автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование механического дискового бункерного загрузочного устройства с радиальными гнездами

На правах рукописи

ДАВЫДОВА Елена Викторовна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ДИСКОВОГО БУНКЕРНОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА С РАДИАЛЬНЫМИ ГНЕЗДАМИ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты

и процессы (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003455922

Тула 2008

003455922

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Прейс Владимир Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Бляхеров Игорь Соломонович

кандидат технических наук Галонска Михаил Константинович

Ведущая организация:

ОАО «КБАЛ им. Л.Н. Кошкина», г. Климовск, Московской обл.

Защита состоится «24» декабря 2008 г. в 14.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.271.10 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, пр. Ленина, 84, корп.7 (4-й уч. корп., ауд. 4-311).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан « ¡М » /оС?Л$Я- 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.А. Крюков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Автоматическая загрузка штучных предметов обработки (исходных заготовок, деталей, компонентов и т.п.) в технологические машины-автоматы и линии является одной из решающих операций при автоматизации технологических процессов. Загрузку штучных предметов обработки осуществляют системы автоматической загрузки (САЗ), основным элементом которых является бункерное загрузочное устройство (БЗУ), обеспечивающее автоматическое извлечение из «навала» (захват), приведение в упорядоченное положение (ориентирование) и выдачу в приемник штучных предметов обработки. Правильный выбор рациональной конструкции БЗУ во многом определяет надежность и производительность технологических машин и линий, особенно при автоматизации сборки многоэлементных изделий, требующей одновременной загрузки компонентов несколькими параллельно работающими БЗУ.

Для загрузки предметов обработки формы тел вращения с явно выраженной асимметрией внешней формы по торцам применяют механическое дисковое БЗУ с радиальными гнездами, профиль которых повторяет внешнюю форму предмета обработки. В данном БЗУ функции захвата и ориентирования совмещены, поэтому при загрузке предметов обработки с неявно выраженной асимметрией по торцам в приемник выдаются неориентированные предметы обработки и наблюдается их заклинивание в движущихся рабочих органах БЗУ, что приводит к снижению фактической производительности БЗУ.

В связи с вышеизложенным обеспечение автоматической загрузки с требуемой производительностью предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам механическим дисковым БЗУ с радиальными гнездами является актуальной задачей.

Цель работы. Расширение технических возможностей механического дискового БЗУ с радиальными гнездами, заключающееся в обеспечении автоматической загрузки предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам с требуемой производительностью.

Объект исследования. Механическое дисковое БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором в процессе его функционирования, который рассматривается как совокупность процессов захвата и ориентирования загружаемых предметов обработки.

Предмет исследования. Основные конструктивные и кинематические параметры механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором и параметры загружаемых предметов обработки в их взаимосвязи.

Метод исследования, принятый в работе, заключается в сочетании аналитических и экспериментальных исследований процессов захвата, ориентирования и выдачи предметов обработки с использованием математических и натурных моделей, при построении которых использовались методы аналитической пространственной геометрии, теоретической механики, теории вероятности. При постановке экспериментов и обработке экспериментальных данных использовались методы теории погрешностей и математической статистикир'^

Общетеоретическую базу исследований составили научные труды И.И. Артоболевского, С.И. Артоболевского и Г.А. Шаумяна по теории производительности технологических машин-автоматов и механизмов, Л.Ф. Ан-чишкиной, А.Н. Беляковой, И.С. Бляхерова, В.П. Боброва, К.И. Беспалова, М.К. Галонска, Н.И. Камышного, А.Н. Малова, М.В. Медвидя, В.А. Повидайло, В.В. Прейса, В.Ф. ПреЙса, А.Н. Рабиновича, Н.А. Усенко, Б.И. Черпакова, Н.И. Шерешевского по теории и проектированию БЗУ для штучных предметов обработки.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается представительным объемом анализируемой информации по исследованию и проектированию механических дисковых БЗУ, полнотой учета влияющих факторов, корректностью использования общепринятых математических методов и компьютерного моделирования, качественным и количественным соответствием результатов теоретических расчетов полученным экспериментальным данным.

Автор защищает:

1. Совокупность конструктивных ограничений на геометрические параметры ориентирующего и захватных органов механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, в котором разделены функции захвата и ориентирования предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам.

2. Аналитическую модель процесса захвата, определяющую наиболее благоприятные условия для захвата предметов обработки в зависимости от угла наклона бункера, геометрических параметров ориентирующего и захватных органов БЗУ, загружаемых предметов обработки и коэффициента трения.

3. Аналитическую модель процесса пассивного ориентирования, определяющую условия надежного пассивного ориентирования предметов обработки в зависимости от угла наклона бункера, угловой скорости диска, геометрических параметров ориентирующего и захватных органов БЗУ, загружаемых предметов обработки и коэффициента трения.

4. Аналитическую модель производительности механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, учитывающую вероятностный характер процесса захвата, взаимосвязанное влияние на производительность БЗУ его основных кинематических и конструктивных параметров и параметров, характеризующих предмет обработки.

5. Усовершенствованное механическое дисковое БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором и инженерную методику его проектирования, базирующуюся на результатах теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Впервые установлена взаимосвязь между параметрами предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам и конструктивными параметрами механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, выявлено взаимное влияние вышеуказанных параметров и кинематических параметров БЗУ на его производительность.

Практическая ценность. На основе принципа разделения функций захвата и ориентирования разработана усовершенствованная конструкция механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, обеспечившая автоматическую загрузку предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам с отношением диаметров торцов 0,9 >й2^\> 0,7, длиной / < 0,07 м и углом при вершине одного из торцов 2(3 <30°. Разработанное БЗУ является универсальным по сравнению с ранее известным БЗУ, поскольку обеспечивает ориентирование предметов обработки, как с неявно, так и с явно выраженной асимметрией по торцам. Разработана инженерная методика проектирования усовершенствованного БЗУ, позволяющая рассчитать и выбрать конструктивные и кинематические параметры БЗУ, обеспечивающие требуемую производительность.

Реализация результатов работы. Конструкторская документация и инженерная методика проектирования механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором переданы на ОАО «КБАЛ им. Л.Н. Кошкина» (Московская обл., г. Климовск), ЗАО «РОТОР» (г. Тула) и ОАО «ТПЗ» (г. Тула) для практического использования.

Результаты исследования легли в основу учебного пособия «Автоматические загрузочно-ориентирующие устройства», рекомендованного УМО вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 150400 Технологические машины и оборудование. Учебное пособие используется в учебном процессе на кафедрах «Технологические системы пищевых и перерабатывающих производств» и «Технологическая механика» ТулГУ при выполнении курсовых проектов и лабораторных работ по дисциплинам «Автоматизация производства» и «Теория автоматической загрузки».

Апробация работы. Основные научные положения диссертации, результаты исследований и разработок докладывались на международных конференциях «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Тула, ТулГУ, 20032007 гг.), на Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (г. Белгород, БГТУ, 2004 г.), на Первой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых новой России» (г. Тула, ТулГУ, 2004 г.), на Международной студенческой научно-технической конференции «Автоматизация, технология и качество в машиностроении» (г. Донецк, ДонНТУ, 2006 г.), на Второй Международной научно-технической конференции «Автоматизация машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (г. Вологда, ВоГТУ, 2006 г.), на Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, ДонНТУ, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 1 патент на полезную модель, 1 учебное пособие с грифом УМО, 10 статей, в том числе 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 доклада на международных, а также всероссийских научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 106 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 143 страницы, в том числе 48 рисунков и 6 таблиц. Объем приложений 34 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой темы, сформулированы цель диссертационной работы и положения, выносимые на защиту, приведены данные о научной новизне, практической значимости, апробации и реализации результатов работы.

В первом разделе рассмотрено состояние изучаемого вопроса.

Загрузку штучных предметов обработки в технологические машины-автоматы и линии осуществляют САЗ. Используя признак классификации технологических машин, предложенный академиком Л.Н. Кошкиным, выделяют два класса САЗ штучных предметов обработки: стационарные и роторные.

Роторные САЗ построены по принципу роторных технологических машин, производящих захват, ориентирование и выдачу предметов обработки в процессе непрерывного транспортного вращения своих функциональных устройств совместно с загружаемыми предметами. Роторные САЗ обеспечивают автоматическую загрузку линий исключительно роторного типа.

Область применения стационарных САЗ значительно шире. Поскольку стационарные САЗ осуществляют выдачу предметов обработки при неизменном положении своих функциональных устройств относительно движущегося транспортного устройства линии, то они могут быть использованы для загрузки штучных предметов обработки в технологические машины-автоматы различного типа, в том числе роторного.

Основным элементом стационарных САЗ является вибрационное или механическое БЗУ.

Вибрационные БЗУ применяют преимущественно для загрузки равнораз-мерных, пластинчатых и плоских предметов обработки. В вибрационных БЗУ ориентирование движущихся по дорожке предметов обработки осуществляется путевыми ориентаторами с помощью упоров и трафаретов, конструкция которых зависит от загружаемых предметов обработки. Данная группа методов основана на использовании геометрических ключей ориентации (асимметрия формы, смещение центра масс). Поэтому ориентирование предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам в процессе движения по дорожке малонадежно. Это вызовет необходимость создания дополнительных ориентирующих устройств или устройств блокировки в случае появления неправильно ориентированных предметов обработки, расположенных в зоне выдачи или вне вибрационных БЗУ.

Механические БЗУ применяют для загрузки как равноразмерных, пластинчатых и плоских, так и стержневых предметов обработки. Наибольшее распространение среди БЗУ этого класса получили механические дисковые БЗУ, имеющие вращающийся диск с захватными органами.

В большинстве конструкций механических дисковых БЗУ, применяемых для захвата и ориентирования предметов обработки с асимметрией внешней формы по торцам, в том числе в механическом дисковом БЗУ с радиальными гнездами, функции захвата и ориентирования совмещены. Поэтому при загрузке предметов обработки с неявно выраженной асимметрией по торцам в приемник выдаются неориентированные предметы обработки и наблюдается их заклинивание в движущихся рабочих органах БЗУ.

Это объясняется тем, что для надежного захвата предмета обработки гнездом необходимо, чтобы ширина гнезда была больше диаметра заготовки на величину Д/, называемую зазором по шагу. Для механических дисковых БЗУ принимают Дс = (0,1-0,2^, где с1\ - диаметр цилиндрической части предмета обработки (рис. 1 ,а, 6).

Рис. 1. Положение предметов обработки с явно (а) и неявно (б) выраженной асимметрией по торцам в гнезде при Л? = (0,1 - 0,2)с/]

При такой величине зазора по шагу неправильно ориентированный предмет обработки с неявно выраженной асимметрией практически полностью погружается в гнездо, что делает невозможным его удаление (см. рис. 1, б). Поэтому величина зазора по шагу для захвата предметов обработки с неявно выраженной асимметрией должна быть значительно меньше рекомендуемой. Однако, чем меньше величина зазора по шагу, тем ниже вероятность захвата предметов обработки, и, как следствие, коэффициент выдачи и производительность БЗУ.

Одним из путей повышения надежности механического дискового БЗУ с радиальными гнездами является разделение функций захвата и ориентирования гнезда. В соответствии с поставленной целью и проведенным анализом известных научных работ в области теории и практики проектирования БЗУ сформулированы задачи диссертационного исследования:

1. Совершенствование конструкции механического дискового БЗУ с радиальными гнездами на основе разделения функций захвата и ориентирования предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам и определение конструктивных ограничений на параметры ориентирующего и захватных органов БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ори-ентатором.

2. Разработка аналитических моделей процесса захвата и пассивного ориентирования предметов обработки в БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором.

3. Разработка аналитической модели и исследование производительности БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором.

4. Проведение экспериментальных исследований БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором.

5. Разработка инженерной методики расчета и проектирования дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором для предметов обработки формы тел вращения с асимметрией по торцам и его конструкции.

Во втором разделе разработаны конструктивные ограничения на геометрические параметры ориентирующего и захватных органов и аналитические модели процесса захвата предметов обработки.

С разделением функций захвата и ориентирования профильного гнезда предполагается, что захват предметов обработки будет осуществляться гнездом, профиль которого не повторяет профиль загружаемых предметов обработки, а ориентирование - кольцевым ориентатором, который является единым конструктивным элементом.

С учетом того, что гнездо должно обеспечить наибольшую вероятность захвата, а кольцевой ориентатор - надежное ориентирование предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам, были сформированы ограничения на конструктивные параметры ориентирующего и захватных органов (рис. 2).

Рис. 2. Схема формирования ограничений на конструктивные параметры захватных (а) и ориентирующего (б) органов в процессе захвата (в) и пассивного ориентирования (г) предметов обработки

Ширина с1к, длина и высота гнезда \ принимаются конструктивно по рекомендациям целого ряда авторов из условий, выполнение которых обеспечивает необходимые условия для захвата предметов обработки:

Длина гнезда до кольцевого ориентатора 1у_\, угол при вершине кольцевого ориентатора а^ и величина отступа верхней части кольцевого ориентатора от нижней Ъ выбираются из условий, выполнение которых обеспечивает запа-дение в кольцевой ориентатор предметов обработки в правильном положении и исключает захват предметов обработки, запавших не в требуемом положении:

йх<йк <с/, + ДГтах, 1<1к <1,1/, кк =<*!.

тах >

/[ < lkl < 1,1/j; 0,Щ <b<, ¿/jcosP;

f

arceos

h-h

где /| - длина цилиндрической части предмета обработки.

Угол <Хф и высоту Аф фаски в БЗУ для предметов обработки, представляющих область исследования, принимают конструктивно из условий, выполнение которых способствует западению предмета обработки коническим торцом в гнездо в нижней части бункера и пассивному ориентированию в верхней части бункера частично запавшего предмета обработки:

1,7$ < Иф < 2,5(3; 0,18^ £ Аф 5 0,3^.

С целью определения граничных условий процесса захвата предметов обработки с различными геометрическими параметрами и коэффициентами трения в зависимости от угла наклона бункера в диапазоне 30° < аду,, < 60° были

проанализированы условия западания предмета обработки, запавшего в гнездо в требуемом положении. Для этого были построены уравнения статического равновесия предмета обработки в гнезде в нижней точке вращающегося диска

при ф = 0° ив горизонтальном положении при ф = 90°, показавшие, что в усовершенствованном БЗУ будет обеспечиваться захват предметов обработки.

Для сравнения и подтверждения приведенных расчетов были рассмотрены упрощенные модели западания предмета обработки в гнездо без кольцевого ориентатора в тех же точках, показавшие, что кольцевой ориентатор хотя, и влияет на возможность захвата предметов обработки сквозным гнездом, но не препятствует полному западанию конического торца предмета обработки в кольцевой ориентатор.

Аналитическая модель процесса захвата позволяет определить зону ф3, в которой будет обеспечиваться захват предметов обработки, и выявить наиболее благоприятные условия для захвата предметов обработки в зависимости от угла наклона бункера а^,,,, геометрических параметров ориентирующего и захватных органов БЗУ, загружаемых предметов обработки и коэффициента трения р. между ними.

Процесс захвата единичного предмета обработки из общей массы носит случайный характер. Поэтому моделирование процесса захвата с использованием аналитических моделей, базирующихся на постулатах классической механики и точно описывающих процесс движения только одного предмета обработки, с помощью уравнений Лагранжа II рода не имеет смысла. В связи с этим были составлены уравнения статического равновесия правильно запавшего предмета обработки в гнезде при произвольном значении угла поворота вращающегося диска ф:

ZMFA=-F^2lF +N21Nia +Огсощ10и-GllGu-FmlF =0;

W2A ""LA - '"¿A * A W 'TPJX

M =-FTPI/FTPIS -NXINXB -С72со3ф/С2й +G!/G]B +FTp3lFmB = 0;

S^Ox = (G2 C0S(P ~ Fipi )coscx$ + sin04j> ~ ^гр, - sin(P + «ф)" -F^ соз(р + аф)=0( где G = mg - сила тяжести предмета обработки; G\ = Gcoscp, G^ = Gsincp - составляющие силы G, направленные перпендикулярно поверхности диска и по поверхности диска соответственно; F.^ = Л^ц, Frp2 ~N2(i, /трз - си-

лы трения предмета обработки, возникающие при движении по фаске диска, дну и боковым стенкам гнезда соответственно; Щ, Л^, N3 = G2 sin ф - силы реакций соответствующих опор; ¡л - коэффициент трения предмета обработки

о гнездо; 1р , /«„ - плечи сил F™, и Nj относительно точки А; 1р , ТР2А ^ Tlfl

1щв - плечи сил FTpi и N{ относительно точки В; /с,{, Iqxb . > /GI в .

= 'с2л . = 'g2b " плечи сил GhG2, FTpj относительно опор А и В

соответственно (рис. 3).

Ф

ГП>Рз

(j,a

Рис. 3. Расчетная схема западания предмета обработки в сквозное гнездо

Преобразовав выражения, было получено условие захвата предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам:

cos абун/с - sin абун/с (cos ф - ц sin ф)

----=-|j. + cos абун sin 2р + sin адун cos 2р х

1A¡, + и/г

sina6yH/G fcsin(p-cos(p)+cosa6yH/G х (соэф - ц sin ф)---——--—(sin ЗР + ц cos 3(3) > 0.

Определив последовательно плечи всех сил и подставив эти выражения в условие захвата предметов обработки, была получена зависимость между параметрами предметов обработки и конструктивными параметрами БЗУ. При внесении полученной зависимости в программу MathCAD были определены значения осбуН,ф и (х, при которых предмет обработки находится в состоянии равновесия. Это позволило оценить предполагаемую зону захвата предметов обработки, определяемую углом поворота вращающегося диска ф3 = 2сро. Чем больше зона захвата ф3, тем больше коэффициент выдачи и, как следствие, выше производительность БЗУ.

Анализ показал, что зона захвата предметов обработки очень мала при

углах наклона бункера аду,, =30°, =35° и абу|1 =40°, a при а6ун =60°

значения коэффициентов трения между элементами существующих конструкций БЗУ и загружаемых предметов обработки выходят за пределы разумного. В связи с этим угол наклона дна бункера, при котором будет обеспечиваться захват предметов обработки, следует принимать в диапазоне 45° < адун < 55°.

Зона захвата предметов обработки Ф3, являясь величиной, входящей в аналитическую модель производительности БЗУ, учитывает вероятностный характер процесса захвата и позволяет оценить взаимосвязанное влияние угла поворота вращающегося диска с гнездом, угла наклона бункера, коэффициента трения и параметров, характеризующих предмет обработки, на производительность БЗУ. Для определения ф3 была составлена компьютерная программа, с помощью которой для известных значений коэффициента трения и угла наклона бункера были определены зоны захвата ф3 предметов обработки с различными соотношениями l/d\.

В третьем разделе рассмотрены теоретические основы и разработана аналитическая модель процесса пассивного ориентирования предметов обработки в БЗУ.

В процессе пассивного ориентирования предмет обработки, частично запавший в гнездо цилиндрическим торцом, под действием собственного веса в процессе вращения и прохождения диском зоны пассивного ориентирования фв должен выпасть из гнезда обратно в зону захвата. Тогда условие пассивного ориентирования запишется в виде /д > , где /д- время прохождения диском зоны пассивного ориентирования фв ; г3 - время выпадения неправильно ориентированного предмета обработки из гнезда.

Для того чтобы оценить, успеет ли предмет обработки полностью выпасть из гнезда, необходимо определить угол поворота вращающегося диска if/g, при котором предмет обработки начнет выпадать из гнезда, и зону фв , на протяжении которой возможно его выпадение.

Для этого были проанализированы условия выпадения предмета обработки из гнезда в верхней части бункера и составлены условия статического равновесия предмета обработки в гнезде (рис. 4):

^тр^ +"21»2А +е2совФ 1о2А -С,/0м =0;

Т.М%=Р^1Ртв -Щ1щв + С2созф/^ + 0^ =0;

= (С72 соэф - ]соБа1 + в) эта] - Е[р1 СОБ(3 - вгпр -(- N2 созаз -^тр2зта3=0.

Рис. 4. Расчетная схема процесса пассивного ориентирования

После преобразований было получено граничное условие процесса пассивного ориентирования предметов обработки:

созаб 10 -1д «табунОгаф-цмпф), . ч „ч

--——-—---\cosoc3 -цбшаз(этр + цсоэр^х

IДГ- . +\йр "2/4 г

У?2Л

х 102В 5'"абуп(со5ф ~ Цвтф) + созабун/с. -С05адуН51па] >0.

1 в

+ эт а буН соб а 1 (соб ф - ц вт ф) -

Результат численного решения полученного граничного условия процесса пассивного ориентирования, в частности, для предметов обработки с отношением =3, представлен в виде графика на рис. 5. График при известных значениях ц и СХбуд позволяет определить угол худ, при котором начнется процесс выпадения предметов обработки.

Фо.

град

W

20

О

i i Г1 и —• ^

0.25 0.30 0.35 ОАО 0.45 0.50 0.55 у/ Рис. 5. График зависимости угла у0 от коэффициента трения ¡л при угле

о

наклона бункера: 1 - абуН = 45°; 2 - абун = 50°; 3 - адун = 55

Зона пассивного ориентирования предметов обработки в дисковых БЗУ с учетом зоны выдачи в приемник будет фв = vy0 +60°. Тогда время tn, в течение которого диск проходит фв, определим по формуле

.Фв

'д =

со

где со - угловая скорость диска, рад/с'.

Определим время выпадения предмета обработки из гнезда. Для этого составим аналитическую модель процесса пассивного ориентирования, определяющую условия- надежного пассивного ориентирования предметов обработки в зависимости от угла наклона бункера, угловой скорости диска, геометрических параметров ориентирующего и захватных органов БЗУ, загружаемых предметов обработки и коэффициента трения между ними.

Пассивное ориентирование, выпадение из гнезда предмета обработки состоит из семи этапов, шесть из которых показаны на рис. 6.

Рис. 6. Этапы движения предмета обработки: а — первый; б — второй; в - третий; г - четвертый; д - пятый; е - шестой

На первом этапе предмет обработки начинает движение цилиндрическим торцом по кольцевому ориентатору до соприкосновения с основанием гнезда -путь ВС. На втором этапе предмет обработки движется цилиндрическим торцом по дну гнезда до соприкосновения цилиндрического торца с фаской - путь СЕ. На третьем этапе осуществляется движение цилиндрическим торцом по дну гнезда до момента отрыва от дна гнезда - путь EF. На четвертом этапе предмет обработки поворачивается на опоре А до тех пор, пока не ляжет на фаску. На пятом этапе предмет обработки движется по фаске до поворота на опоре К. На шестом этапе предмет обработки поворачивается на опоре К до тех пор, пока не соприкоснется с радиальным пазом диска. На седьмом этапе предмет обработки начинает движение по радиальному пазу до того момента, как центр тяжести предмета обработки пройдет путь, равный его длине.

Для составления уравнений движения на каждом этапе использовали уравнения Лагранжа второго рода. Время движения предмета обработки определили численными методами с использованием стандартного программного обеспечения MathCAD 2001 Professional. Общее время пассивного ориентирования определено суммированием времен движения всех этапов.

Результаты вычислений времен tд и t3, например, для предметов обработки с 3 и коэффициентами трения ¡л = 0,3 и ц = 0,5 при угле наклона абун = 45°, представлены в виде графиков (рис. 7).

I с

0.3

0.2 0.1

Рис. 7. Анализ условий пассивного ориентирования предметов обработки

Графики показывают, что для предметов обработки с //с/] =3 при различных значениях ц значения предельных угловых скоростей диска ®1пред ~ ®2пред • Поэтому пассивное ориентирование будет обеспечиваться при

значениях угловой скорости диска не превышающих предельную угловую скорость соПред = <£>1пред = ^гпред = 0,8 рад/с или окружную скорость захватных

органов оПред = 0,16Л1 /с, так как для данных значений параметров БЗУ и предметов обработки /д > Г3.

В четвертом разделе представлены аналитическая модель и результаты теоретического исследования производительности механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, результаты экспериментального исследования граничных условий процессов захвата и пассивного ориентирования предметов обработки, динамики процесса пассивного ориентирования и верификации аналитической модели производительности БЗУ.

Аналитическая модель производительности механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором построена на основе эмпирической модели, предложенной В.Ф. Прейсом для описания производительности механических дисковых БЗУ, вида

0)

ПБЗу = 60—Лтах

где о, /- скорость и шаг захватных органов соответственно; т| = Лтах0 ~) — коэффициент выдачи БЗУ; г|тах - максимальное значение коэффициента выдачи; 8 - постоянный коэффициент.

В отличие от подхода В.Ф. Прейса, при котором значения т]тах определялись экспериментально для каждого типа БЗУ, было предложено аналитическое описание максимального значения коэффициента выдачи в виде

Лтах = Р/^Рс

для которого аналитические выражения «условных» вероятностей р ределены на основе подхода М.В. Медвидя:

(2) Рс °П"

Р, (

"ЛДпш)

лОф-.

- ----т 9(Ц

р

Ртах л

arceos

Л .? + 0,25d¡ 1-х,

- arcsin -

Рк

ц.м.

^'Pmin ^ п

ц.м. (

aresin

\d\ +4{l-x^J '

h

ti

2W

-arctg

(3)

(4)

(5)

(6)

Pe =1-

0,9+1,4 — arctg)i d\

1 + 2

/

(7)

где Э - диаметр диска, м; хц м - расстояние координаты центра масс от цилиндрического основания предмета обработки, м; фз - зона захвата предметов обработки, величина которой определена во втором разделе, град.

Аналитическое описание коэффициента е было получено из следующих соображений. Из выражения (1) следует, что при Пбзу = 0 е = и^ц.. Приняв гипотезу, что вероятность захвата предмета обработки равна нулю, когда величина кинетической энергии, сообщенной предмету обработки движущимся гнездом, достаточна для выброса предмета обработки из гнезда, получили аналитическое выражение для максимальной окружной скорости захватных органов

= ^ + 0,4^ + 2Д*)- 0,- 4(ЛГ - 2кр } .

Тогда

-2

(8)

е = [4г + 0,4 g(hp + 2Д*)- 0,2^5^-4(^-2^^ где кр - высота радиального паза вращающегося диска.

Аналитическая модель производительности БЗУ, представленная выражениями (1) - (8), реализована на ЭВМ с применением пакета МшИСАО. В качестве примера на рис. 8 представлены графики зависимости коэффициента выдачи и производительности БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ори-ентатором (радиус захватных органов /? = 0,2 м) для предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам с отношением / /с1\ =3 при значениях коэффициента трения ц = 0,3 и ц = 0,5.

ГЬу. шт/мин

0.1 ¡Ма1=€,16 м/с 0.2 ишв=ЦМ м/с и, м/с

Рис. 8. Результаты аналитического исследования производительности БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором

Графики показывают, что производительность БЗУ по захвату для предметов обработки с отношением 1/с1\ =3 при значениях коэффициента трения в диапазоне 0,3 < ц < 0,5 достигает максимальных значений в диапазоне окружной скорости захватных органов 0,2-0,21 м/с, что превышает значение предельной скорости «пред -0,16м/с, при которой обеспечивается надежное пассивное ориентирование предметов обработки.

Проверка адекватности разработанных аналитических моделей процессов захвата и пассивного ориентирования была проведена методом видеосъемки на экспериментальном макете механического дискового БЗУ с радиальными гнездами для одного из наиболее характерных предметов обработки формы тела вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам (отношение = 3, диаметр цилиндрического торца с/] = 9,3 мм, отношение диаметров торцов

=0>75, общая длина / = 26,7 мм; длина цилиндрической части

¡1 = 20,8мм, угол при вершине конического торца 2(3 = 23°, масса т - 4г, материал - биметалл).

В результате расшифровки видеоматериалов были определены экспериментальные значения следующих параметров, определяющих граничные условия процессов захвата и пассивного ориентирования, а также динамику процесса пассивного ориентирования предмета обработки:

- угла фф, при котором начинается процесс западания предмета обработки в гнездо;

- угла ц/0, при котором начинается процесс выпадения предмета обработки из гнезда.

- времени выпадения предмета обработки ^ из гнезда при окружных скоростях и = 0,01; 0,1; ОД 6 м/с;

- окружной скорости захватных органов ипред, при которой предмет обработки не успевает выпасть из гнезда.

Относительные отклонения теоретических значений углов (рд и Уо (полученных из аналитических моделей) от их экспериментальных значений не превышает 1 ] %, а времени выпадения /3 и окружной скорости ипред - 15 %.

Верификация разработанной аналитической модели производительности БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором была проведена с использованием результатов экспериментальных исследований, полученных В.Ф. Прейсом, для трех типов механических дисковых БЗУ: с радиальными профильными гнездами, с тангенциальными гнездами по форме предметов обработки и карманчикового наклонного БЗУ. Сравнение результатов аналитического исследования производительности БЗУ с результатами экспериментальных исследований показали, что относительное отклонение теоретических значений г|тах, полученных аналитически из выражения (2), от их экспериментальных значений, полученных В.Ф. Прейсом, не превышает 7%. Относительное отклонение теоретических значений производительности, полученных из разработанной аналитической модели (1) - (8), от их экспериментальных значений, полученных В.Ф. Прейсом, не превышает 11%.

Результаты верификации позволяют сделать вывод о том, что и разработанная аналитическая модель производительности механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором учитывает вероятностный характер процесса захвата предметов обработки с асимметрией по тор-

цам и адекватно описывает закономерность изменения производительности БЗУ в зависимости от его основных кинематических и конструктивных параметров и параметров, характеризующих предмет обработки.

В пятом разделе рассмотрена разработанная на основе теоретических и экспериментальных исследований инженерная методика расчета технических параметров механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, обеспечивающих требуемую производительность для загрузки предметов обработки формы тел вращения с асимметрией по торцам.

В соответствии с предложенной методикой разработана и изготовлена конструкция механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, предварительные испытания которой подтвердили ее работоспособность. На разработанную конструкцию был получен патент РФ, конструкторская документация передана на ряд ведущих предприятий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Представленная диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой на базе теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача расширения технических возможностей механического дискового БЗУ с радиальными гнездами, имеющая важное хозяйственное значение, состоящая в обеспечении автоматической загрузки предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам с требуемой производительностью на основе разделения функций захвата и ориентирования, результатов теоретических и экспериментальных исследований БЗУ с кольцевым ориентатором.

Впервые установлена взаимосвязь между параметрами предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам и конструктивными параметрами механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, выявлено взаимное влияние вышеуказанных параметров и кинематических параметров БЗУ на его производительность.

Основные научные и практические результаты проведенного исследования заключаются в следующем.

1. Обосновано, что в механическом дисковом БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, в котором функции захвата и ориентирования разделены, при разработанных конструктивных ограничениях на геометрические параметры ориентирующего и захватных органов наиболее благоприятные условия захвата предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам реализуются при углах наклона бункера

45° < схбун < 55° и значениях коэффициента трения 0,3 < ц < 0,6.

2. Выявлено, что надежное пассивное ориентирование предметов обработки с соотношением Цс1\ = 2 будет обеспечиваться при окружных скоростях захватных органов, не превышающих Рпред = 0,17м/с, с отношением 1/с1\ =3 -до »Пред = 0,16 м /с, с отношением ¡¡с1\ = 4 - до оПрСД = 0,12л</с.

3. Установлено, что производительность БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором с радиусом захватных органов /? = 0,2л< при учете предельной окружной скорости оПред Для предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам с отношением Цс1\ =2 может составить до 180 шт./мин, с отношением Ц(1\ =3 - до 140 шт./мин, с отношением [¡с{\ = 4 - не более 80 шт./мин.

4. Показано, что относительные отклонения теоретических значений угла, при котором начинается процесс захвата фо, и угла, при котором начинается процесс пассивного ориентирования уд, от их экспериментальных значений не превышает 11%, а времени выпадения предмета обработки Ц и предельной окружной скорости захватных органов опред - 15 %, что подтверждает адекватность и корректность аналитических моделей процессов захвата и пассивного ориентирования.

5. Обоснована адекватность и корректность разработанной аналитической модели производительности механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором. Относительное отклонение теоретических значений г)тах известных механических дисковых БЗУ от их экспериментальных значений не превышает 7 %, а значений производительности -11%.

6. Инженерная методика и конструкторская документация на усовершенствованную конструкцию БЗУ переданы на ряд ведущих предприятий, результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе Тульского государственного университета.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В РАБОТАХ

1. Давыдова Е.В. Математическая модель производительности бункерного загрузочного устройства для кронен-пробок / Е.В. Давыдова // Образование, наука, производство: сборник докладов международного студенческого форума. - Белгород: БГТУ, 2004. - С. 84.

2. Прейс В.В. Экспериментальное определение условных вероятностей из математической модели производительности бункерного загрузочного устройства для кронен-пробок / В.В. Прейс, Е.В. Давыдова // Изв. ТулГУ. Сер. Технология машиностроения. - Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004.-С. 253-261.

3. Давыдова Е.В. Аналитические модели производительности механических дисковых бункерных загрузочных устройств / Е.В. Давыдова// Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: сборник статей. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - С. 87-92.

4. Давыдова Е.В. Методика расчета и проектирования механических дисковых бункерных загрузочных устройств / Е.В. Давыдова, В.В. Прейс // Изв. ТулГУ. Сер. Машиноведение, системы приводов и детали машин: спец. вып. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - С. 57-64.

5. Давыдова Е.В. Методика расчета и проектирования механического дискового бункерного загрузочного устройства для штучных заготовок / Е.В. Давыдова // Автоматизация, технология и качество в машиностроении: материалы международной студенческой научно-технической конференции. 16-18 октября 2006 г. - Донецк: Изд-во ДонНТУ, 2006. - С. 84-87.

6. Прейс В.В. Оценка адекватности коэффициентов выдачи дисковых бункерных загрузочных устройств, полученных из математических моделей М.В. Медвидя / В.В. Прейс, Е.В. Давыдова // Автоматизация машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования: материалы 2-й Международной научно-технической конференции. 13-15 ноября 2006 г. - Вологда: ВоГТУ, 2006. - С. 72-77.

7. Прейс В.В. Автоматические загрузочно-ориентирующие устройства. Ч. 1. Механические бункерные загрузочные устройства: учеб. пособие для вузов / В.В. Прейс, Н.А. Усенко, Е.В. Давыдова; под ред. В.В. Прейса. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - 125 с.

8. Давыдова Е.В. Бункерное загрузочное устройство для деталей с неявно выраженной асимметрией торцов / Е.В. Давыдова, В.В. Прейс // Сборка в машиностроении и приборостроении. - 2006. - №9 - С. 57-65.

9. Давыдова Е.В. Автоматизация загрузки деталей с неявно выраженой асимметрией торцов / Е.В. Давыдова, В.В. Прейс // Машиностроение и техносфера XXI века: сборник трудов XIV Международной научно-технической конференции в г. Севастополе. 17-22 сентября 2007 г.: в 5 т. Т. 1. - Донецк: ДонНТУ, 2007. - С. 253-256.

10. Давыдова Е.В. Определение технологических возможностей бункерного загрузочного устройства по загрузке деталей с неявно выраженной асимметрией по торцам / Е.В. Давыдова // Лучшие научные работы студентов и аспирантов технологического факультета: сборник статей. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С.259-262.

11. Пат. 64977 Российская Федерация, МПК 6В23 <}7/02. Бункерное загрузочное устройство / Прейс В.В., Давыдова Е.В.; заявитель и патентообладатель Тульский государственный университет. - №2007110713; заявл. 23.03.07; опубл. 27.07.2007, Бюл. № 23 (II ч.)- 3 е.: ил.

Изд. Лиц. ЛР № 030300 от 12.02.97. Подписано в печать^ Н ОВ Формат бумаги 60x84 '/je- Бумага офсетная. Усл-печ. л. 1,1. Уч. изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ ОНИ Тульский государственный университет 300600, г. Тула, пр-т Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, ул. Болдина, 151.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ФОРМУЛИРОВАНИЕ ЦЕЛИ

И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1. 1. Системы автоматической загрузки штучных предметов обработки в технологические машины-автоматы и автоматические линии.

1.2. Механические дисковые бункерные загрузочные устройства.

1.3. Анализ научной проблемы, формулирование цели и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ БУНКЕРНОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА С РАДИАЛЬНЫМИ ГНЕЗДАМИ И АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗАХВАТА ПРЕДМЕТОВ ОБРАБОТКИ.

2.1. Формирование ограничений на конструктивные параметры бункерного загрузочного устройства с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором.

2.2. Анализ граничных условий процесса захвата.

2.3. Аналитическая модель процесса захвата.

ГЛАВА 3. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПАССИВНОГО ОРИЕНТИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТОВ ОБРАБОТКИ.

3.1. Аналитическое исследование граничных условий процесса пассивного ориентирования.

3.2. Аналитическая модель процесса пассивного ориентирования.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БУНКЕРНОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА С РАДИАЛЬНЫМИ ГНЕЗДАМИ И КОЛЬЦЕВЫМ ОРИЕНТАТОРОМ.

4.1. Аналитическая модель и исследование производительности.

4.2. Верификация аналитических моделей на основе экспериментальных исследований.

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ БУНКЕРНОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА С РАДИАЛЬНЫМИ ГНЕЗДАМИ И КОЛЬЦЕВЫМ ОРИЕНТАТОРОМ.

5.1. Методика расчета и проектирования бункерного загрузочного устройства

5.2. Расчет и конструирование бункерного загрузочного устройства с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором.

Актуальность работы. Автоматическая загрузка штучных предметов обработки (исходных заготовок, деталей, компонентов и т.п.) в технологические машины-автоматы и линии является одной из решающих операций при автоматизации технологических процессов [6, 9, 19, 30, 43]. Загрузку штучных предметов обработки осуществляют системы автоматической загрузки (САЗ), основным элементом которых является бункерное загрузочное устройство (БЗУ), обеспечивающее автоматическое извлечение из «навала» (захват), приведение в упорядоченное положение (ориентирование) и выдачу в приемник штучных предметов обработки [65]. Правильный выбор рациональной конструкции БЗУ во многом определяет надежность и производительность технологических машин и линий, особенно при автоматизации сборки многоэлементных изделий, требующей одновременной загрузки компонентов несколькими параллельно работающими БЗУ [87, 104, 105].

Для загрузки предметов обработки формы тел вращения с явно выраженной асимметрией внешней формы по торцам применяют механическое дисковое БЗУ с радиальными гнездами, профиль которых повторяет внешнюю форму предмета обработки [51]. В данном БЗУ функции захвата и ориентирования совмещены, поэтому при загрузке предметов обработки с неявно выраженной асимметрией по торцам в приемник выдаются неориентированные предметы обработки и наблюдается их заклинивание в движущихся рабочих органах БЗУ, что приводит к снижению фактической производительности БЗУ [42, 62, 86, 89].

В связи с вышеизложенным обеспечение автоматической загрузки с требуемой производительностью предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам механическим дисковым БЗУ с радиальными гнездами является актуальной задачей.

Цель работы. Расширение технических возможностей механического дискового БЗУ с радиальными гнездами, заключающееся в обеспечении автоматической загрузки предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам с требуемой производительностью.

Объект исследования. Механическое дисковое БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором в процессе его функционирования, который рассматривается как совокупность процессов захвата и ориентирования загружаемых предметов обработки.

Предмет исследования. Основные конструктивные и кинематические параметры механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором и параметры загружаемых предметов обработки в их взаимосвязи.

Метод исследования, принятый в работе, заключается в сочетании аналитических и экспериментальных исследований процессов захвата, ориентирования и выдачи предметов обработки с использованием математических и натурных моделей, при построении которых использовались методы аналитической пространственной геометрии, теоретической механики, теории вероятности. При постановке экспериментов и обработке экспериментальных данных использовались методы теории погрешностей и математической статистики.

Общетеоретическую базу исследований составили научные труды И.И. Артоболевского [8], С.И. Артоболевского [9] и Г.А. Шаумяна [103] по теории производительности технологических машин-автоматов и механизмов, Л.Ф. Анчишкиной [7], А.Н.Беляковой [11], К.И.Беспалова [12], И.С. Бляхерова [4], В.П. Боброва [15, 16], М.К. Галонска [22, 69], Н.И. Камышного [40,41], А.Н. Малова [51-54], М.В. Медвидя [57, 58], В.А. Повидайло [62-64], В.Ф. Прейса [2, 80, 85], В.В. Прейса [69, 77, 78], А.Н.Рабиновича [88, 89], Н.А. Усенко [98, 99], Б.И. Черпакова

101], Н.И. Шерешевского [104] по теории и проектированию БЗУ для штучных предметов обработки.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается представительным объемом анализируемой информации по исследованию и проектированию механических дисковых БЗУ, полнотой учета влияющих факторов, корректностью использования общепринятых математических методов и компьютерного моделирования, качественным и количественным соответствием результатов теоретических расчетов полученным экспериментальным данным.

Автор защищает:

1. Совокупность конструктивных ограничений на геометрические параметры ориентирующего и захватных органов механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, в котором разделены функции захвата и ориентирования предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам.

2. Аналитическую модель процесса захвата, определяющую наиболее благоприятные условия для захвата предметов обработки в зависимости от угла наклона бункера, геометрических параметров ориентирующего и захватных органов БЗУ, загружаемых предметов обработки и коэффициента трения.

3. Аналитическую модель процесса пассивного ориентирования, определяющую условия надежного пассивного ориентирования предметов обработки в зависимости от угла наклона бункера, угловой скорости диска, геометрических параметров ориентирующего и захватных органов БЗУ, загружаемых предметов обработки и коэффициента трения.

4. Аналитическую модель производительности механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, учитывающую вероятностный характер процесса захвата, взаимосвязанное влияние на производительность БЗУ его основных кинематических и конструктивных параметров и параметров, характеризующих предмет обработки.

5. Усовершенствованное механическое дисковое БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором и инженерную методику его проектирования, базирующуюся на результатах теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна. Впервые установлена взаимосвязь между параметрами предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам и конструктивными параметрами механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, выявлено взаимное влияние вышеуказанных параметров и кинематических параметров БЗУ на его производительность.

Практическая ценность. На основе принципа разделения функций захвата и ориентирования разработана усовершенствованная конструкция механического дискового БЗУ с радиальными гнездами.и кольцевым ориентатором, обеспечившая автоматическую загрузку предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам с отношением диаметров торцов 0,9 > - 0,7 5 длиной

0,07.м и углом при вершине одного из торцов 2р<30°. Разработанное БЗУ является универсальным по сравнению с ранее известным БЗУ, поскольку обеспечивает ориентирование предметов обработки, как с неявно, так и с явно выраженной асимметрией по торцам. Разработана инженерная методика проектирования усовершенствованного БЗУ, позволяющая рассчитать и выбрать конструктивные и кинематические параметры БЗУ, обеспечивающие требуемую производительность.

Реализация результатов работы. Конструкторская документация и инженерная методика проектирования механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором переданы на

ОАО «КБАЛ им. Л.Н. Кошкина» (Московская обл., г. Климовск), ЗАО «РОТОР» (г. Тула) и ОАО «ТПЗ» (г. Тула) для практического использования.

Результаты исследования легли в основу учебного пособия «Автоматические загрузочно-ориентирующие устройства», рекомендованного УМО вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 150400 Технологические машины и оборудование. Учебное пособие используется в учебном процессе на кафедрах «Технологические системы пищевых и перерабатывающих производств» и «Технологическая механика» ТулГУ при выполнении курсовых проектов и лабораторных работ по дисциплинам «Автоматизация производства» и «Теория автоматической загрузки».

Апробация работы. Основные научные положения диссертации, результаты исследований и разработок докладывались на международных конференциях «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Тула, ТулГУ, 2003-2007 гг.), на Международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» (г. Белгород, БГТУ, 2004 г.), на Первой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых новой России» (г. Тула, ТулГУ, 2004 г.), на Международной студенческой научно-технической конференции «Автоматизация, технология и качество в машиностроении» (г. Донецк, ДонНТУ, 2006 г.), на Второй Международной научно-технической конференции «Автоматизация машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (г. Вологда, ВоГТУ, 2006 г.), на Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, ДонНТУ, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 1 патент на полезную модель, 1 учебное пособие с грифом УМО, 10 статей, в том числе 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 доклада на международных, а также всероссийских научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 106 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 143 страницы, в том числе 48 рисунков и 6 таблиц. Объем приложений 34 страницы. В приложениях приведены материалы и документы, свидетельствующие о практическом использовании результатов исследования и разработок автора, а также дополнительные материалы, отражающие специфику решаемых проблем (формулы, тексты программ, протоколы опытов, результаты расчетов и т.п.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Представленная диссертационная работа является научной квалификационной работой, в которой на базе теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача расширения технических возможностей механического дискового БЗУ с радиальными гнездами, имеющая важное хозяйственное значение, состоящая в обеспечении автоматической загрузки предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам с требуемой производительностью на основе разделения функций захвата и ориентирования, результатов теоретических и экспериментальных исследований БЗУ с кольцевым ориентатором.

Впервые установлена взаимосвязь между параметрами предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам и конструктивными параметрами механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, выявлено взаимное влияние вышеуказанных параметров и кинематических параметров БЗУ на его производительность.

Основные научные и практические результаты проведенного исследования заключаются в следующем.

1. Обосновано, что в механическом дисковом БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором, в котором функции захвата и ориентирования разделены, при разработанных конструктивных ограничениях на геометрические параметры ориентирующего и захватных органов наиболее благоприятные условия захвата предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам реализуются при углах наклона бункера 45° < абун < 55° и значениях коэффициента трения 0,3 < ц < 0,6.

2. Выявлено, что надежное пассивное ориентирование предметов обработки с соотношением 1/<Л\ =2 будет обеспечиваться при окружных скоростях захватных органов, не превышающих оПред = ОД 7 м / с, с отношением 1\й\ = 3 - до оПред =0,16м/с, с отношением Цй\ =4 - до упред = 0,12 ж/с.

3. Установлено, что производительность БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором с радиусом захватных органов Я = 0,2 м при учете предельной окружной скорости Упред для предметов обработки формы тел вращения с неявно выраженной асимметрией по торцам с отношением 1\й\ =2 может составить до 180 шт./мин, с отношением Цй\ = 3 - до 140 шт./мин, с отношением //^ = 4 - не более 80 шт./мин.

4. Показано, что относительные отклонения теоретических значений угла, при котором начинается процесс захвата фо, и угла, при котором начинается процесс пассивного ориентирования ц/д, от их экспериментальных значений не превышает 11 %, а времени выпадения предмета обработки ^ и предельной окружной скорости захватных органов Упред - 15 %, что подтверждает адекватность и корректность аналитических моделей процессов захвата и пассивного ориентирования.

5. Обоснована адекватность и корректность разработанной аналитической модели производительности механического дискового БЗУ с радиальными гнездами и кольцевым ориентатором. Относительное отклонение теоретических значений г|тах известных механических дисковых БЗУ от их экспериментальных значений не превышает 7 %, а значений производительности -11%.

6. Инженерная методика и конструкторская документация на усовершенствованную конструкцию БЗУ переданы на ряд ведущих предприятий, результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе Тульского государственного университета.

1. Автоматизация дискретного производства / Б.Е. Бонев и др.; под общ. ред. Е.И. Семенова, Л.И. Волчкевича. М.: Машиностроение, 1987.-376 с.

2. Автоматизация загрузки прессов штучными заготовками /

3. B.Ф. Прейс и др.; под ред. В.Ф. Прейса.- М.: Машиностроение, 1975. -280 с.

4. Автоматическая загрузка роторных и роторно-конвейерных линий / В.В. Прейс, Г.В. Комаров, И.А. Клусов и др. М., 1990. - 56 с.

5. Автоматическая загрузка технологических машин: Справочник / И.С. Бляхеров и др.; под общ. ред. И.А. Клусова,- М.: Машиностроение, 1990. 400 с.

6. Автоматические линии роторного типа / JI.H. Кошкин и др. -Тула: ЦБТИ, 1961.- 198 с.

7. Азаров A.C. Автоматизация и механизация технологических процессов в машиностроении / A.C. Азаров. М.: Машгиз, 1963. — 690с.

8. Анчишкина Л.Ф. Некоторые задачи динамики ориентирования заготовок: дисс. . канд. техн. наук / Л.Ф. Анчишкина Тула, 1969. - 400 с. Библиогр.: с. 208-218.

9. Артоболевский И.И. Теория механизмов / И.И. Артоболевский. М.: Наука, 1967. - 719 с.

10. Артоболевский С.И. Технологические машины-автоматы /

11. C.И. Артоболевский. М.: Машиностроение, 1964,- 179 с.

12. Белякова А.Н. Исследование производительности дисковых и трубчатых автоматических бункерных захватно-ориентирующих устройств (АБЗОУ): дисс. . канд. техн. наук: № 198: / А.Н. Белякова Тула, 1969. - 220 с. Библиогр.: с. 208-218.

13. Беспалов К.И. Исследование работы механизмов автоматической загрузки для плоских заготовок: автореф. дисс. . канд. техн. наук: № 198 / К.И. Беспалов; Львовский политехнический институт. Львов, 1954.-24 с.

14. Бляхеров И.С. Вибрационные технологические устройства: теория и основы проектирования: дисс. . докт. техн. наук / И.С. Бляхеров.-Тула, 1997.-506 с.

15. Бобров В.П. Классификация и основные расчеты автоматических загрузочных приспособлений для штучных изделий: автореф. дисс. . канд. техн. наук / В .П. Бобров. М.: 1965. - 28 с.

16. Бобров В.П. Транспортные и загрузочные устройства автоматических линий / В.П. Бобров, Л.И. Чеканов. М.: Машиностроение, 1980.- 159 с.

17. Бобров В.П. Проектирование загрузочно-транспортных устройств к станкам и автоматическим линиям / В.П. Бобров.- М.: Машиностроение, 1964.- 292 с.

18. Буров П.И. Расчет производительности рабочих машин / П.И. Буров, И.И. Капустин. М.: Машгиз, 1958. - 546 с.

19. Владзиевский А.Н. Автоматические линии в машиностроении / А.Н. Владзиевский. М.: Машгиз, 1958. - 760 с.

20. Волчкевич Л.И. Комплексная автоматизация производства / Л.И. Волчкевич, М.П. Ковалев, М.М. Кузнецов. М.: Машиностроение, 1983.-372 с.

21. Волчкевич Л.И. Надежность автоматических линий / Л.И. Волчкевич. М.: Машиностроение, 1989. - 308 с.

22. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике / М.Я. Выгодский. М.: ACT: Астрель, 2005. - 991 с.

23. Галонска М.К. Высокопроизводительные бункерные загрузочные устройства с вращающимися воронками криволинейного профиля: дисс. . канд. техн. наук: 05.02.13 / Галонска Михаил Константинович.- Тула, 2004. 144 с.

24. Гнеденко Б.В. Математические методы в теории надежности / Б.В. Гнеденко. Ю.К. Беляев, А.Д. Соловьев. М.: Наука, 1965. - 524 с.

25. Гринштейн Я.Г. Системы питания автоматов в приборостроении / Я.Г. Гринштейн, Е.Г. Вайсман. М.: Машиностроение, 1966.- 179 с.

26. Гольдсмит В. Удар / В. Гольдсмит. М.: Стройиздат. - 380 с.

27. Гутер P.C. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. М.: Наука, 1970. - 432 с.

28. Давыдова Е.В. Автоматизация загрузки укупорочных элементов в роторные машины и линии для фасовки жидкостей / Сб. тезисов 1-ой Всероссийской научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Идеи молодых новой России», Тула: ТулГУ, 2004. С.

29. Давыдова E.B. Бункерное загрузочное устройство для деталей с неявно выраженной асимметрией торцов / Е.В. Давыдова, В.В. Прейс // Сборка в машиностроении и приборостроении. 2006. - №9 -С. 57-65.

30. Давыдова Е.В. Математическая модель производительности бункерного загрузочного устройства для кронен-пробок / Е.В. Давыдова // Образование, наука, производство: сборник докладов международного студенческого форума. Белгород: БГТУ, 2004. — С. 84.

31. Давыдова Е.В. Методика расчета и проектирования механических дисковых бункерных загрузочных устройств / Е.В. Давыдова, В.В. Прейс // Изв. ТулГУ. Сер. Машиноведение, системы приводов и детали машин: спец. вып. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - С. 57-64.

32. Евсюков B.B. Автоматическая загрузка станков / В.В. Евсю-ков, И.Ф. Алексеев. -М.: Оборонгиз, 1953. 460 с.

33. Иванов A.A. Исследование процессов ориентирования деталей струйными методами: дисс. . канд. техн. наук / A.A. Иванов. — Тула,1969.-279 с.

34. Иванов A.A. Проектирование систем автоматического манипулирования миниатюрными изделиями / A.A. Иванов. М.: Машиностроение, 1981.-271 с.

35. Информационно-статистические методы в технологии машиностроения: Пособие по обработке результатов эксперимента /

36. B.Г. Григорович, В.Я. Кершенбаум, Д.А. Козочкин и др. М.: ГУП Издательство «Нефть и газ» РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2000. -184 с.

37. Камышный Н.И. Автоматизация загрузки станков / Н.И. Ка-мышный. М.: Машиностроение, 1977. - 287 с.

38. Камышный Н.И. Механизмы питания автоматических станков / Н.И. Камышный. М.: Машгиз, 1951. - 260 с.

39. Капустин И.И. Устройства и механизмы автоматических сборочных машин / И.И. Капустин, Д.Я. Ильинский. М.: Машиностроение, 1968. - 260 с.

40. Классификатор ЕСКД. Детали тела вращения. Классы 7174. -М.: Стандарты, 1985. - 50 с.

41. Клусов И.А. Проектирование роторных машин и линий / И.А. Клусов. М.: Машиностроение, 1990. - 320 с.

42. Кордонский Х.Б. Применение теории вероятностей в инженерном деле / Х.Б. Кордонский. М.: Физматгиз, 1963. — 435 с.

43. Кошкин Л.Н. Комплексная автоматизация производства на базе роторных линий / Л.Н. Кошкин. М.: Машиностроение, 1972. -351 с.

44. Коэффициенты трения. Справочное пособие. / И.В. Крагель-ский, Н.Э. Виноградова. М.: МАШГИЗ, 1962. - 220 с.

45. Кулешов Е.М. Системы автоматического питания / Е.М. Кулешов. М.: ВЗИТЛП, 1974. - 74 с.

46. Лебедовский М.В. Автоматизация в промышленности: Справочная книга / М.В. Лебедовский, А.И. Федотов.- Л.: Лениздат, 1976.- 254 с.

47. Малов А.Н. Автоматическая загрузка металлорежущих станков / А.Н. Малов. -М.: МАШГИЗ, 1955.- 400 с.

48. Малов А.Н. Загрузочные устройства для металлорежущих станков/ А.Н. Малов.- М.: Машиностроение, 1972.- 200 с.

49. Малов А.Н. Механизация и автоматизация штамповочных работ / А.Н. Малов, В.Ф. Прейс. -М.: Машиностроение, 1955. 308 с.

50. Малов А.Н. Современные конструкции станочных бункерных загрузочных устройств / А.Н. Малов, М.Н. Рябой. М.: Машиностроение, 1959. - 240 с.

51. Мартино Дж. Технологическое прогнозирование / Дж. мар-тино. Пер с англ. А.Г. Кругляков, Л.Л. Любимов, А.Н. Никольская. М.: Изд-во «Прогресс», 1977. - 592 с.

52. Маткин Ю.Л. Вибрационные устройства загрузки штучных заготовок в технологическое оборудование / Ю.Л. Маткин, Н.И. Ка-мышный, И.А. Клусов. М.: НИИМаш, 1983. - 32 с.

53. Медвидь М.В. Автоматические ориентирующие загрузочные устройства/ М.В. Медвидь.- М.: МАШГИЗ, 1963.- 299с.

54. Медвидь M.B. Автоматическое питание рабочих машин штучными заготовками // Автоматизация машиностроительных процессов / М.В. Медвидь. ТII. М.: Академиздат, 1959. - С. 292-310.

55. Мелехин В.Г. Производительность автоматических загрузочных устройств / В.Г. Мелехин, С.А. Набиев. // Сб. научн. тр. МВТУ им. Н.Э. Баумана 1980. - Вып. 334. - С. 77-85.

56. Пат. 64977 Российская Федерация, МПК 6В23 Q7/02. Бункерное загрузочное устройство / Прейс В.В., Давыдова Е.В.; заявитель и патентообладатель Тул. гос. ун-т. №2007110713; заявл. 23.03.07; опубл. 27.07.2007. Бюл. № 23 (II ч.)- 3 е.: ил.

57. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления: Учеб. для втузов. В 2-х т./ Н.С. Пискунов. Т.1. М.: Интеграл-Пресс, 2002. - 416 е.; Т.2. - М.: Интеграл-Пресс, 2004. - 544 с.

58. Повидайло В.А. Некоторые вопросы теории работы бункерных загрузочных устройств / В.А. Повидайло. ВНИТОМАШ, Киев: МАШГИЗ, 1959.- 98 с.

59. Повидайло В.А. Расчет и конструирование бункерных загрузочных устройств для металлорежущих станков / В.А. Повидайло, К.И. Беспалов. Москва - Киев: МАШГИЗ , 1959.- 108 с.

60. Повидайло В.А. Расчет и конструирование вибрационных питателей / В.А. Повидайло. -М.: МАШГИЗ, 1962.- 150 с.

61. Прейс В.В. Автоматизация загрузки дискретных деталей в роторные и роторно-конвейерные линии / В.В. Прейс // Кузнечно-штамп. пр-во. 1987. -N1. -С. 12-15.

62. Прейс В.В. Автоматические загрузочно-ориентирующие устройства. Ч. 1. Механические бункерные загрузочные устройства: учеб. пособие для вузов / В.В. Прейс, H.A. Усенко, Е.В. Давыдова; под ред. В.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - 125 с.

63. Прейс В.В. Анализ производительности бункерного загрузочного устройства для кронен-пробок на основе классических и аналитических моделей / В.В. Прейс, Е.В. Давыдова. Изв. ТулГУ. Сер. Технология машиностроение. Вып. 1. Тула: ТулГУ, 2004. — С. 172-180.

64. Прейс В.В. Бункерные загрузочные устройства с вращающимися воронками криволинейного профиля / В.В. Прейс, М.К. Галон-ска. Под ред. В.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004. - 128 с.

65. Прейс В.В. Математическая модель функционирования роторных бункерных загрузочных устройств поштучно-непрерывного захвата / В.В. Прейс // Кузнечно-штамповочное пр-во, 1989. № 12. -С 25-27.

66. Прейс В.В. Модели структуры, классификация и области применения роторных систем автоматической загрузки /В.В. Прейс // Изв. ТулГУ. Сер. Машиностроение —Вып.6. Тула: ТулГУ, 2001 С. 157163.

67. Прейс В.В. Оптимизация параметров бункерных загрузочных устройств основного производства // Вопр. оборон, техн. Сер. XXIII. Вып. 28, 1979. - С. 29-32.

68. Прейс В.В. Основы теории производительности бункерных загрузочных устройств для автоматических роторных линий / В.В. Прейс // Кузнечно-штамп. пр-во. — 1989. № 12. - С. 25-27.

69. Прейс В.В. Системы автоматической загрузки штучных предметов обработки в роторные и роторно-конвейерные линии / В.В. Прейс // Вестник машиностроения. — Вып. 12, 2002. — С. 136-143.

70. Прейс В.В. Теория и проектирование роторных систем автоматической загрузки: дисс. . докт. техн. наук: 05.02.13 / Прейс В.В.Тула, 1997.-437 с.

71. Прейс В.В. Технологические роторные машины: вчера, сегодня, завтра / В.В. Прейс. — М.: Машиностроение, 1986. 128 с.

72. Прейс В.Ф. Исследования производительности крючковых и карманчиковых автоматов питания: дисс. . канд. техн. наук / В.Ф. Прейс. Тула, 1948. - 148 с.

73. Прейс В.Ф. Инженерные методы расчета бункерных загру-зочно-ориентирующих устройств // Автоматизация холодноштамповочного производства / В.Ф. Прейс. Москва-Киев: МАШГИЗ, 1961.-С. 162-169.

74. Прейс В.Ф. Методика экспериментального исследования конструкций высокопроизводительных автоматических загрузочно-ориентирующих устройств (АЗОУ) // Вопросы проектирования и расчета механизмов / Труды ТМИ / В.Ф. Прейс. М.: ГНТИ, 1959. - С. 20-41.

75. Прейс В.Ф. Некоторые вопросы теории автоматических за-грузочно-ориентирующих устройств // Автоматизация машиностроительных процессов / В.Ф. Прейс. Т II. М.: Академиздат, 1959. - С. 278291.

76. Прейс В.Ф. Основы проектирования дисковых автоматов питания и их экспериментальное исследование / В.Ф. Прейс. Глава IV. -Тула: Тульский механический институт, 1948. С. 154-202.

77. Прейс В.Ф. Основы теории бункерных устройств для захвата и ориентации заготовок в автоматах и автоматических линиях штамповочного производства: дисс. . докт. техн. наук: № 198 / Прейс Виктор Федорович. Тула. 1962. - 284 с.

78. Проников А.С. Надежность машин / А.С. Проников. М.: Машиностроение, 1978. — 592 с.

79. Рабинович А.Н. Автоматизация механосборочного производства / А.Н. Рабинович. Киев: «Виша школа», 1969. - 542 с.

80. Рабинович А.Н. Автоматизация технологических процессов в машиностроении / А.Н. Рабинович. — Киев: Гостехиздат, 1969. 488 с.

81. Рабинович А.Н. Автоматическое ориентирование и загрузка штучных деталей / А.Н. Рабинович. Киев: Техника, 1968. - 290 с.

82. Райбман Н.С. Построение моделей процесса производства / Н.С. Райбман, В.М. Чадеев. М.: Энергия, - 376 с.

83. РТМ 70-63 — РТМ 81-63. Автоматизирующие устройства для холодной листовой штамповки штучных заготовок. М.: Изд-во стандартов, 1964.-211 с.

84. РТМ 25247 76. Устройства зарузочные к металлорежущим и сборочным станкам: в 2-х частях. — М.: ВНИТИприбор МНПО «Темп». -355 с.

85. Рувинов Д.Я. Автоматические загрузочные устройства к металлорежущим станкам / Д.Я Рувинов, В.И. Хворостьянинова. М.: Машиностроение, 1963. - 180 с.

86. Силин Р.И. Автоматизация счета и расфасовки мелких деталей / Р.И. Силин. М.: Машиностроение, 1965. - 400 с.

87. Справочник по теории вероятностей и математической статистике / B.C. Королюк и др.. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985. - 640 с.

88. Средства автоматической загрузки и межоперационного транспорта машин-автоматов и автоматических линий / Сб. под ред. В.Ф. Прейса и И.А. Клусова. Тула, ЦБТИ Тульского Совнархоза, 1962, -236 с.

89. Трение и износ / И.В. Крагельский. М,: «Машиностроение», 1968.-480 с.

90. Усенко H.A. Автоматические загрузочно-ориентирующие устройства / H.A. Усенко, И.С. Бляхеров. М.: Машиностроение, 1984. -304 с.

91. Усенко H.A. Основы теории проектирования высокопроизводительных автоматических загрузочных устройств штучных заготовок: дисс. . докт. техн. наук: № 198 / Усенко Николай Антонович. — Тула. 1984.-304 с.

92. Чернов Л.Б. Основы методологии проектирования машин: Учебное пособие для вузов / Л.Б. Чернов. М.: Машиностроение, 1978. - 148 с.

93. Черпаков Б.И. Загрузочные и транспортные устройства в автоматизированном производстве / Б.И. Черпаков. М.: Высшая школа, 1977.-55 с.

94. Шабайкович В.А. Программное ориентирование деталей / В.А. Шабайкович. Львов: Вища школа, 1983. - 168 с.

95. Шаумян Г.А. Комплексная автоматизация производственных процессов / Г.А. Шаумян. М.: Машиностроение, 1973. - 640 с.

96. Шерешевский Н.И. Анализ и синтез многоярусной сборки / Н.И. Шерешевский. М.: Машиностроение, 1964. - 248 с.

97. Яхимович В.А. Транспортно-загрузочные и сборочные устройства и автоматы/ В.А. Яхимович,- Киев: Техника, 1976. 192 с.

98. МаШСАБ 2001: Учебный курс / В. Дьяконов. СПб. и др.: Питер, 2001.-624 с.