автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Система пневматических приводов камерных захватных устройств для перемещения легкоповреждаемых изделий

На правах рукописи

НИКИТИН РОМАН АЛЕКСАНДРОВИЧ

СИСТЕМА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ КАМЕРНЫХ ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЛЕГКОПОВРЕЖДАЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы

приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Владимир 2013

005542499

005542499

Работа выполнена на кафедре «Автоматизация технологических процессов» ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Сысоев Сергей Николаевич, ВлГУ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Веселов Олег Вениаминович, ВлГУ

кандидат технических наук, доцент Голованов Игорь Евгеньевич

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Защита диссертации состоится 24 декабря 2013 г. в 14 час. 00 мин. в ауд. 335-1 на заседании диссертационного совета Д.212.025.05 во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, www.vlsu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВлГУ. Автореферат размещен на сайтах ВАК РФ (http://vak.ed.gov.ru) и ВлГУ (www.vlsu.ru).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес учёного секретаря диссертационного совета. Тел.: 8-(4922) 47-99-28; Факс: 8-(4922) 53-2575; E-mail:sim_vl@nm.ru

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Главной задачей, поставленной в программе развития машиностроения России, является повышение темпов роста производства и качества выпускаемой продукции.

Ключевое значение приобретает развитие инновационного направления в промышленности, связанное с созданием новых высокоэффективных технологий и оборудования, современных принципов проектирования систем приводов, прогрессивных методов нахождения технических решений.

Современная промышленность выпускает целый ряд легкоповреждаемых изделий, обладающих специфическими свойствами, ограничивающими силовое воздействие на них, так как чрезмерное силовое воздействие может привести к разрушению либо к пластическим деформациям и нарушению требуемой геометрии поверхности изделия.

Производство легкоповреждаемых изделий включает выполнение транспортных операций (загрузки, выгрузки основного технологического оборудования, транспортировки и укладки штучных изделий).

Для работы с изделиями указанного типа существуют разнообразные захватные устройства (ЗУ), включая вакуумные, струйные, камерные и прочие, создающие распределенное силовое воздействие на захватываемую поверхность. Однако данные приводы предназначены для работы с изделиями небольшой массы.

В прокатно-волочильном производстве при изготовлении медной трубки готовая продукция выпускается в виде бухт трубок упорядоченной намотки, масса которых достигает 250 кг. Для ее транспортировки между технологическими операциями применяются механические захватные устройства. Вследствие отсутствия устройств, эффективно выполняющих транспортные операции тяжелых легкоповреждаемых изделий, вынужденно применяют рычажные захватные устройства и электротали для транспортировки, что часто приводит к появлению пластических деформаций и браку выпускаемой продукции. Применение данных захватных устройств наносит существенный экономический ущерб предприятию.

Таким образом, актуальными являются исследования существующих приводов захватных устройств и разработка новых, снижающих возможность появления брака выпускаемой продукции в процессе транспортирования легкоповреждаемых изделий.

Целью работы является повышение эффективности работы пневматических приводов за счет снижения брака выпускаемой продукции, возникающего при транспортировке тяжёлых легкоповреждаемых изделий, путем разработки захватных устройств, обеспечивающих сохранность геометрии и поверхности изделия.

Поставленная цель может быть достигнута:

- проведением анализа приводов современных захватных устройств и выявлением возможности повышения их эффективности;

- выявлением закономерностей работы камерных захватных устройств в условиях реального производственного процесса;

- синтезом структуры привода камерного захвата и разработкой устройства для работы с тяжелыми легкоповреждаемыми изделиями;

- синтезом структуры системы приводов и разработкой захватного устройства агрегатно-модульного типа, дополнительно выполняющего функцию перемещения изделия при обеспечении требуемого удельного давления на захватываемую поверхность;

- моделированием и проведением компьютерных расчётов, подтверждающих работоспособность и эффективность разработанного устройства;

- разработкой макета камерного захватного устройства с мембранным приводом перемещения изделия, лабораторного стенда и проведением натурных исследований, подтверждающих достоверность полученных теоретических результатов;

- разработкой опытного образца и проведением производственных испытаний для подтверждения его эффективности в реальных производственных условиях.

Объект исследования. Приводы камерных захватных устройств.

Предмет исследования. Методы проектирования систем пневматических приводов.

Методы исследований. Основные результаты работы были получены с использованием научных положений пневматики, методов поискового конструирования, планирования эксперимента, системного подхода. Проверка полученных результатов осуществлялась методами натурного эксперимента.

Научная новизна заключается:

- в возможности расширения диапазона захватываемых изделий по массе при обеспечении распределенного силового воздействия на захватываемую поверхность изделия путем анализа функций камерных захватных устройств и выделения грузонесущей функции;

- структуре камерного захватного устройства, отличающейся введением дополнительного элемента, выполняющего грузонесущую функцию, позволяющего эффективно использовать его для захвата и удержания тяжелых легкопо-вреждаемых изделий;

- системе приводов, состоящей из привода захвата и привода перемещения изделия, позволяющей повысить эффективность выполнения операций установки изделий на рабочую поверхность;

- компьютерной модели разработанной системы приводов, позволяющей проводить компьютерные расчёты ее работоспособности и эффективности при работе с тяжелыми легкоповреждаемыми изделиями.

Практическая полезность и реализация результатов работы в промышленности заключается:

- в разработке и внедрении камерного захватного устройства с дополнительно закрепленной на его корпусе рубашкой, нерастяжимой в вертикальном направлении и выполняющей грузонесущую функцию, что позволяет эффектив-

но использовать его для захвата и удержания тяжелых легкоповреждаемых изделий;

- разработке камерного захватного устройства с мембранным приводом перемещения изделия, позволяющего эффективно использовать его для транспортирования тяжелых легкоповреждаемых изделий;

- методике проектирования системы приводов, позволяющей разрабатывать устройства, снижающие возможность возникновения пластических деформаций тяжелых легкоповреждаемых изделий при их транспортировании.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются:

- ЗАО «Кольчугцветмет» г. Кольчугино в прокатно-волочильном цехе.

- Владимирским государственным университетом им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых в учебном процессе (специальность 220301 - Автоматизация технологических процессов и производств, по дисциплинам «Поисковое конструирование», «Принципы и методы нахождения технических решений»).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы машиностроения» (молодежная интернет-конференция ВлГУ, Владимир, 2012 г.); на V Научно-технической конференции аспирантов и молодых учёных «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление» (Ковров; 2010 г.); III Международной научно-практической конференции молодых учёных. (Таганрог, 2011 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Теория и практика современной науки» (Москва, 2012 г.); научно-технических семинарах кафедры «Автоматизация технологических процессов» механико-технологического факультета Владимирского государственного университета им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

На защиту выносятся:

- структура камерного захватного устройства, отличающаяся введением дополнительного элемента, выполняющего грузонесущую функцию, позволяющего эффективно использовать его для удержания тяжелых легкоповреждаемых изделий;

- структура системы приводов, состоящая из привода захвата и привода перемещения изделия, позволяющая повысить эффективность выполнения операций установки изделий на рабочую поверхность;

- результаты компьютерного моделирования разработанной системы приводов, подтверждающие исследования работоспособности и эффективности ее работы с тяжелыми легкоповреждаемыми изделиями;

- камерное захватное устройство с мембранным приводом перемещения изделия, позволяющее эффективно использовать его для транспортирования тяжелых легкоповреждаемых изделий;

- методика проектирования системы приводов, позволяющая разрабатывать устройства, снижающие возможность возникновения пластических деформаций тяжелых легкоповреждаемых изделий при их транспортировании.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Получены патенты РФ на изобретение и полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 107 наименования и 6 приложений. Общий объем диссертации 151 страница машинописного текста, в том числе 125 страниц основного текста, включающего 67 рисунков и 11 таблиц, 10 страниц списка литературы, 6 приложений на 16 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой темы, сформулированы цель и основные задачи исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная и практическая значимость результатов, даны сведения о публикациях.

Первая глава посвящена анализу современных захватных устройств модульного и агрегатно-модульного типов, применяемых для транспортирования легкоповреждаемых изделий.

Большую группу захватных устройств составляют камерные захваты, принцип работы которых основан на создании прижимного усилия за счет деформации эластичных камер, расширяющихся под действием сжатого воздуха. Применение эластичных камер обеспечивает большую площадь поверхности контакта с захватываемым изделием и распределённое усилие зажатия, при этом создаётся незначительное удельное давление на захватываемую поверхность груза. Камерные захватные устройства (КЗУ) ограничены по номенклатуре масс захватываемых изделий.

Разработки, расчеты и исследования камерных захватных устройств освещены в трудах Е.И. Воробьёва, Ю.Г. Козырева, С.Н. Сысоева, Ю.В. Черкасова.

Создание камерных захватных устройств с системой приводов, отвечающих современным требованиям, возможно на основе применения и совершенствования эффективных принципов, методов проектирования и разработки инновационных технологий и оборудования. Наиболее прогрессивным является агрегат-но-модульный принцип построения, позволяющий получить специализированные захватные устройства, наиболее полно отвечающие требованиям конкретной технологической задачи. Захватные устройства, выполненные по агрегатно-модульному принципу построения, обладают расширенными функциональными возможностями. Данный принцип позволяет конструктивно реализовать систему взаимосвязанных приводов на различных уровнях.

Принципам и методам построения систем, разработке инновационных технических решений посвящены труды ученых и специалистов, включая работы Г.С. Альтшуллера, С.Н. Сысоева, К. Александера, Л. Берталанфи, Р. Коллера и других отечественных и зарубежных исследователей.

Из современных системных рациональных методов нахождения технических решений своей эффективностью выделяется метод исследования функционально-физических связей (МИФФС). Он позволяет в общем виде дос-

таточно четко обосновать количество и состав функций, выполняемых устройством агрегатно-модульного типа. При этом разработка технического объекта (ТО) с требуемыми функциями осуществляется путем выявления и организации существенных причинных взаимосвязей между физическими явлениями, происходящими в ТО в конкретной области применения.

Вторая глава посвящена методике поискового конструирования, синтезу камерных захватных устройств модульного и агрегатно-модульного принципов построения.

На предприятии ЗАО «Кольчугцветмет» г. Кольчугино в прокатно-волочильном производстве вопрос транспортирования выпускаемых изделий типа бухт медных трубок упорядоченной намотки занимает одно из главных мест в технологическом процессе. Готовую продукцию транспортируют с помощью захватного устройства, использующего рычажный механизм для захвата изделия. Применение данного захватного устройства для транспортирования готовой продукции зачастую приводит к возникновению брака. Это связано:

- с удельными давлениями губками захвата на поверхность транспортируемой бухты, приводящими к нарушению целостности геометрии медных трубок;

- силовыми нагрузками, возникающими при установке изделия на рабочую поверхность, приводящими к деформации нижних витков медной трубки в бухте.

Технологический цикл изготовления изделия составляет 15 дней, и возникновение брака на конечных технологических операциях резко снижает эффективность работы всего предприятия.

Уменьшение количества брака на производстве возможно путём создания нового захватного устройства, обеспечивающего максимально возможную сохранность транспортируемого изделия при выполнении операций захвата и установки.

При решении данной технической задачи использовался метод поискового конструирования - МИФФС, - который основан на выявлении причинных взаимосвязей между потребностями, функциями, физическими явлениями и приведении их в соответствие области применения разрабатываемого технического объекта.

Одним из составляющих процесса транспортировки цилиндрических лег-коповреждаемых изделий с внутренней полостью является выполнение захватными устройствами функций «захватить» и «удержать» изделие. Минимально возможное силовое воздействие со стороны захватного устройства реализуется путем организации распределенной нагрузки. Такие устройства известны. Для захвата и удержания легкоповреждаемых изделий применяют камерные захватные устройства, которые создают незначительное удельное давление на поверхность захватываемого изделия. Однако область применения современных КЗУ ограничена по массе захватываемых изделий до 0,5 кг, что обусловлено деформацией расширяющейся эластичной камеры под тяжестью захватываемого изделия.

Для устранения указанных недостатков проведен анализ структуры КЗУ и функциональных возможностей элементов, входящих в состав исследуемого устройства.

Функционально-физическая структура исследуемого технического объекта

Рис. 1. Функционально-физическая структура технического объекта

Исследуемый объект ТО,, состоит из корпуса ТО, и эластичной камеры Т02. Камера выполняет функции захвата Ф, и удержания Ф2 изделия. Для этого используются физические явления: Jí - нормальное силовое воздействие на захватываемую поверхность изделия; - упругие силы; J} - перераспределение нагрузки со стороны изделия на грузонесущую рубашку.

Анализ показал, что уменьшение силового воздействия на поверхность захватываемого изделия путём снижения жёсткости камеры приводит к снижению грузоподъёмности. Применение более жёстких камер увеличивает грузоподъёмность, а также и силовое воздействие на захватываемую поверхность. Данные противоречивые характеристики устранены в новой структуре ЗУ ТО,,, отличающейся дополнительно введённым грузонесущим элементом ТО3, который перераспределяет нагрузку со стороны изделия J}.

Элемент Т03 выполнен в виде установленной вокруг камеры грузонесущей силовой рубашки (рис. 2), закрепленной на корпусе и нерастяжимой в направлении силового воздействия изделия, что позволяет значительно расширить область применения КЗУ по массе захватываемых изделий.

Рис. 2. Схема камерного захватного устройства: а - исходное положение; б - захват изделия

При этом камера выполняет функцию захвата, а грузонесущая рубашка -функцию удержания изделия.

Устройство состоит из полого корпуса 1, перфорированного по боковой поверхности. Камера 2 закреплена на боковой поверхности корпуса, герметизируя рабочую полость А устройства. Вокруг камеры на корпусе закреплена грузоне-сущая рубашка 3. Рабочая полость А соединена с избыточным давлением воздуха через распределитель 5.

В исходном положении (рис. 2, а) распределитель 5 отключен, рабочая полость соединена с атмосферой, камера 2 и грузонесущая рубашка 3 не прилегают к боковой поверхности корпуса 1.

Для захвата изделия 4 включают распределитель 5. При этом рабочая полость А соединяется с избыточным давлением воздуха, камера 2 расширяется, прилегая через грузонесущую рубашку 3 к внутренней боковой поверхности изделия 4. Выполняется функция захвата изделия. Силовая рубашка, нерастяжимая в вертикальном направлении, охватывающая камеру ЗУ, позволяет выполнять грузонесущие функции.

При решении задач по снижению силового воздействия, возникающих при установке изделия на рабочую поверхность, приводящей к деформации нижних витков медной трубки в бухте, использовались следующие закономерности последовательности работы захватных устройств: для всех ситуаций после завершения функции захвата изделия выполняется функция его подъема, а также после завершения функции опускания изделия на рабочую поверхность выполняется функция отпускания изделия.

Для разработки системы приводов, выполняющих данные функции, рассмотрена функциональная структура работы КЗУ:

Фи., ->■ Ф, ->Ф„ — Фик, Ф„к-*Фо„-> Ф<„ Ф,ш, где Ф„„, Ф3, Ф„, Ф0„, Фог, Ф„к - функции захвата исходного начального положения, захвата изделия, подъема, опускания, отпускания, исходного конечного положения соответственно.

Физические явления, сопровождающие выполнение требуемых функций:

V ./ин 3 [(Z, = Zml) л (Z2 = Z„„2) л (Р, = 0) л (/-'„ = 0)],

V J,3[(Z,=Zma) л (Z2 = Z„„2) л (Р,-»1) л (F„ = 0)],

V Jn 3 t(Z„Kl > Z, > Z„Hl) л (Z„K2 > Z2 > Z„„2) л (/>з=1) a (F„ = 1)],

VyHK 3 [(Z, =Zml) A (Z2 = Z„K2) A (P,=1) A (F„ = 1)],

V Jon 3 [(Z„Kl > Z, > Zml) A (Z„k2 > Z2 > Z„h2) A (P3 = 1) A (Fn — 0)],

V J0, 3 [(Z, = ZMl) a (Z2 = Zm2) A (P3 =0) A (F„ = 0)],

где J„„, J3, J,i, Jon, Jm J„K,- физические явления для функций исходного начального состояния, захвата изделия, подъема, опускания, отпускания, исходного конечного состояния ТО соответственно; Z,, Z2 - положение камеры и изделия соответственно; />3 - давление захвата на изделие; F„ - сила для подъёма изделия; 1-0 - наличие и отсутствие J соответственно.

Анализ физических явлений показал, что существенным признаком начала выполнения функции подъёма изделия является величина давления Р„ которую можно использовать в качестве признака команды управления.

Корпус

Г1 , Шток

Ш2

\/ Мемораны Жесты ш центр

Рис. 3. Схема мембранного пневмомеханического преобразователя

В качестве привода перемещения изделия выбран мембранный привод (рис. 3) с жесткими центрами, широко применяемый в пневмоавтоматике в качестве пневмомеханического преобразователя систем управления. Это связано с тем, что его конструктивное исполнение позволяет получить требуемое силовое воздействие на штоке соотношением

площадей жестких центров при заданной величине избыточного давления воздуха в рабочей камере.

Для преобразователя с двумя плоскими мембранами выражение для величины силового воздействия Рр на шток от давления имеет вид

Рр = рХ-л\г? -г,2 + Я(г2 -г,)],

где и силы, действующие на шток со стороны мембран; р - избыточное давление в рабочей камере; Я - радиус мембраны; г, и г2 - радиусы жестких центров.

Отсюда для заданных величин избыточного давления р с учетом размеров Я, Г\ и г2 можно получать требуемое усилие для относительного перемещения штока и корпуса преобразователя.

Предложена схема (рис. 4) камерного захватного устройства агрегатно-модульного типа, состоящего из двух взаимосвязанных приводов: камерного захвата и мембранного привода его перемещения.

Шток Изделие

г

/ТГ,

Рис. 4. Схема камерного мембранного захватного устройства

При подаче сжатого воздуха в камеру А и создании избыточного давления увеличивается диаметральный размер камеры и выполняется функция захвата изделия за внутреннюю поверхность. Дальнейшее повышение избыточного давления приводит к перемещению корпуса с захваченным изделием относительно штока, и выполняется функция подъема изделия устройством.

Данное техническое решение обеспечивает устранение повреждения торцевой поверхности изделия при его установке на рабочую поверхность за счет организации требуемой скорости перемещения изделия.

Рис. 5. Схема конечно-элементной сетки

р Fri.il Support

3 Sfcmtflld t.ltn GrawV 9Ш.(

Третья глава посвящена компьютерному моделированию камерного захватного устройства агрегатно-модульного типа, реализации модели на ЭВМ и проведению исследований для выявления работоспособности данного устройства.

В расчетном комплексе Ansys была создана твердотельная модель камерного захвата и проведено исследование ее работы с различными значениями давления и диаметрами жёстких центров. Для получения численного решения геометрическая модель разбивается на элементы конечно-элементной сеткой (рис. 5).

В качестве материала оболочки камерного захвата был задан материал - резина - со следующими параметрами: плотность 1000 кг/м3; модуль Юнга 6,1 МПа; коэффициент Пуассона 0,49; предел текучести при растяжении 9,2 МПа; предел прочно- Н сти на растяжение 13,7 МПа. Материал груза - медь плотностью 8,89-103 кг/м3. После генерации сетки конечных элементов задаются нагрузки и граничные условия компьютерной модели (рис. 6).

Пример полученных результатов компьютерной модели камерного агрегатно-модульного захватного устройства с системой взаимосвязанных приводов показан на рис. 7.

Компьютерное моделирование показало, что максимальная высота перемещения захватываемого изделия составляет 23 мм. При этом диаметр верхнего жёсткого центра 50 мм, диаметр нижнего жёсткого центра 150 мм, давление 0,3 МПа, масса груза 12 кг и ограничена максимальной величиной растяжимости материала, используемого в качестве мембраны захватного устройства.

Компьютерным моделированием выявлена зависимость высоты поднятия изделия камерным захватным устройством от давления внутри камеры (рис. 8).

Компьютерным моделированием установлено следующее:

- на работоспособность камерного за-

Рис. 6. Распределение нагрузок

17.11! 1>,бМ

Ми

Рис. 7. Результаты расчётов компьютерной модели

хватного устройства агрегатно-модульного типа оказывают влияние параметры, включая диаметры жёстких центров, величину избыточного давления в камере ЗУ, массу захватываемого изделия;

— наиболее существенное влияние на высоту перемещения изделия оказывают соотношения диаметров жёстких центров мембран.

Четвертая глава посвящена макетированию и проведению натурных исследований КЗУ с учетом реальных ситуаций их функционирования в условиях производств.

Для проведения натурных экспериментов разработан лабораторный стенд, структурная схема которого изображена на рис. 9, включающий макет КЗУ агрегатно-модульного ти-Рис. 8. График зависимости высоты па, резистивный датчик перемещения поднятия захватываемого изделия д\ груз^ датчик давления Д2.

от давления

На рис. 10 представлен общий вид лабораторного стенда для исследования камерного захватного устройства агрегатно-модульного типа с системой приводов.

Система подготовки воздуха

Распределитель Дроссель 5

Рис. 9. Структурная схема лабораторного стенда

Пример полученных графиков зависимости высоты поднятия груза от давления в камере захвата при определённых параметрах представлен на рис.11.

а

а) б)

Рис. 10. Общий вид лабораторного стенда: - лабораторный стенд; б - захватный агрегатный модуль

Рис. 11. Осциллограмма работы КЗУ: 1- координата груза; 2- избыточное давление в рабочей камере устройства; 3 - сигнал управления

Натурные исследования показали, что максимальная высота поднятия груза над рабочей поверхностью составляет 22 мм при использовании КЗУ агрегатно-модульного типа с плоскими мембранами.

Максимальная высота поднятия груза над рабочей поверхностью составляет 77 мм при использовании КЗУ агрегатно-модульного типа с мембранами в виде баллона.

Сравнение результатов (рис. 12), полученных экспериментальным путём, с результатами компьютерных расчётов исследуемого захватного ^с. 12. График зависимости высоты поднятия

захватываемого изделия от давления

X. м*I "

компьютерные расчеты

экспериментальные данные

20 25 30 Р. МИв«10'*

устройства позволяет сделать вывод, что экспериментально полученные результаты в допустимой мере соответствуют теоретически полученным результатам.

Расхождение натурных исследований с результатами компьютерных расчётов составляет не более 10 %.

Пятая глава посвящена натурным испытаниям камерного захватного устройства в условиях промышленного производства.

Захватное устройство имеет следующие технические характеристики:

1. Рабочее давление пневмосети 0,3 - 0,5 МПа.

2. Максимальное потребление сжатого воздуха из пневмосети 20 л/мин.

3. Класс очистки сжатого воздуха не ниже 12 (по ГОСТам).

4. Максимальная грузоподъёмность 300 кг.

5. Габаритные размеры захвата: наружный диаметр 597 мм; высота 300 мм.

6. Масса захвата 40 кг.

Процесс захвата и транспортирования бухты медной трубки упорядоченной намотки изображен на рис. 13.

а) б)

Рис. 13. Промышленные испытания опытного образца: а - процесс захвата бухты; б - транспортирование бухты

Промышленные испытания опытного образца камерного захватного устройства с расширенной номенклатурой по массе захватываемых изделий показали его работоспособность и эффективность.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования по повышению эффективности работы пневматических приводов позволили получить ряд новых результатов и сделать следующие выводы:

1. Анализ работы современных приводов выявил необходимость их совершенствования с целью снижения брака, возникающего при выполнении операций транспортирования легкоповреждаемых изделий.

2. Анализ функций камерных захватных устройств и выделение грузоне-сущей функции выявили возможность расширения диапазона захватываемых изделий по массе при обеспечении распределенного силового воздействия на захватываемую поверхность изделия.

3. Предложено новое камерное захватное устройство с дополнительно закрепленной на его корпусе рубашкой, нерастяжимой в вертикальном направлении и выполняющей грузонесущую функцию, позволяющее эффективно использовать его для захвата и удержания тяжелых легкоповреждаемых изделий.

4. Разработан опытный образец камерного захватного устройства с расширенным диапазоном грузоподъёмности (40 - 250 кг), позволяющий эффективно использовать его для захвата и удержания тяжелых легкоповреждаемых изделий.

5. Анализ работы приводов позволил разработать новую структуру системы приводов, состоящую из привода захвата и привода перемещения изделия, предназначенную для выполнения операций установки изделия на рабочую поверхность без их повреждения. Предложено новое камерное захватное устройство с мембранным приводом перемещения изделия, позволяющее использовать его для транспортирования тяжелых легкоповреждаемых изделий.

6. Подтверждены работоспособность системы приводов и эффективность её работы нового камерного захватного устройства. Разработана твердотельная модель, проведено компьютерное моделирование с применением метода конечных элементов. Выявлена зависимость величины перемещения изделия от избыточного давления питания системы приводов при последовательном выполнении операций захвата и подъема изделия.

7. Предложена методика проектирования системы приводов, позволяющая разрабатывать устройства, снижающие возможность возникновения пластических деформаций тяжелых легкоповреждаемых изделий при их транспортировании.

8. Разработаны макет камерного захватного устройства с мембранным приводом перемещения изделия, лабораторный стенд и проведены натурные исследования, подтвердившие достоверность технических предложений. Расхождение экспериментальных данных и результатов расчётов компьютерной модели составляет не более 10 %.

9. Камерное захватное устройство внедрено на предприятии ЗАО «Коль-чугцветмет» г. Кольчугино в прокатно-волочильном цехе для транспортирования бухт медных трубок упорядоченной намотки, которое позволяет снизить брак выпускаемой продукции - с 1,5 до 0,4 % с экономическим эффектом 4 620 ООО руб. в год. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Автоматизация технологических процессов» Владимирского государственного университета.

Основные положения диссертации опубликованы в работах

Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК

1. Сысоев, С. Н. Камерное захватное устройство для транспортировки бухты медной трубки упорядоченной намотки / С. Н. Сысоев, Р. А. Никитин // Заготовительные производства в машиностроении. - 2012. - № 2 - С. 30 - 32. (Лично соискателем 60 %).

2. Сысоев, С. Н. Камерный захватный агрегатный модуль для транспортировки бухты медной трубки упорядоченной намотки / С. Н. Сысоев, Р. А. Никитин, А. В. Федотов // Заготовительные производства в машиностроении. -2012. - № 3. - С. 35-37. (Лично соискателем 50 %).

Материалы научно-технических конференций

3. Никитин, Р. А. Разработка захватного устройства для транспортировки бухты медной трубки упорядоченной намотки / Р. А. Никитин, С. Н. Сысоев // Управление качеством машиностроительных технологических процессов формообразования : сб. науч. тр. - М. : Станкин, 2010. - С. 3 - 6. (Лично соискателем 80 %).

4. Никитин, Р. А. Пневмомеханическое камерное захватное устройство / Р. А. Никитин, С. Н. Сысоев // Вооружение. Технология. Безопасность. Управление : материалы V Всерос. науч.-техн. конф. аспирантов и молодых учёных. В 6 ч. Ч. 2. - Ковров : КГТА, 2010. - С. 9 - 10. (Лично соискателем 70 %).

5. Сысоев, С. Н. Многокамерное захватное устройство / С. Н. Сысоев, Р. А. Никитин // III Международная научно-практическая конференция молодых учёных : сб. науч. тр. - М. : Спутник +, 2011. - С. 265 - 269 (Лично соискателем 80 %).

6. Сысоев, С. Н. Камерный захватный агрегатный модуль / С. Н. Сысоев, Р. А. Никитин // Теория и практика современной науки : материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф. - М. : Спецкнига, 2012. - С. 381 - 385. (Лично соискателем 50 %).

Патенты РФ на изобретение и полезную модель

7. Пат. 2409514 Российская Федерация, МПК3 В 66 С 1/54. Захватное устройство / Сысоев С. Н., Черкасов Ю. В., Бакутов А. В., Никитин Р. А. ; заявитель и патентообладатель Владим. гос. ун-т. -№ 2009145335/11; заявл. 07.12.2009 ; опубл. 20.01.2011, Бюл. № 19. - 3 с. (Лично соискателем 35 %).

8. Пат. 116846 Российская Федерация, МПК3 В 66 С 1/54. Камерный захватный агрегатный модуль / Сысоев С. Н., Никитин Р. А., Федотов А. В. ; заявитель и патентообладатель Владим. гос. ун-т. - № 2011154231/11 ; заявл. 28.12.2011 ; опубл. 03.02.2012. Сайт ФИПС. (Лично соискателем 30 %).

Отпечатано в типографии ООО «ПервопечатникЪ», г. Владимир ул. Горького,75 заказ №4612, 100 экз

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

На правах рукописи

04201456244

НИКИТИН РОМАН АЛЕКСАНДРОВИЧ

СИСТЕМА ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ КАМЕРНЫХ ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЛЕГКОПОВРЕЖДАЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.02.02. - машиноведение, системы приводов и детали машин

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сысоев С.Н.

Владимир 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ЛЕГКОПОВРЕЖДАЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ........................................................10

1.1. Классификация захватных устройств.................................................11

1.2. Камерные захватные устройства........................................................18

1.3. Захватные устройства агрегатно-модульного типа...........................30

Выводы............................................................................................................34

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КАМЕРНЫХ ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ......35

2.1. Анализ методов разработки приводов захватных устройств...........37

2.2. Методика поиска технических решений...........................................49

2.2.1. Разработка камерного захватного устройства для захвата и удержания тяжелых легкоповреждаемых изделий.....................................................................................49

2.2.2. Разработка системы приводов камерного захватного устройства для транспортировки тяжелых легкоповреждаемых изделий...................................................55

2.3. Инженерная методика расчета силового воздействия на изделие камерного захватного устройства.....................................................61

Выводы............................................................................................................64

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КАМЕРНЫХ ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ НА МОДЕЛИ.................................................................................................65

3.1. Реализация компьютерной модели камерного захватного устройства программным комплексом............................................65

3.2. Общая методика планирования эксперимента................................70

3.3. Результаты компьютерного моделирования...................................85

Выводы

88

ГЛАВА 4. МАКЕТИРОВАНИЕ И ПРОВЕДЕНИЕ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................................................90

4.1. Лабораторная установка для проведения натурных исследований......................................................................................90

4.2. Сравнение результатов экспериментальных исследований

с данными компьютерных расчетов ..............................................115

Выводы..........................................................................................................117

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЯ КАМЕРНОГО ЗАХВАТНОГО УСТРОЙСТВА В УСЛОВИЯХ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА........................................................................................118

5.1. Пневматическое и электрическое оборудование опытного образца камерного захватного устройства.....................................119

5.2. Промышленные испытания опытного образца камерного захватного устройства ...................................................................122

Выводы..........................................................................................................123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................124

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................126

ПРИЛОЖЕНИЯ ...........................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время производительность труда в отечественном машиностроении значительно ниже производительности на аналогичных предприятиях в Европе. Главной задачей, поставленной в программе развития машиностроения России, является повышение темпов роста производства и качества выпускаемой продукции.

Ключевое значение приобретает развитие инновационного направленияв-промышленности, связанное с созданием новых высокоэффективных технологий и оборудования, современных принципов проектирования систем приводов, прогрессивных методов нахождения технических решений.

В современной промышленности выпускается целый ряд легкоповреждае-мых изделий, обладающих специфическими свойствами, ограничивающими силовое воздействие на них, так как чрезмерное силовое воздействие может привести к разрушению, либо к пластическим деформациям и нарушению требуемой геометрии.Высокая чувствительность к механическим воздействиям - один из характерных и часто встречающихся признаков многих изделий. Это обусловлено изготовлением изделий из эластичных или хрупких материалов, таких как пластик, стекло, керамика; особенностями конструкций с малой толщиной стенок и т.п. [431.

Производство легкоповреждаемых изделий включает выполнение транспортных операций (загрузка, выгрузка основного технологического оборудования, транспортировка и укладка штучных изделий).

Для работы с изделиями указанного типа существуют разнообразные захватные устройства (ЗУ), включая камерные, вакуумные, струйные и прочие, создающие распределенное силовое воздействие на захватываемую поверхность.Однако данные приводы предназначены для работы с изделиями небольшой массы.

В прокатно-волочильном производстве при изготовлении медной трубки готовая продукция выпускается в виде бухт трубок упорядоченной намотки, мас-

са которых достигает 250 кг. Тонкостенные легкоповреждаемые трубки, диаметром от 6 до 20 мм и толщиной стенок 0,8 - 1,5 мм, после термической обработки продолжительное время имеют невысокую жёсткость и подвержены деформациям даже при незначительном механическом воздействии со стороны захватного устройства при выполнении транспортных операций. Вследствие отсутствия устройств, эффективно выполняющих транспортирование тяжелых легкоповреждае-мых изделий, например, бухт трубок упорядоченной намотки, между технологическими операциями, вынужденно применяют рычажные захватные устройства и электротали, что часто приводит к появлению пластических деформаций и браку выпускаемой продукции. Применение данных захватных устройств существенно снижает экономическиспоказатели предприятий.

Таким образом, актуальным является исследование существующих приводов захватных устройств и разработка новых, снижающих возможность появления брака выпускаемой продукции в процессе транспортирования тяжелых легко-повреждаемых изделий.

Целью работы является повышение эффективности работы пневматических приводов за счет снижения брака выпускаемой продукции, возникающего при транспортировании тяжёлых легкоповреждаемых изделий, путем разработки захватных устройств, обеспечивающих сохранность геометрии изделия.

Поставленная цель может быть достигнута выполнением следующих задач:

- проведением анализа приводов современных захватных устройств и выявлением возможности повышения их эффективности;

- выявлением закономерностей работы камерных захватных устройств в условиях реального производственного процесса;

- синтезом структуры привода камерного захвата и разработкой устройства для работы с тяжелыми легкоповреждаемыми изделиями;

- синтезом структуры системы приводов и разработкой захватног о устройства агрегагно-модулыюго типа, дополнительно выполняющего функцию пере-

мещения изделия при обеспечении требуемого удельного давления на захватываемую поверхность;

-моделированием и проведением компьютерных расчётов, подтверждающих работоспособность и эффективность разработанного устройства;

- разработкой макета камерного захватного устройства с мембранным приводом перемещения изделия, лабораторного стенда и проведением натурных исследований, подтверждающих достоверность полученных теоретических результатов;

- разработкой опытного образца и проведением производственных испытаний для подтверждения его эффективности в реальных производственных условиях.

Методы исследований. Основные результаты работы были получены с использованием научных положений пневматики, методов поискового конструирования, планирования эксперимента, системного подхода, метода компьютерного моделирования. Проверка полученных результатов осуществлялась методами натурного эксперимента. Методологическую и теоретическую основу составили труды Буша Г.О., Герца Е. В., Горского В.Г., Наземцева A.C., Сысоева C.II. и др.

Научная новизна работы заключается:

- в возможности расширения диапазона захватываемых изделий по массе при обеспечении распределенного силового воздействия на захватываемую поверхность изделия путем анализа функций камерных захватных устройств и выделения грузонесущей функции;

- структуре камерного захватного устройства, отличающейся введением дополнительного элемента, выполняющего грузонесущую функцию, позволяющего эффективно использовать его для захвата и удержания тяжелых легкоповреждае-мых изделий;

- системе приводов, состоящей из привода захвата и привода перемещения изделия, позволяющей повысить эффективность выполнения операций установки изделий на рабочую поверхность;

- компьютерной модели разработанной системы приводов, позволяющей проводить компьютерные расчёты ее работоспособности и эффективности при работе с тяжелыми легкоповреждаемыми изделиями.

Практическая новизна работы заключается:

- в разработке и внедрении камерного захватного устройства с дополнительно закрепленной па его корпусе рубашкой, нерастяжимой в вертикальном направлении и выполняющей грузонесущую функцию, что позволяет эффективно использовать его для захвата и удержания тяжелых легкоповреждаемых изделий;

- разработке камерного захватного устройства с мембранным приводом перемещения изделия, позволяющего эффективно использовать его для транспортирования тяжелых легкоповреждаемых изделий;

- методике проектирования системы приводов, позволяющей разрабатывать устройства, снижающие возможность возникновения пластических деформаций тяжелых легкоповреждаемых изделий при их транспортировании.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы машиностроения» молодежная интернет-конференция ВлГУ, Владимир, 2012 г.; па V Научно-технической конференции аспирантов и молодых учёных «Вооружение. Технология. Безопасность. Управление» (Ковров; 2010 г.); III Международной научно-практической конференция молодых учёных. (Таганрог, 2011г.); VIII Международной научно-практической конференции «Теория и практика современной науки» (Москва, 2012 г.): научно-технических семинарах кафедры «Автоматизация технологических процессов» механико-технологического факультета Влади-

мирского государственного университета им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых.

На защиту выносятся:

- структура камерного захватного устройства, отличающаяся введением дополнительного элемента, выполняющего грузонесущую функцию, позволяющего эффективно использовать его для удержания тяжелых легкоповреждаемых изделий;

- структура системы приводов, состоящая из привода захвата и привода перемещения изделия, позволяющая повысить эффективность выполнения операций установки изделий на рабочую поверхность;

- компьютерная модель разработанной системы приводов, позволяющая проводить компьютерные расчёты работоспособности и эффективности работы с тяжелыми легкоповреждаемыми изделиями;

- камерное захватное устройство с мембранным приводом перемещения изделия, позволяющее эффективно использовать его для транспортирования тяжелых легкоповреждаемых изделий;

- методика проектирования системы приводов, позволяющая разрабатывать устройства, снижающие возможность возникновения пластических деформаций тяжелых легкоповреждаемых изделий при их транспортировании.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, патент РФ на изобретение и патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 107 наименований и 6 приложений. Общий объем диссертации 151 страница машинописного текста,

в том числе: 125 страниц основного текста, включающего 67 рисунков и 11 таблиц, 10 страниц списка литературы, 6 приложений на 16 страницах.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЗАХВАТНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ЛЕГКОПОВРЕЖ-ДАЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ

В зависимости от требований производственного процесса к манипуляци-ониым механизмам, обслуживающим основное технологическое оборудование, разрабатывается и практически используется большое количество схем захватных устройств, реализующих различные принципы и различающихся сложностью и возможностями [42, 89]. Основными требованиями, предъявляемыми к захватным механизмам, осуществляющим работы по транспортированию изделий при обслуживании технологического оборудования, являются надежность захвата и удержания изделия, простота конструкции, широкие функциональные возможности.

В настоящее время на предприятии ЗАО Кольчугцветмет готовую продукцию выпускают в виде бухт медных трубок упорядоченной намотки с диапазоном масс от 80 до 250 кг. Производство данной продукции включает выполнение транспортных операций. После термической обработки твердость изделия (медной трубки) при комнатной температуре продолжительное время остается незначительной, тонкостенные трубки подвержены деформации даже при незначительном механическом воздействии, что осложняет реализацию ее транспортирования на следующую технологическую позицию для проведения необходимых технологических операций или упаковку в тару. Применение существующего захватного устройства при транспортировании бухт трубок упорядоченной намотки часто приводит к возникновению деформации изделий и браку выпускаемой продукции. Недопустимые пластические деформации, возникающие в процессе выполнения транспортных операций, происходят по двум причинам:

- создание чрезмерного силового воздействия на поверхность захватываемого изделия в процессе её захвата и удержания;

- установка изделия на рабочую поверхность после окончания транспортных операций, приводящая к деформации нижней, торцевой поверхности изделия.

Для предотвращения возможности возникновения пластических деформаций, возникает необходимость снижения силового воздействия на изделие в процессе захвата и удержания, и постановки её на рабочую поверхность. Для этого необходимо разработать новое ЗУ, эффективно работающего с тяжёлыми легко-повреждаемыми изделиями цилиндрической формы с внутренней полостью, а также создать новое устройство, снижающее силовое воздействие на торцевую поверхность изделия, путём обеспечения безударности постановки её на рабочую позицию.

Для решения данных задач необходимо провести анализ существующих захватных устройств; выявить устройства, отвечающие указанным требованиям, а также определить границы их применимости в различных производственных отраслях.

1.1. Классификация захватных устройств

К захватным устройствам предъявляются высокие требования по быстродействию, надёжности, простоте конструкции, компактности, функциональным возможностям. Существует множество манипуляционпых механизмов, каждый из которых в той или иной степени удовлетворяет этим потребностям, но обладает собственными отличительными способностями.

Захватные устройства классифицируются по признакам, характеризующим конструктивные разновидности и технологические особенности их применения рис.1.1.

ЗАХВАТИ!)!! УС1ТОИСИ5А

Принцип действия

Тип

привода

Количество приводов

Принцип построения

Степень специализации,

ГрузоподъемХ ность

Специфика захватываемых; _изделий

Г

С эластичными камерами

Механи Вакуум Струйные Электромаг

ческие ные нитные

Пненмати Гидрашш Электри Комбини

ческий ческий ческии рованныи

Многоприводные

Одпоприводные

Агрегат! ад-модульный

Специальные

Специализн рованные

Модульный

Многоце левые

Универса льные

Сверх лё! кие

Легкие

Средние

Тяжёлые

Сверх тяжёлые

Легкопов реждаемые

Невысокая жёсткость

Рис Л .1. Классификация захватных устройств По типу используемою привода различают: пнсвматическиеЗУ, гидравлические ЗУ, электрические ЗУ, комбинированные ЗУ. По количеству приводов: од-ноприводные ЗУ, многоприводные ЗУ. По принципу построения ЗУ делят на: модульные и агрсгатно-модульные. По степени специализации ЗУ подразделяю 1ся на: специальные, специализированные, многоцелевые, универсальные. По грузоподъёмности ЗУделятся на: сверхлёгкие, лёгкие, средние, тяжёлые, сверхтяжёлые [49].

Для выявления оптимальной конструкции, удовлетворяющей производственной потребноеI и, необходимо провести анализ сущесшующих захватных устройств.

По принципу действия захватные устройства делятся:

- механические;

- электромагнитные;

- вакуумные;

- струйные;

- с