автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение качества изготовления заготовок деталей машин общего машиностроения на основе сыпучих материалов

Національний університет «Львівська політехніка»

,. •) ТБАРАНЕЦЬКЛ ОЛЬГА РОМАНІВНА

Ь'~' -

УДК 621.9.048.6

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЯКОСТІ ВИГОТОВЛЕННЯ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ЗАГАЛЬНОГО МАШИНОБУДУВАННЯ НА ОСНОВІ СИПКИХ МАТЕРІАЛІВ

05.02.08 - технологія машинобудування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерств освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Афтаназів Іван Семенович,

Національний університет ‘'Львівська політехніка” завідувач кафедри “Технологія машинобудування”

Петрина Юрій Дмитрович,

Івано-Франківський державний технічний університет нафти і газу,

завідувач кафедри “Технологія машинобудування”

кандидат технічних наук, доцент Третько Віталій Віталійович,

Технологічний університет Поділля ( м. Хмельницький), доцент кафедри “Технологія машинобудування”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Провідна установа: Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

кафедра “Технологія машинобудування”, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться 20 грудня 2000р. о 14— годині на засіданні спеціалізованої вче ної ради Д 35.052.06 у Національному університеті “Львівська політехніка” за адресок 79013, Львів-13, вул. С.Бандери, 12, ауд.226 гол. корп.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національног університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, Львів-13, вул. Професорська, :

Автореферат розісланий 18 листопада 2000 р.

Форнальчик Є.Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значна кількість виробництв як деталей машин загального машинобудування, так і їх заготовок зорієнтована на формоутворення при їх виготов-ченні із сумішей сипких матеріалів (ССМ) способом пресування, спікання чи склею-зання. До них належать, зокрема, фрикційні і гальмівні накладки, деякі різновиди підшипників ковзання, деталі складної конфігурації на основі металевих порошків, наприклад, рукоятки і тримачі слюсарного інструменту тощо. Якість цих виробів суттєво залежить від якості перемішування формувальних сумішей.

Окрім заготовок деталей загального машинобудування, з проблемою якісного перемішування ССМ стикаються і в інструментальному виробництві абразивних та твердосплавних інструментів, у порошковій металургії, в будівельній та переробних галузях, наприклад, в процесах виготовлення сухих будівельних клеевих сумішей, керамічних виробів тощо.

Розмаїття хімічного складу сумішей та вимог щодо їх якості, технологій їх перемішування обумовили появу широкої номенклатури змішувального обладнання -обертових барабанних, шнекових, міксерних, лопастевих та вібраційних змішувачів. З-поміж змішуватьного обладнання найширшого промислового застосування у загальному машинобудуванні набули обертові барабанні змішувачі, а найширші технологічні можливості мають вібраційні змішувачі. Проте барабанні змішувачі малопродуктивні, а відомі віброзмішувачі внаслідок недостатнього теоретико-експеримєн-тального дослідження динаміки руху сипкого середовища, відсутності науково-обгрунтованих рекомендацій щодо вибору та забезпечення оптимальних законів руху гранул ССМ у коливному контейнері недосконалі та малорозповсюджені. Розв’язання науково-технічних задач, пов'язаних з якісним виготовленням заготовок деталей та виробів із сумішей сипких матеріалів як загального машинобудування, так споріднених з ним галузей можливе за умови технологічного забезпечення високої якості перемішування сумішей при незначній тривалості неремішувального циклу. Втілення цього процесу вимагає створення нових високоефективних і продуктивних методів перемішування та необхідного технологічного устаткування, зорієнтованого на використання вібрацій.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дисертаційна робота підготовлена у рамках науково-дослідних робіт кафедри технології машинобудування Національного університету “Львівська політехніка” “Розробка і дослідження ресурсо- та енергоощадних технологій з використанням низькочастотних вібрацій” (1995-2000 р). і пов’язана безпосередньо з науково-дослідною роботою ДБ/Суміщ “Дослідження технологічного процесу та розроблення оснащення для приготування сумішей сипких матеріалів засобами вібраційної технології” (держ. реєстр. № 0196U000145). Остання виконувалась відповідно до координаційного плану Комітету з питань науки і техніки та Міністерства освіти України з розділу “Машинобудування” (позиція 43) “Високоефективні технологічні процеси в машино-

будуванні” на 1997-1999 роки. •

Мета і задачі досліджень. Мета роботи - розроблення і дослідження методу вібраційно-відцентрового перемішування сумішей для технологічного забезпечення якості виготовлення заготовок деталей машин загального машинобудування із сипких матеріалів. '

Об'єкт дослідження - технологічний процес перемішування сумішей для заготовок деталей і виробів загального машинобудування із сипких матеріалів; обладнання для цього процесу.

Предмет дослідження - метод вібраційно-відцентрового перемішування сумішей сипких матеріалів та параметри його оптимізації.

Методи дослідження - теоретичні дослідження динаміки сипкого середовища у коливному контейнері при вібраційно-відцентровому перемішуванні сумішей (ВВПС) виконано на основі теорії синхронізації динамічних систем й математичного опису законів руху сипкого середовища з використанням методів А.М.Ляпунова та А.Пуанкаре. Для експериментального визначення основних технологічних параметрів ВВПС та їх впливу на якість і тривалість перемішування сумішей сипких матеріалів використовували методику і апаратуру швидкісного кінозапису швидкостей та характеру рухів окремих гранул складників перемішуваних сумішей та стандартні методики для встановлення параметрів коливань виконавчих органів (контейнерів) вібраційних змішувачів. Тривалість перемішування сумішей визначали хронометруванням процесу , приймаючи за оптимальний час перемішування, протягом якого у відповідних ділянках контейнера віброзмішувача забезпечувалась обумовлена заводськими технічними умовами якість перемішування. Розроблення та перевірку програм профілювання контейнерів і розрахунку вібраційних змішувачів здійснено на базі програмного забезпечення “КОМПАС”, “Mathcad" та “Autocad” і персональної електронно-обчислювальної техніки.

Для досягнення мети у роботі сформульовані та розв’язувалися наступні задачі:

1. Провести анаїіз технологічних процесів і обладнання для перемішування

ССМ і розробити їх структурну класифікацію. '

2. Створити науково-обгрунтовану методику вибору оптимальних технологій і обладнання для перемішування ССМ.

3. Розробити високопродуктивний і ефективний метод перемішування сумішей (ВВПС) і конструктивні схеми обладнання для його реалізації при змішуванні ССМ різних груп якості.

4. Дослідити динаміку складників суміші в процесі ВВПС.

5. Визначити та експериментально дослідити основні технологічні параметри ВВПС та їх вплив на тривалість, продуктивність і якість перемішування сумішей.

6. Розробити методики та програмне забезпечення проектування профілів поверхонь контейнерів і вібраційних машин для ВВПС засобами комп'ютерної графіки.

з

7. Впровадити технологічні процеси вібраційно-відцентрового перемішування сумішей та обладнання для його реалізації. ' ’ ■

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше встановлено та математично описано умови самозбурення і стійкого підтримування обкочу-вального руху сипкого середовища у коливному контейнері як подальший розвиток теорії синхронізації динамічних систем, поширюючи сферу промислового застосування явища “підтримання обкочувального руху тіла при гармонійних коливаннях його осі” на тіла із аморфною поверхнею. 1

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

- запропонована нова структурна класифікація сумішей сипких матеріалів, технологій та обладнання для їх перемішування, яка покладена в основу створенім методики оптимізації леремішувальних технологій та вибору необхідного обладнання;

- розроблено та досліджено новий спосіб вібраційно-відцентрового перемішу-

вання ССМ; вперше спроектовано, виготовлено та впроваджено у виробництво обладнання для його реалізації; - '

- розроблено нові методику та програмне забезпечення проектування засобами комп'ютерної графіки профілів поверхонь контейнерів і вібраційних машин для ВВПС різних за складом, групами якості та цільовим призначенням сумішей.

Все це в комплексі не тільки забезпечує підвищення якості приготування сумішей, але й зменшує їх собівартість за рахунок підвищення продуктивності перемішу-вальних операцій. Поряд з тим, запропонована методика оптимізації технологій та обладнання для перемішування ССМ дає змогу зменшити матеріальні затрати як на етапі запровадження нових технологій, так і під час аналізу відомих, звести до мінімуму небезпеку невдалого вибору і пов’язаних з ним матеріальних затрат; розроблена методика та програмне забезпечення проектування обладнання для ВВПС засобами комп'ютерної графіки істотно спрощує проектні роботи в цій галузі, скорочує тривалість їх виконання.

Технологічний процес вібраційно-відцентрового перемішування сумішей сипких матеріалів та технічну документацію на вібраційні машини передано для впровадження у ВАТ "Львівська керамічна фабрика “Сяйво”, зокрема в операції підготовки шихти до спікання керамічних виробів (очікуваний річний економічний ефект -35 тис. грн.). Технологію ВВПС впроваджено у ВАТ "Атлант-Стиль" (м. Львів) в операції зміщування сумішей будівельних сухих клеєвих розчинів (річний економічний ефект - 50 тис. грн.). -

Особистий внесок здобувана в отриманні наукових результатів полягає в проведенні аналізу та літературного огляду сучасного стану проблеми перемішування ССМ [1,7], розробленні системи класифікації сумішей, методик вибору оптимальних технологій їх перемішування [3,4,5], розробленні програмного забезпечення профілювання і розрахунку віброзмішувачів [2], розробленні та дослідженні способу вібраційно-відцентрового перемішування сумішей [6,8,9] та математичного опису умов

самозбурення і стійкого підтримування обкочувального руху, проектуванні та впровадженні у виробництво комплексу обладнання ВВГТС.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на 3-х Міжнародних науково-технічних конференціях і симпозіумах, зокрема: IV Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (травень, 1999 р.); "Машинобудування і техносфера на межі XXI століття1', Донецьк (вересень, 1999 р.); "Геометрія і комп'ютер", Польща, "Вісла-99", Польська асоціація геометрії і інженерної графіки" (червень, 1999 р.).

Публікації. Матеріали дисертації викладено у 7-ми наукових статтях науково-технічних видань та збірників праць (серед них 1 одноосібна), передбачених переліком ВАК України, 2-х тезах і матеріалах науково-технічних конференцій, симпозіумів. • ...

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів та додатків. Повний обсяг дисертації - 189 с., в т. ч. 25 рис., 11 табл., з них додатків - 25 с. Список використаних літературних джерел складається з 89 позицій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі розкрито стан і суть наукової проблеми якісного виготовлення заготовок деталей та виробів загального машинобудування із сумішей сипких матеріалів, вирішення якої можливе за умови технологічного забезпечення високої якості перемішування сумішей при незначній тривалості псремішувальпого циклу. Для реалізації цього необхідні розроблення та дослідження нових високоефективних і продуктивних технологій та обладнання для перемішування сумішей, зорієнтованих на використання вібрацій як найефективнішого джерела інтенсивних просторових переміщень гранул складників перемішуваної суміші, оскільки відомі технології, включаючи звичне віброперемішування, недосконалі. Обгрунтовано необхідність проведення поглиблених досліджень технологій перемішування з використанням низькочастотних вібрацій як найуніверсальшшого способу якісного і високопродуктивного приготування різноманітних за складом сумішей. Розкрито мету, об’єкт, предмет і задачі досліджень, окреслено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено дані про апробацію, структуру та обсяг дисертаційної роботи.

У першому розділі на підставі аналізу літературних джерел окреслено основні етапи розв’язання наукової проблеми технологічного забезпечення якості заготовок деталей та виробів із сипких матеріалів. Важливим серед інших виділено технологічне забезпечення якості перемішування компонентів сумішей як основний напрям формування високих споживчих властивостей виготовлених з них деталей.

Вихідними матеріалами для заготовок деталей із сипких матеріаиів у загальному машинобудуванні та у багатьох споріднених з ним виробництвах (порошковій металургії, інструментальному виробництві, переробній промисловості тощо) є формувальні порошкові суміші. Як і у будь-якому технологічному процесі якість заготовок,

у даному разі сумішей сипких матеріалів, та енергозатрати на їх виготовлення (тут -перемішування складників суміші) є визначальними і такими, що регламентують якість готових виробів, тобто деталей із сипких матеріалів, їх конкурентоздатність і собівартість. До того ж, перемішувальні операції приготування сумішей сипких матеріалів, частка яких у загальній сукупності тривалостей виготовлення деталей та виробів з цих матеріалів досягає 50-75%, с тією ланкою, яка визначає продуктивність виробництва взагалі. Отже, підвищення рівня параметрів приготованих перемішуванням сумішей є основою технологічного забезпечення якості деталей із заготовок з сипких матеріалів, а скорочення тривалості перемішування — резервом підвищення продуктивності процесу виготовлення цих деталей та виробів, зменшення їх собівартості.

Аналіз технологічних можливостей змішувального обладнання свідчить про широку сферу його доцільного застосування, універсалізм з-поміж інших вібраційних змішувачів. Проте, недостатня глибина теоретико-експериментального дослідження специфіки впливу низькочастотних вібрацій на просторові переміщення гранул складників суміші, динаміку і характер їх руху, відсутність централізованого виготовлення віброзмішувачів гальмують широке промислове використання цього ефективного методу перемішування ССМ.

З огляду на це і з метою технологічного забезпечення високої якості виготовлення заготовок деталей машин та виробів із сипких матеріалів перспективним є напрям досліджень, спрямований на розроблення нового високоефективного та продуктивного методу перемішування сипких матеріалів, на використання вібрацій як найдосконалішого джерела енергії для інтенсивних просторових переміщень гранул складників суміші під час її перемішування та на розроблення конструктивних схем і методики проектування втілюючих цей метод віброзмішувачів.

У другому розділі обгрунтовано вибір напрямків та розкрито методики досліджень.

Аналіз стану теоретико-експериментального дослідження та промислового використання вібраційних змішувачів показує, що незважаючи на теоретичні дослідження та результати щодо можливого забезпечення засобами вібрацій швидкостей просторових переміщень матеріальних тіл до 2 м/с, використовувані у виробничій сфері віброзмішувачі далекі від досконалих, а самі віброперемішувальні технології вимагають грунтовного аналізу та вдосконалення їх.

До методів розв’язання задач у дисертаційній роботі належать теоретико-експериментальне дослідження технологічних параметрів та динаміки сипкого середовища в процесі його перемішування із інтенсивними просторовими переміщеннями гранул складників суміші та створення методики розрахунків і проектування засобами обчислювальної техніки спроможного забезпечити інтенсивне перемішування технологічного обладнання.

Експериментальні дослідження виконувалися з використанням методики швидкісного кінозапису динаміки гранул сипкого середовища при віброперемішу-

ванні. При цьому параметри вібрацій вимірювали за допомогою давачів прискорення. Методику теоретичних досліджень становили основи теорії синхронізації динамічних систем, на підставі якої отримано математичні залежності, що описують закони руху сипкого середовища у коливному контейнері із інтенсивними просторовими переміщеннями гранул. Використовувався також метод незначного (малого) параметру А.Пуанкаре та стійкості періодичних розв‘язків А.М.Ляпуиова для опису характеру силової взаємодії контейнера із сипким середовищем, а також умов самозбурення і стійкого підтримання інтенсивного обточувального руху сипкого середовища.

Розроблення і перевірку програм профілювання контейнерів та розрахунку вібраційних змішувачів здійснено на базі програмного забезпечення “Компас”, “МаЙісасГ та “АШоСАП” з використанням персональних комп'ютерів типу “РегЛішп“.

У третьому розділі розкрито суть нового високопродуктивного методу пере-мішувшня сумішей сипких матеріалів, зорієнтованого на використанні вібрацій.

Аналіз динаміки часток (гранул) сумішей сипких матеріалів у коливних контейнерах показує, що режимові звичного віброперемішування характерні, по-перше, незначна привідна площа поверхні контейнера, по-друге, певною мірою обумовлена цим низька лінійна швидкість руху часток у коловому і особливо радіальному напрямках, по-третє, мала інтенсивність рухів часток у центральній частині перерізу коливного контейнера, яка за розмірами досягає 75% всієї площі перерізу.

Просторовим переміщенням часток сипкого середовища у коливному контейнері характерні три режими, які почергово змінюють один одного з наростанням амплітуди коливань контейнера:

- режим звичного віброперемішування (0 < А < 5,5 мм), який характеризується переміщенням маси сипкого середовища у коливному контейнері проти напрямку його коливань;

- перехідний режим (5,5 < А < 7 мм), при якому відсутній спрямований рух сипкого середовища у коливному контейнері;

- режим обкочувального руху сипкого середовища (А > 7 мм), якому властиве обкочування маси сипкого середовища по внутрішній поверхні замкнутого циліндричного контейнера із обертанням в напрямку, що співпадає з напрямком коливань контейнера.

Обкочувальний рух сипкого середовища незалежно від групи якості суміші са-мозбурюється і стабільно підтримується за певних умов, а саме - з коефіцієнтом завантаження 0,6 < С < 0,8 і амплітудою коливань А > 7 мм та частотою ї > Зн-5 Гц. Для будь-якого із режимів руху сипкого середовища максимальні швидкості просторових переміщень часток суміші та продуктивність перемішування забезпечуються в діапазоні значень коефіцієнта завантаження 0,65 < С < 0,86 (цей коефіцієнт розглядався як співвідношення об’єму завантаженої в контейнер суміші \?,ав_ до об'єму його внутрішньої поверхні Ук).

Умови самозбурення і стійкого підтримування обкочувального руху сипкогс

середовища у коливному контейнері наведено у таблиці , в якій О - діаметр внутрішньої поверхні циліндричного контейнера, О0 - діаметр тіла із аморфною циліндричною поверхнею, в яке формується сипке середовище під час його обточувального руху.

Специфіка характеру переміщень маси сипкого середовища, його обточувальний рух в контейнері круглого поперечного перерізу в процесі гармонійних коливань, значна інтенсифікація при цьому швидкостей і переміщень часток складників суміші, чітко означені межі самовстаиовлеігая і стійкого підтримання обкочувального руху дають підставу стверджувати про існування принципово незалежного, відмінного від звичного, режиму віброперемішень у коливному контейнері. Основою самовстанов-лення і стійкого підтримання обкочувального руху сипкого середовища є вплив на нього відцентрових сил, що діють на завантажену в контейнер масу, які виникають за певних значень коефіцієнта завантаження і співвідношень амплітуди коливань. Різке зростання інтенсивності і швидкості переміщень часток складників суміші при цьому пояснюється тим, що в процесі обкочувального руху вся внутрішня поверхня коливного контейнера відіграє роль привідної стінки, контактуючи із сипким середовищем, яке обкочується по ній. Оскільки привідна ділянка коливної стінки контейнера, яка передає енергію та імпульс на переміщення часткам суміші, досягає при цьому розмірів усієї внутрішньої поверхні, то істотно скорочується тривалість віброперемішувап-ня (приготування) суміші.

Враховуючи природу рухів і сил, які реалізують цей метод, його названо “вібраційно-відцентровим перемішуванням сумішей (ВВПС)'’, і він може бути означений як метод дискретного чи неперервного перемішування сумішей сипких матеріалів у коливному контейнері замкнутого круглого чи наближеного до круглого поперечного перерізу при самовстановленні і стійкому підтриманні внаслідок дії відцентрової сили обточувального руху сипкого середовища шляхом дотримання обумовлених параметрів вібрацій і співвідношень об’єму завантаження складників суміші до робочого об’єму контейнера.

Спосіб вібраційно-відцентрового перемішування сумішей, в основу якого покладено обкочувальний рух сипкого середовища у коливному контейнері, характеризується високими швидкостями руху часток суміші по всьому поперечному перерізі маси середовища. Лінійна швидкість часток суміші у круговому русі сягає 0,5 м/с, в радіальному напрямку - 0,068 м/с, кругова частота обертання маси середовища - 17 хв'1. Для звичного віброперемішування ці значення відповідно становлять: 0.33 м/с; 0,012 м/с та до 10 хв'1., тобто в середньому на 40 - 60% менші.

Основними технологічними параметрами, які мають визначальний вплив на якість перемішування сумішей при ВВПС є:

- параметри вібрацій;

- співвідношення об’єму завантаження до об’єму контейнера;

- тривалість перемішування;

Таблиця. Умови самозбурення та стійкого підтримання обкочувального руху сипкого середовища у коливному контейнері ; -

Значення коефіцієнта завантаження, C-W А Різниця діаметра контейнера і висоти завантаженої у ньому суміші, мм Умовний діаметр обкочувального циліндра, Бр, мм Ексцент- риситет, Амплітуда, мм Кругова частота обкочувального руху середовища, хв'1. Характер обкочування середовища (повне- неповне)

перехідного режиму від вібропере-мішування до обкочувального __ РУХУ- самозбурення . обкочувального руху

2 мм

0,25 140 100,0 50,0 6,75 7,0 3,5 неповне

0,30 г . 130 109,54 45,23 5,75 5,8 7,5 неповне

0,40 113 126,49 36,755 5,25 5,35 13,0 неповне

0,50 100 141,42 29,29 5,5 5,6 14,5 неповне

0,55 94 148,32 25,84 5,75 5,8 15,5 неповне

0,60 87 154,92 22,54 6,0 6,1 16,8 неповне

0,65 79 159,0 20,5 6,25 6,3 17,0 повне

0,70 70 167,33 16,335 6,50 6,55 17,0 повне

0,75 60 174,0 13,0 6,75 6,8 17,0 повне

0,80 54 178,9 10,55 — — — ■ відсутнє

0,90 35 189,74 5,13 — — — відсутнє

0,95 24 194,9 2,55 — — — відсутнє

- привідна площа внутрішньої поверхні контейнера;

- співвідношенім довжини контейнера до його діаметра.

На рис.1 наведено залежність тривалості якісного перемішування суміші низької групи якості від значень коефіцієнта завантаження “С” за вібраційно-відцентрового перемішування. Сімейство кривих Т=£(С = Узав./Ук), отриманих для

різних значень амплітуд коливань контейнера А, показує, що з наростанням значенім співвідношення об'єму завантаження до об'єму контейнера (С = Узая. / V*) від нуля до 0,75-0,8 тривалість перемішування суміші зменшується. Його мінімальні значення, залежно від амплітуди коливань контейнера А, знаходяться в межах

0,65 < С < 0,80 і для даної суміші становлять 10-17,5 хв. З подальшим зростанням коефіцієнта завантаження (0,85 < С < 1) тривалість приготування суміші різко збільшується. При цьому збільшення амплітуди коливань контейнера зменшує як тривалість перемішування, так і відповідне їй значення коефіцієнта завантаження самозбурення повного обкочу-вального руху сипкого середовища. Проте діапазон стійкого підтримування обточувального руху (Соб) при цьому зростає.

У четвертому роздті на основі теорії синхронізації динамічних систем, теоретичного аналізу динаміки як сипкого середовища у коливному контейнері, так і динамічної системи віброзмішувача загалом доведено, що обкочувальний рух сипкого середовища піддається математичному опису як рух планетарного вібратора певної маси з аморфною поверхнею. При цьому просторові переміщення сипкого середовища за рахунок явища “вібраційного підтримання обертання тіла при гармонійних коливаннях його осі” самосинхронізуються з рухами вібрацій, що їх породжують приєднані до несного контейнера віброзбудники, зокрема дебалансного типу.

Вперше встановлені математичні залежності, які описують умови самозбурення і сгійкого підтримання обкочувального руху сипкого середовища у коливному кон-

Рис. 1. Залежність часу віброперемішування суміші від коефіцієнта завантаження.

тейнері, необхідної для його стабільності енергії, покладено в основу розробленої методики проектування і розрахунку засобами обчислювальної техніки віброзмішувачів для ВВПС та профілів їх контейнерів.

На підставі теоретичного аналізу динамічної схеми ВВПС, яку наведено на рис. 2, отримано залежності для визначення сили взаємодії перемішуваної суміші з коливним контейнером Р та направленої в радіальному напрямку до центра перерізу контейнера сили р, з якою він діє на контактну з ним гранулу сипкого середовища:

Р = Ктєсо2 = 4лКтєГ2,

де К - коефіцієнт, який рівний:

Гол Є„ К = 1--4_А М Є

m

cos а —- + -М

- sin(<ot + а)

£0)

Р ШЕҐ S_

Р = -«133-----J-2.

n D

Рис. 2. Динамічна схема ВВПС

Тут і на динамічній схемі прийняті такі позначення: m і є - відповідно маса і ексцентриситет перемішуваної суміші; а = 2кї - кругова частота коливань контейнера; Шд і ея - відповідно маса і ексцентриситет дебалансу віброзбудника; М* - загальна коливна маса; а - кут зсуву фаз між вектор-ексцентриситетами дебалансу і пе-

ремішуваної суміші; n = SK0Hy,Srp кількість гранул перемішуваної суміші, які контактують з поверхнею контейнера; S*0H =0,2SK = 0,27iDKa/4 » 0,15DK2- площа контакту суміші з поверхнею контейнера; SK і DK - відповідно площа і діаметр внутрішньої поверхні контейнера; - площа поперечного перерізу гранули суміші; 1-дебалансний віброзбудник; 2-псрсмішувана суміш; 3-контейнер; 4-пружна підвіска.

Проведені експериментальні дослідження підтвердили, що сила взаємодії коливного контейнера з гранулами сипкого серсдовшца при ВВПС прямопропорційна масі завантаженого в контейнер середовища, ексцентриситету циліндричного тіла, в яке формується середовище під час його обкочувального руху, квадратові колової частоти коливань контейнера та площі поперечного перерізу гранул перемішуваного сипкого середовища і обернено пропорційна квадратові діаметра внутрішньої поверхні контейнера. Ця сила у 10-15 разів перевищує аналогічну за фізичною сутпо силу взаємодії контейнера з відокремленою гранулою при звичному віброперемішуванні, що і пояснює інтенсифікацію просторових переміщень гранул під час ВВПС, вищу його продуктивність.

У разі профільованої внутрішньої поверхні контейнера групою рівномірно розташованих по колу радіальних циліндричних поверхонь, які перегинаються коаксіальними до поверхні контейнера двома додатковими циліндрами, обкочувалмшй рух гранул сипкого середовища самозбурюється у кожній із радіальних циліндричних поверхонь, а маса середовища здійснює обкочування між коаксіальними циліндричними поверхнями. В результаті утворюється вихровий рух сипкого середовища, для якого характерна висока інтенсивність просторових переміщень гранул суміші (до 0,5 м/с лінійна швидкість у круговому напрямку і до 0,2 м/с - у радіальному).

Незалежно від конфігурації поверхні контейнера, із підвищенням групи якості суміші тривалість її якісного перемішування зростає (майже у геометричній прогресії). Нарощування привідної площі контейнера при ВВПС істотно скорочує тривалість якісного перемішування ССМ. Ця тенденція залишається незмінною для всіх, без винятку, груп якості сумішей. Так, для початкового значення тривалості перемішування суміші низької якості у циліндричному контейнері без будь-яких вставок 17 хв., тривалість якісного переміщування з трьома вписаними циліндричними поверхнями знижується майже на 30%, а з шістьма - на 65% (7,5 хв.), тобто майже втричі. Така тенденція спостерігається і при змішуванні сумішей високої якості: 90 хв. - змішування у контейнері без вставки, 35 хв. - з використанням чотирьох і 25 хв. - із шести циліндричними екранами-вставками.

У п’ятому розділі наведено принципові схеми і опис конструкції розроблених вібраційних змішувачів для ВВПС сипких матеріалів. Вібраційні змішувачі як дискретної, так і неперервної дії для вібраційно-відцентрового перемішування сумішей сипких матеріалів прості за будовою, порівняно дешеві, надійні в експлуатації, універсальні. Це дозволяє розширити технологічні можливості вібраційного змішувального обладнання на суміші високої та надвисокої груп якості.

На рис. З наведена принципова схема віброзмішувача дискретної дії для вібраційно-відцентрового перемішування сипких матеріалів різноманітних груп якості. Його універсальність забезпечується використанням змінного футерування внутрішньої поверхні контейнера із різноманітною конфігурацією поперечного перерізу. Зміна площі привідної ділянки внутрішньої поверхні контейнера дає змогу якісно приготувати суміші матеріалів різноманітних груп якості.

Основним робочим органом цього віброзмішувача є пружно встановлений на чотирьох гумово-кордових пневмобалонах 1 на рамі 2 контейнер З замкнутої циліндричної форми. Між торцевими стінками контейнера вздовж його геометричної осі розміщена центральна вставка у вигляді пустотілої труби, всередині якої на опорах кочення розміщений вал 4 де-балансного віброзбудника коливань. На валу розташовані дебалансні вантажі, які можуть провертатися один відносно другого, що забезпечує ступінчасте регулювання амплітуди коливань контейнера.

Всередині внутрішньої поверхні контейнера та на зовнішній поверхні центральної вставки розташовано змінну гумову або поліуретанову футеровку 5, яка, будучи водночас звукоізоляцією, дозволяє формувати контейнер різноманітного поперечного переізу із змінною привідною площею. Це забезпечує якісне віброзмішу-вання сумішей різноманітних груп якості з мінімальною тривалістю, тобто засіб характеризується певною універсальністю. Для механізації завантажувально-розвантажувальних робіт контейнер оснащено завантажувальною і розвантажувальною горловинами, шарнірні кришки яких з’єднані із штоками пневм о циліндрів 6.

Основна відмінність віброзмішувача неперервної дії полягає в профілюванні внутрішньої поверхні контейнера у вигляді спіральної поверхні сталого діаметра, утвореної рухом утворюючого кола діаметром (і, що лежить у площині, яка проходить через вісь контейнера, по гвинтовій ліній, радіус і крок якої дорівнюють діаметру твірного копа. В геометрії ця поверхня відома під назвою “гелікон“. Виготовлена з гуми або поліуретану робоча поверхня контейнера сформована в результаті перетину поверхні “гелікона“ двома коаксіально розташованими і співвісними осі контейнера циліндричними поверхнями 12 і 13 радіусами її. і = 1,75сі та Яг = 1,25(1. Внутрішня частина робочої поверхні контейнера закріплена на центральній пустотілій трубі, а зов-

Рис. 3. Принципова схема вібраційного змішувача дискретної дії для ВВПС

нішня - на внутрішній поверхні контейнера.

Діаметр і) твірного кола гвинтової спіральної поверхні футерування змішувача га довжину контейнера визначають з умови забезпечення заданої продуктивності перемішування. Продуктивність перемішування сумішей у змішувачі неперервної дії регулюють швидкістю переміщень часток суміші вздовж осі контейнера від засипної до висипної горловини, змінюючи кут нахилу контейнера до горизонту та частоту його коливань.

Створена для полегшення проектно-конструкторських робіт і зорієнтована на використання сучасної комп’ютерної техніки методика розрахунку основних конструктивних і технологічних параметрів вібраційних змішувачів для вібраційно-відцентрового перемішування сумішей сипких матеріалів дозволяє істотно скоротити їх тривалість, а, отже, і матеріальні витрати на такі роботи, що загалом полегшує впровадження у виробництво сучасних енергоошадливих технологій перемішування сумішей різноманітних властивостей та іруп якості.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз сучасного стану проблем виготовлення деталей та виробів загального машинобудування із сумішей сипких матеріалів показує, що підвищення їх якості та зниження собівартості можливе завдяки якісному і високопродуктивному виготовленню їх заготовок, якими є формівні порошкові суміші, Основою технологічного забезпечення якості заготовок цих деталей та виробів с підвищення якості на перемішу-вальних операціях, а скорочення тривалості перемішування - резервом підвищення продуктивності процесу їх виготовлення, зниження собівартості. Сучасні технології та обладнання для перемішування ССМ недосконалі, що вимагає розроблення нових високоефективних технологій перемішування, зорієнтованих на використання вібрацій як найуніверсальнішому джерелі інтенсивних просторових переміщень гранул перемішуваних сумішей, проте недосконалість відомих віброзмішувачів вимагає дослідження га розроблення нових ефективних віброперемішувалмшх технологій та змішувального обладнання. -

2. Експериментальними дослідженнями динаміки просторових переміщень гранул сипкого середовища у коливному контейнері встановлено, що за певних значень коефіцієнта його завантаження (0,25< С <0,95) переміщенням характерні три режими, які почергово змінюють один одного в міру наростання амплітуди коливань контейнера:

- режим звичного віброперемішуваїшя (0 < А < 5,5 мм), який характеризується переміщенням маси сипкого середовища в коливному контейнері проти напрямку його коливань;

- перехідний режим (5,5 < А < 7,0 мм), за якого відсутній направлений рух сипкого середовища в коливному контейнері;

- режим обкочувального руху сипкого середовища (А > 7 мм), якому властиве обкочування маси сипкого середовища по внутрішній поверхні замкнутого циліндричного контейнера із обертанням в напрямку, що співпадає з напрямом коливань контейнера: обкочувальний рух сипкого середовища самозбурюється і стабільно підтримується при коефіцієнті завантаження 0,6 < С < 0,8, амплітуді коливань А > 7 мм та частоті Г> 3+5 Гц.

3. Обкочувальному руху сипкого середовища властива висока інтенсивність просторових переміщень гранул по всьому поперечному перерізі маси середовища в коливному контейнері: збільшення до 0,5 м/с їх лінійної швидкості у круговому і до 0,068 м/с в радіальному напрямках (проти відповідно 0,33 м/с і 0,012 м/с при звичному віброперемішуванні), тобто в середньому на 40-45%. Це є підставою для усунення недоліків звичного віброперемішування, властивих йому через незначну привідну площу та малу інтенсивність переміщень гранул в центральній частині поперечного перерізу контейнера.

4. Експериментально встановлене явище вібраційного підтримання обточувального руху сипкого середовища при гармонійних коливаннях контейнера обгрунтовано теорією синхронізації механічних віброзбудників, на основі якої вперше отримано математичні залежності, які описують рух динамічної системи віброзмішувача. Аналіз динаміки сипкого середовища в коливному контейнері та динамічної системи віброзмішувача показує, що обкочувальний рух сипкого середовища може математично описуватися рівняннями руху планетарного вібратора певної маси з аморфною поверхнею, просторові переміщення якого за рахунок явища “вібраційного підтримання обертання тіла при гармонійних коливаннях його осі” самосшіхронізуються з рухами, які породжують вібрації приєднаних до песного контейнера віброзбудники.

5. Надання сипкому середовищу в коливному контейнері обточувального руху (основа створеного методу вібраційно-відцетрового перемішування сумішей) до

0,5 - 0,55 м/с, тобто на 20-25%, підвищує лінійну швидкість просторових переміщень гранул на периферії коливного контейнера, до 17 хв’1, тобто на 30%, збільшує кругову швидкість руху сипкого середовища, і, що особливо вагомо, до 0,13-0,15 м/с, тобто на 50-70%, підвищує швидкість руху гранул у радіальному напрямку в порівнянні із звичним віброперемішуванням. Основними технологічними і конструктивними параметрами ВВПС, що с визначальними для якісного перемішування цим методом сумішей, є параметри вібрацій, тобто амплітуда і частота коливань контейнера, його внутрішня привідна площа та її конфігурація, співвідношення об‘єму завантаження до робочого об’єму контейнера та тривалість перемішування.

6. Сила взаємодії коливного контейнера з гранулами сипкого середовища при ВВПС прямогіропорційиа масі завантаженого в контейнер середовища, ексцентриситету циліндричного тіла, в яке формується середовище, квадратові кругової частоти коливань контейнера та площі поперечного перерізу гранул середовища і обернено пропорційна квадратові діаметра внутрішньої поверхні контейнера. Ця сила в 10-15

разів перевищує аналогічну силу взаємодії контейнера з окремою гранулою при звичному віброперемішуванні, що пояснює інтенсифікацію просторових переміщень гранул при ВВПС, вищу його продуктивність.

7. Тривалість якісного перемішування ССМ при ВВПС обумовлена групою якості суміші. Для суміші низької якості наявність у коливному контейнері центральної циліндричної вставки скорочує тривалість перемішування з 17 хв. до 15 хв. (на 12 %), трьох вписаних у контейнер циліндричних поверхонь - до 12 хв. (на ЗО %), чотирьох - до 10 хв. (на 42 %), шести - до 7,5 хв. (на 65 %). Аналогічне зменшення тривалості перемішування в міру наростання привідної площі спостерігається за всіма групами якості сумішей: для сумішей середньої групи якості скорочення тривалості перемішування становлять 15 % при центральній циліндричній вставці, 43 % - при трьох, 57 % - чотирьох, 63 % - шести вписаних циліндричних поверхнях; для сумішей високої групи якості - відповідно на 34 %, 50 %, 60 % і 70 %, та надвисокої - 20 %, 60 %, 67 % і 73 %.

8. Зорієнтовані на застосування сучасної обчислювальної техніки методики розрахунку та профілювання внутрішньої поверхні контейнера і віброзмішувача для ВВПС, їх відповідне програмне забезпечення створюють основу для швидкого і якісного виконання проектно-конструкторські« робіт, зводячи до мінімуму матеріальні втрати як на стадії запровадження нових виробництв перемішування ССМ, так і при реконструкції діючих технологічних процесів.

9. Теоретико-експериментальні дослідження нового універсального і високоефективного методу вібраційно-відцентрового перемішування, простота конструкції і надійність розроблених для його реалізації вібраційних змішувачів дискретної та неперервної дії дають змогу істотно розширити сферу промислового застосування вібрацій для перемішування сипких матеріалів різноманітних груп якості, включно з високою та надвисокою. До того ж, із значною ефективністю та продуктивністю, потіснивши або повністю замінивши застарілі енергомісткі технологічні процеси переміщування в низькопродуктивних обертових барабанах.

Основний зміст дисертаційної роботи викладений у таких публікаціях:

1. Афтаназів І.С., Баранецька O.P., Волошкевич П.П., Кирилів Я.Б., Криниць-кий І.І. Дослідження динаміки і оптимізація технологічних параметрів вібронеремі-шування сипучого середовища // Вісник Держ.ун-ту “Львівська політехніка”. - Львів, 2000. - Вип. 371: Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні. - С. 48-58.

2. Афтаназів І.С., Баранецька O.P. Змішування сумішей сипучих матеріалів методом вібраційно-відцентрового перемішування // Вісник Черкаського інженерно-технологічного ін-ту. - Черкаси, 2000,- Вип. 1. - С. 89-95.

3. Афтаназів І.С., Баранецька O.P.Методика вибору оптимальних технологій і

обладнання при змішуванні сипучих матеріалів // Вісник Держ.ун-ту '‘Львівська політехніка” - Львів, 2000. - Вип. 371: Оптимізаш виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні, - С. 14 - 21. •

4. Афтаназів І.С., Баранецька O.P., Сімчук O.P. Вибір оптимального технологічного процесу змішування сумішей матеріалів /} Вісник Держ.ун-ту “Львівська політехніка”. - Львів, 1999. - Вип. 359: Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні. - С. 3-10

5. Афтаназів 1.С., Баранецька O.P., Сімчук О.М. Вибір технології і обладнання

для змішування сумішей сипучих матеріалів // Машинознавство. - 1999, № 5. -С. 55-62. '

6. Баранецька O.P. Вібраційне змішування сумішей сипучих матеріалів // Машинознавство. - 2000, № З.-С. 60-63.

7. Афтаназів І.С., Панкевич Б.В., Баранецька O.P. Графічне моделювання пе-

рерізу контейнера вібраційного змішувача сипучих матеріалів. - В кн.: Труды Таврической государственной агротехнической академии. - Вып. 4: Прикладная геометрия и инженерная графика, т.9. - Мелитополь, 1999. - С. 26 - 31. '

8. Афтаназів І.С., Баранецька O.P., Кирилів Я.Б. Дослідження динаміки сипучого середовища при вібраційному перемішуванні // Сборник трудов Y1 международной научн. техн. конференции. 13-18 сентября 1999 г., т.З: Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века., Севастополь, 1999. -С. 215-218.

9. Баранецька O.P. Вібраційне змішування сумішей сипучих матеріалів / Тез. доп. 4-го Міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. 19-21 травня, 1999 p., Львів, 1999.-С. 109.

АНОТАЦІЯ

Баранедька О.Р. Технологічне забезпечення якості виготовлення заготовок деталей машин загального машинобудування на основі сипких матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2000.

Робота присвячена питанню технологічного забезпечення якості виготовлення заготовок деталей машин загального машинобудування з сипких матеріалів шляхом якісного перемішування сумішей методом вібраційно-відцентрового перемішування. На основі теоретико-експериментального дослідження динаміки гранул сипкого середовища гіри його обточувальному русі по поверхні коливного контейнера розроблено метод і необхідне обладнання для якісного високопродуктивного перемішування сумішей сипких матеріалів.

Досліджено вплив технологічних і конструктивних параметрів методу на якість і тривалість перемішуваная, розроблено принципові схеми вібраційних змішувачів дискретної і неперервної дії, створено методику їх розрахунку і проектування засобами обчислювальної техніки.

Ключові слова: заготовка, деталь, сипка суміш, вібрація, обкочувальний рух, технологічний параметр, віброзмішувач.

SUMMARY

Baranetska O.R. Technological quality assurance of manufacture of bars of details of machines of a common machine industry on the basis of bulk materials. - The manuscript.

Thesis for a candidate degree by speciality 05.02.08 - machinebuilding technology. -National university “Lvivska polytechnika”, Lviv, 2000.

The activity is devoted to a problem of technological quality assurance manufacture of bars of details of machines of a common machine industry from bulk materials by qualitative blending of mixtures by a method of vibrational - centrifugal blending. On the basis of theoretical-experimental research speakers pieces of the loose environment at its running-in on a surface of the vibrant container the method and equipment, implementing it for qualitative high-performance blending of mixtures of bulk materials designed.

.The influence technological and design data of a method on quality and duration of blending is researched, the principal diagrams of vibrational mixers of discrete and continuous operation designed, the technique of their calculation and designing by ways of computer facilities is created.

■ Keywords: bar, detail, loose mixture, vibration, running-in move, technological parameter, vibrational mixer. •

АННОТАЦИЯ

Баранецкая O.P. Технологическое обеспечение качества изготовления заготовок деталей машин общего машиностроения на основе сыпучих материалов. - Руко-1 пись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Национальный университет “Львивська политехника”, Львов, 2000.

‘: Работа посвящена вопросу технологического обеспечения качества изготовле-

ние заготовок деталей машин общего машиностроения из сыпучих материалов путем качественного смешивания смесей методом вибрационно-центробежного смешивания. На основании теоретико-экспериментального исследования динамики гранул сыпучей среды при ее обкатке по поверхности вибрирующего контейнера разработан метод и реализующее его оборудование для качественного высокопроизводительного смешивания смесей сыпучих материалов.

Исследовано влияние технологических и конструктивных параметров метода на качество и продолжительность смешивания, разработаны принципиальные схемы вибрационных смесителей дискретного и непрерывного действия, создана методика их расчета и проектирования с использованием вычислительной техники.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов, списка использованной литературы и приложения.

В первом разделе раскрыта суть научной проблемы обеспечения качества деталей и изделий общего машиностроения из заготовок из смесей сыпучих материалов (ССМ). Доказано, что ее решение возможно благодаря технологическому обеспечению высокого качества перемешивания смесей при незначительной продолжительности смешивания, для реализации чего необходимы разработка и исследование новых, высокоэффективных технологий, сориентированных на использование вибраций. Аргументирована необходимость проведения углубленных исследований динамики пространственных перемещений гранул смеси при виброперемешивании.

Во втором разделе приведена методика выбора оптимальных технологий и оборудования для смешивания, анализ которой засвидетельствовал наиболее широкий спектр технологических возможностей вибрационных смесителей. Проведенный анализ преимуществ и недостатков вибросмеситслей известных типов подтвердил необходимость интенсификации движения гранул смесей при вибрационном их смешивании, т.е. создания нового метода вибрационно-цен тробежного смешивания смесей.

Здесь же аргументирован выбор основного направления исследования, описаны методики исследований.

Методами решения задач диссертационной работы являются теоретикоэкспериментальные исследования технологических параметров и динамики сыпучей

среды при ее перемешивании с интенсивными пространственными перемещениями гранул и создание методик расчета и проектирования средствами вычислительной техники оборудования, способного к обеспечению интенсивного перемешивания.

В третьем разделе проведены сравнительные экспериментальные исследования обычного режима вибросмешивания и разработанного на основе использования явления вибрационного поддержания вращения метода вибрационно-центробежного смешивания. Доказано, что при вибрационно-цешробежном смешивании за счет обеспечения интенсивной обкатки среды по внутренней поверхности контейнера на 35-40% увеличивается скорость пространственных перемещений гранул, в особенности в радиальном направлении.

Определены основные технологические и конструктивные параметры метода, к которым отнесены: параметры вибраций, соотношение объема загрузки к объему контейнера, приводная площадь внутренней поверхности контейнера и продолжительность смешивания.

В четвертом разделе проведены теоретические исследования динамики сыпучей среды при вибрационно-центробежном смешивании, в результате которых получены зависимости для определения силы взаимодействия вибрирующего контейнера как с массой смеси, так и с отдельно взятой ее гранулой. Проведена экспериментальная проверка полученных зависимостей по параметру продолжительности качественного смешивания.

В результате проведенного на основе теории синхронизации динамических систем теоретического анализа динамики как сыпучей среды в вибрирующем контейнере, так и динамической системы вибросмесителя в целом, доказано, что обкатка сыпучей среды при вибрационно-центробежном смешивании подлежит математическому описанию как движение планетарного вибровозбудителя определенной массы с аморфной поверхностью. Его пространственные перемещения за счет явления вибрационного поддержания вращения тела при гармонических колебаниях его оси са-мосихронизуются с движениями порождающих вибрации присоединенных к контейнеру вибровозбудителей.

Здесь же описаны результаты экспериментального исследования вибрационноцентробежного смешивания в вибрирующем контейнере с увеличенной за счет экра-нов-встазок приводной площадью. •

В пятом разделе приведены принципиальные схемы и конструкция разработанных вибрационных смесителей дискретного и непрерывного действия, методика их расчета и проектирования средствами вычислительной техники. Приведены данные промышленного внедрения метода вибрационно-центробежного смешивания смесей сыпучих материалов и реализующего его оборудования.

Ключевые слова: заготовка, деталь, сыпучая смесь, вибрация, обкатка, технологический параметр, вибросмеситель.