Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
1. МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА МАРКИРОВАНИЯ И КЛЕЙМЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ И ИЗДЕЛИЙ 11
Операция маркирования как средство идентификации, учета и повышения качества продукции 11
Классификация методов маркирования 13
Диапазоны применяемых усилий в операциях механического маркирования и клеймения 23
Приводы устройств маркирования и клеймения (УМК) 26
Сравнительный анализ линейных электрических приводов 37
Технологические основы применения силовой электромагнитной импульсной системы (СЭМИС) в операциях маркирования и клеймения 45
1.7. Постановка задач исследования 50
В ывод ы 50
2. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СЭМИС В УМК 51
Структура СЭМИС в УМК 51
Моделирование магнитных систем (МС) линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД) для операций маркирования и клеймения методом конечных
элементов 56
Постановка задач расчета стационарного электромагнитного поля в ЛЭМД 59
Сравнительный анализ МС ЛЭМД 62
Расчет осесимметричной МС ЛЭМД продольно-поперечного поля с учетом формирования требуемой тяговой характеристики 69
2.3. Обоснование конструкций СЭМИС для операций
маркирования и клеймения 74
2.4. Схемы питания и управления СЭМИС в УМК 79
Выводы 87
3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ СЭМИС В УМК 88
Влияние предыстории намагничивания магнитной системы ЛЭМД на его энергетические показатели 88
Способ повышения стабильности энергии удара в СЭМИС 97
Анализ процесса установления стабилизации разрядных импульсов в СЭМИС 104
Выводы 109
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЭМИС ПО
Методика измерения энергии удара СЭМИС 110
Определение оптимальных режимов энергопреобразования СЭМИС 113
Исследование зависимости влияния параметров разрядного контура СЭМИС на характеристики импульса 123
Использование метода планирования эксперимента для
решения задач оптимизации питания СЭМИС 130
Выводы 144
5. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СЭМИС В УМК 145
Методика расчета СЭМИС для технологических операций маркирования и клеймения 145
Определение емкости и числа гарантированных разрядных циклов конденсаторной батареи 154
Экономическая эффективность применения СЭМИС в операциях маркирования и клеймения 156
Выводы 163
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 164
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 178
ПРИЛОЖЕНИЕ II 179
Введение к работе
Актуальность темы. Процессы маркирования и клеймения широко распространены при производстве деталей и изделий в машиностроении, приборостроении, станкостроении, автомобилестроении, и других- отраслях промышленности. Связано это с тем, что современная продукция должна нести на себе определенную информацию: характеристику, материал, индекс, дату выпуска, порядковый номер, товарный знак изготовителя, клеймо годности и
др.
С позиции комплексной автоматизации и механизации основного производства существует потребность в создании простого в эксплуатации и управлении привода для операций маркирования и клеймения, экономичного в части энергопотребления, с улучшенными массогабаритными характеристиками, а также выполнением технологических операций с точным дозированием энергии удара инструмента-бойка на обрабатываемую среду и регулированием в широких пределах. Технологические разработки, повышающие функциональность, мощность и одновременно сокращающие энергопотребление, а также снижающие стоимость продукта и необходимость технического обслуживания, привели к увеличению использования электроприводов во всех отраслях промышленности. От уровня развития технологии зависит качество и надежность изделий, их себестоимость и конкурентноспособность продукции машиностроения. На базе исследований по технико-экономическим, энергетическим и экологическим критериям к приводу устройств маркирования и клеймения (УМК) установлена существенная предподчительность силовым электромагнитным импульсным системам (СЭМИС) на базе линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД).
В СЭМИС сочетается конструктивная простота, надежность и долговечность работы, экономичность, регулирование в широких пределах выходных характеристик. По сравнению с другими приводами СЭМИС более пригодны для привода устройств маркирования и клеймения ударного и
5 квазистатического действия. СЭМИС относятся к импульсным электромеханическим преобразователям электромагнитного типа, обладающих рядом специфических свойств: ограниченностью механического перемещения, дискретным энергопреобразованием. Импульсный подвод энергии за счет интенсивности воздействия позволяет резко повысить ее плотность. Применение СЭМИС в операциях маркирования и клеймения следует считать идеальным, так как параметр движения двигателя и рабочих органов этих машин совпадают. СЭМИС, как правило, приспособлены к определенным приводным устройствам и должны часто изготавливаться в одном с ними блоке. Поэтому СЭМИС необходимо проектировать совместно с приводной рабочей машиной и системами питания и управления. Применение СЭМИС позволит обеспечить возможность легкой автоматизации и механизации технологических процессов маркирования и клеймения механическими методами, снизить материалоемкость и энергоемкость, повысить экологичность и надежность при функционировании.
Особенностью использования СЭМИС в технологических операциях маркирования и клеймения является обеспечение требования строго дозированных значений энергии воздействия на маркируемый материал детали или изделия. Существующий разброс величин энергии удара у известных прототипов СЭМИС является недопустимым в операциях маркирования и клеймения, а в некоторых случаях прецизионных процессов маркирования, например, клеймение ювелирных изделий и пробирных игл, приводит к браку.
Для реализации ряда технологических операций маркирования и клеймения на основе СЭМИС необходимо обеспечить регулирование и стабильность энергии воздействия в заданных пределах, повышение удельных энергетических и силовых показателей, увеличения КПД.
При создании СЭМИС целесообразен комплексный подход - совместная разработка ЛЭМД и схемы питания и управления. В связи с возможным серийным выпуском устройств маркирования и клеймения на основе СЭМИС важным является вопрос создания экономичных, надежных и малогабаритных
схем включения при питании от емкостного накопителя энергии. Важным является решение вопросов согласования характеристик источника питания и ЛЭМД.
Анализ энергоемкости различных импульсных технологических процессов показывает, что достигнутый и требуемый уровни удельной энергия удара в электромагнитных машинах ударного действия составляет: для ручных машин соответственно 1... ЗДж/кг и Ю...20Дж/кг, мощных молотов (до 30 кДж) 2...6Дж/кг и 7...12Дж/кг, переносных СЭМИС (до 1кДж) 2...5 Дж/кг и 8...15Дж/кг [4]. Это свидетельствует о необходимости поиска путей повышения удельных энергетических и силовых показателей импульсных ЛЭМД.
Общие вопросы исследования СЭМИС получили четкую трактовку в виде теории силовых импульсных систем, основные положения которой разработаны в трудах О. Д. Алимова, Н. П. Ряшенцева, Е. М. Тимошенко, Г. Г. Угарова, А. В. Фролова, А. Т. Малова, В. В. Ивашина, И. Г. Ефимова, В. Ю. Неймана, В.И. Мошкина, Усанова К.М., Львицына А.В. и др.
Применение СЭМИС в устройствах маркирования и клеймения обусловлено простотой их конструкции, высокой надёжностью и производительностыо, высокой приспосабливаемостью для автоматического управления, простотой эксплуатации.
Целью работы является повышение стабильности и удельных энергетических показателей силовых электромагнитных импульсных систем и разработка СЭМИС для привода устройств маркирования и клеймения.
В соответствии с целью в работе поставлены следующие задачи исследований:
Определить и обосновать тип магнитной системы ЛЭМД в приводе устройства маркирования и клеймения.
Исследовать способы формирования необходимых тяговых характеристик ЛЭМД.
Определить оптимальные геометрические соотношения и основные параметры СЭМИС.
Разработать пути повышения эффективности энергопреобразования и стабильности энергии воздействия СЭМИС.
Разработать схемы питания и управления СЭМИС в приводе УМК и обосновать наличие накопителя энергии.
Разработать методику расчета СЭМИС для УМК.
Дать технико-экономическую оценку устройства маркирования и клеймения на базе СЭМИС.
Методы и средства исследований. В работе использованы методы математического моделирования, физическое моделирование, аналитический аппарат электродинамики, численные методы расчета и анализа, комплекс экспериментальных исследований.
Часть результатов работы получена с использованием вычислительного программного комплекса Femm 4.0.
При решении поставленных задач, теоретические и экспериментальные исследования опирались на основные положения теоретических основ электротехники, теории электрических машин, электропривода, системно-структурного анализа, физических моделях.
Экспериментальные исследования выполнялись на специальном стенде и в производственных условиях согласно разработанным методикам на натурных образцах СЭМИС. Измеряемые параметры регистрировались на осциллографе С1-94 и на персональном компьютере с помощью аналого-цифрового преобразователя ADC 12. Обработка и анализ осциллограмм рабочих процессов проводились с использованием ЭВМ.
На защиту выносятся:
магнитная система (МС) ЛЭМД продольно-поперечного поля с конусно-усеченным полюсом и якорем, позволяющая получить необходимый вид тяговой характеристики за счет регулирования одного параметра - угла конусности при образующей;
результаты теоретических и экспериментальных исследований о влиянии предыстории намагничивания МС на энергетические показатели
8 СЭМИС;
разработанный способ повышения стабильности энергии воздействия и эффективности энергопреобразования СЭМИС за счет учета влияния предыстории намагничивания МС, позволяющий исключить сложную схемную стабилизацию энергии удара;
экспериментальные зависимости, связывающие выходные энергетические показатели СЭМИС (КПД и энергию удара) с параметрами заряда ЕНЭ (напряжения и емкости) и величиной рабочего воздушного зазора.
технические средства, устройства и привод на базе СЭМИС, позволяющие получить необходимую энергию воздействия с высокой стабильностью и эффективностью энергопреобразования, требуемые для операций маркирования и клеймения.
Научная новизна работы.
Предложен и разработан новый тип укороченной магнитной системы цилиндрической СЭМИС продольно-поперечного магнитного поля с конусно-усеченным полюсом и втяжным якорем, позволяющая оптимально использовать массу магнитных и обмоточных материалов, рационально распределять магнитную энергию в рабочем воздушном зазоре, а также задавать необходимый вид тяговой характеристики на стадии проектирования СЭМИС за счет регулирования одного параметра - угла конусности при образующей.
Впервые исследовано влияние предыстории намагничивания СЭМИС на ее энергетические показатели. Обоснован режим работы при установившемся намагниченном состоянии МС, позволяющий достигать наивысшую эффективность энергопреобразования в СЭМИС.
Разработан способ повышения стабильности энергии воздействия СЭМИС с высокой эффективностью энергопреобразования, отличный от известных учетом влияния предыстории намагничивания МС, позволяющий исключить сложную схемную стабилизацию энергии удара.
Впервые получены результаты исследования зависимостей влияния
9 параметров разрядного контура СЭМИС на энергетические показатели, позволяющие выявить оптимальный режим работы по критерию наивысшей эффективности энергопреобразования.
5. Разработана методика расчета основных конструктивных параметров СЭМИС для устройств маркирования и клеймения.
Практическая ценность работы.
1. Полученные результаты исследований о влиянии предыстории
намагничивания СЭМИС должны учитываться при разработке новых методов
расчета и моделировании динамических режимов СЭМИС с массивной
магнитной системой.
2. Разработанные методики и полученные результаты исследования могут
быть использованы при конструировании и эксплуатации СЭМИС с заданными
оптимальными режимами функционирования по критерию эффективности
энергопреобразования.
3. Разработан способ повышения стабильности энергии воздействия
СЭМИС с высокой эффективностью энергопреобразования.
4. Предложены и разработаны компактные устройства маркирования и
клеймения на базе СЭМИС, позволяющие получать требуемую энергию
воздействия в зависимости от параметров заряда емкостного накопителя с
высокими энергетическими показателями; сократить материальные,
энергетические и финансовые затраты; обеспечить необходимое качество
маркирования.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанное устройство маркирования и клеймения типа УМК-10 внедрено и эксплуатируется на предприятии ООО НПФ «Вымпел» (г. Саратов) в технологических процессах нанесения маркировок и клейм на бирках, шильдиках приборов, выводах радиоэлектронной аппаратуры.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников Саратовского
10 государственного технического университета 14 мая 2005 г.; на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием: «Актуальные проблемы энергосберегающих технологий» (г. Екатеринбург, 19-21 апреля 2006 г.); на Международной научно-практической конференции: «Проблемы энергообеспечения и энергосбережения в АПК Украины» (г.Харьков, 10 ноября 2005 г.); на IV Всероссийской конференции: «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 18 октября 2006 г.).
Публикации. По основным результатам диссертационной работы автором опубликовано 12 печатных работ. Общий объём публикаций составляет 2,4 п.л., из которых 1,8 п.л. принадлежит лично соискателю. Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 180 страниц, в том числе 46 рисунков, 12 таблиц, сопровождается списком литературы из 127 наименований.
Работа выполнялась в Саратовском государственном техническом университете.
Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность своему руководителю Геннадию Григорьевичу Угарову за внимательное отношение к работе и практическую помощь.
