь (й5ьп* а~со$<£г) ,

где знак "+" соответствует нисходящей части криволинейного участка, а знак"-" - восходящей его части. '

Разработана методика достижения предельных положений катящихся в параллельных потоках тел о различными задантши интервалами без ограничительных упоров.

С целью проверки адекватности математической модели перемещения бобины по гравитационному конвейеру была разработана и построена экспериментальная установка. В ходэ эксперимента оценива- • лось изменение скорости движения бобины в зависимости от конструктивных параметров питателя, а также сравнение о теорепгтеокиш результата!®, полученными на ЭВМ.

Для обеспечения чистого качения бобига (без скольдения) экспериментально определены коэффициенты трения качения бобины по основанию из разных материалов, представленные в таблице.

Таблица '

Коэффициенты хретгя качения бобины конденсаторной бумаги марш ГОН

№№ шг Материал катка и основание Бес бобины, кг Радиус, м Коэффициент трения качения, см

I Бобина - сталь 3 6,7 0,1 0,027 - 0,032

2 • Бобина - стекло- 6,7 ОД 0,038 - 0,045

текстолит .

Э Бобина - отрайо- 6,7 0,1 0,051 - 0,058

тайное прессовое сукно

Четвертая глава посвящена разработке съемного намоточного устройства для рулонных материалов» даоиего возможность устранения необходимости в картонных гильзах: и обеспечивающего безгильзовую транспортировку рулонов. Предлагаемая конструкция представляет собой гильзу с изменяющимся диаметром. Изменение ее диаметра осуществляется специально спрофилировонныш кулачкаш. Профиль каидого из кулачков обеспечивает последовательно попарное движе--ние противоположных частей продольно разроэанной наружной труйц

(А и В, а затем С и В) в направлении к центральной оси устройства ( рис.4).

Схема намоточного устройства

Рис. 4

Устройство ь процессе намотки рулона сохраняет правильную круглоцилиндрическую форму постоянного диаметра, свободно изымается из цилиндрического отверстия рулона после намотки и при не- ' обходиыости без препятствий вводится в него. С целью обеспечения максимального зазора между отверстием рулона и наибольшим диаметром съемной гильзы при ее изъятии выведена функция зазора двух не-' зависимых переменных величин И и ^ :

' где а , А - смещение соответствующее сегментов устройства по оси ОХ и ОУ, И , % - наружный и внутренний радиус устройства. Необходимое условие экстремальности этой функции отображается уравнением бивосьыой степени^ Определение оптимальных размеров устройства Выполнено на ЭШ.

Испытания опытного образца как; с г одного устройства в- произволе пленных усясвиях подтвердили его работоспособность и обеспе-

чение надлежащего качества рулонов бумаги, намотанных на продольно-резательном станке.

На основании результатов настоящей работы разработаны методики расчета оптимальных параметров гравитационных питателей для транспортных узлов и манипуляцвонгаа устройств автоматизированной линии сформирования и упаковки бобин конденсаторной бумаги, кото-' рне используются в практике УКРНПОБумпрома. Ожддаешй экономический эффект составил 45 тыс. рублей.

основные результаты работы

1. Разработана структурно- кинематическая схема и методика расчета специализированного (встроенного) машпулятора-рулоно-ноептеля бобинорезательных станков.

2. Разработаны принципиальная и конструктивная схемы устройства намоточных валиков,.не снимаемых с БРС, для монтажа комплекта гильз и демонтажа сформированных бобин.

3. Разработана структурно-кинематическая схема и методика расчета специализированного (встроенного) манипулятора для подачи комплектов гильз в зону намоточных валиков.

4. Сформулирована вариационная задача о гравитационном перемещении цилиндрических тел качения (бобин, рулонов и т.д.) на заданном расстоянии с предписанной конечной.скоростью» приведены приближенные решения поставленной задачи.

■ 5. Экспериментально подтверждена методика расчета основных параметров 'гравитационного питателя и найдены -соответствующие коэффициенты трения качения бобины по основанию из разных материалов.

6. Разработано съемное намоточное устройство для рулонных материалов, обеспечивающее возможность исключения непроизводительных расходов на изготовление и применение бумажных и картонных гильз, защищенное авторским свидетельством» дана методика расчета оптимальных параметров устройства. Изготовлен и испытан в промышленных условиях опытный образец.

. 7. Решена задача оптимального раскроя на БРС'по ширине бумажных полотен методом линейного программирования.

8. Результаты исследований использованы и внедрены в практику научно-технической работы Украинского научно-производственного объединения бумажной промышленности (УКРШОБумпром).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лебедев H.A., Процюк В.Р. О рациональном раскрое по ширине рулонов бумаги при продольной резке.- Л., 1986.- 6 е.- Деп. в ВНШИЭИлеспром 20.11.66, »1846 - лб.

2. Лебедев П.А., Процюк В.Р., Колесова Л.П. Манипулятор-рулононоситель бобинорезательного станка // Машины и аппараты целлюлозно-бумажного производства: Межвуз.сб.научн.тр.- Л., 1987.-

с.120-123.

3. Лебедев H.A.,Процюк В.Р., Швецов Я.Н. Безгильзовая транспортировка рулонов.- Л., 19Ь6,- 8с.- Деп. в ВНИПИЗИлеспром 23.09.88, № 2343- лбЬ8.

4. A.c. I4600I5 СССР, ШШ4 В65Н75/24. Намоточное устройство для рулонных материалов / Лебедев H.A., Процюк В.Р. (СССР).-

3 с.: ил.

5. Лебедев П.А., Процюк В.Р. Задача о брахистохроне для тел качения // Проектирование механизмов и динамика машин: Межвуз. сб. научн, тр.- М., 1989.- с.155-162.

; Сдано В rip-во 31.08.90 г. Подп. к печати 20.08.90 г. Объем 1,0 печ.л., тираж 100 экз. Заказ 96 Бесплатно. •. <

PorwipUrt? 1ГН ЦЭД4 19&J9Í, Леадыряд. ул. Чазда Черных, 4