Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время автоматизация оказывает влияние на все стороны общественной и производственной деятельности людей. Она повышает производительность труда, снижает себестоимость, улучшает качества продукции, максимально исключает травматизм и т.д.
Одним из основных средств комплексной автоматизации являются технологические машины-автоматы и автоматические линии. Автоматизация загрузки штучными предметами обработки (ПО) – одна из узловых задач при создании производственных машин-автоматов и автоматических линий различного технологического назначения: прессов, установок физико-химической обработки, металлорежущих станков, сборочных, контрольно-сортирующих, упаковочных машин и т.д.
Основное место в различных отраслях производства применяются вибрационные автоматические загрузочные устройства (ВАЗУ), которые предназначены для подачи ПО на рабочие позиции технологических машин. ВАЗУ доминируют в сравнением с другими типами загрузочных устройств, и их доля составляет около 70%.
Одним из типов ВАЗУ является ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях со сдвигом фазы, с целью значительного повышения скорости вибротранспортирования. Однако ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях имеют сложную и громоздкую конструкцию, не исключающую наличие галопирования, т.е. отклонение динамической и геометрической осей в вертикальном направлении.
В некоторых случаях работа ВАЗУ может оказать серьезное отрицательное влияние на рабочий процесс смежных узлов технологического оборудования. В связи с этим возникает необходимость ограничения динамического воздействия, оказываемого ВАЗУ на опорную поверхность.
Таким образом, теоретическое обоснование оригинального конструктивного решения трехмассного ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях на основе математического описания его динамической модели и проведение параметрического синтеза с разработкой методики проектирование является актуальной задачей.
Цель работы. Совершенствование ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях с обеспечением: независимости энергоносителей и упругих систем в обоих направлениях; динамического гашения колебаний в горизонтальном направлении и компактности устройства.
Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие задачи исследования:
1. Анализ конструкций и структурного синтеза ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний.
-
Исследование динамической модели ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний, которая представляет двухмассную модель в вертикальном направлении и трехмассную модель в горизонтальном направлении.
-
Исследование динамической модели ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний, которая представляет двухмассную модель в горизонтальном направлении и одномассную модель в горизонтальном направлении.
-
Проведение параметрического синтеза трехмассного ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний с определением амплитуд, фазового угла, собственных частот элементов ВАЗУ в вертикальном и горизонтальном направлениях.
-
Проведение параметрического синтеза динамического гасителя ВАЗУ в горизонтальном направлении.
-
Проведение эксперимента на экспериментальной установке по определению параметров колебаний ВАЗУ (амплитуд, фазовых углов бункера в вертикальном и горизонтальном направлениях и между бункером, корпусом и основанием ВАЗУ, собственных частот ВАЗУ и коэффициента затухания колебаний.
-
Разработка инженерной методики проектирования трехмассного ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях и обеспечение динамического гашения колебаний в горизонтальном направлении.
Объект исследования. Трехмассное ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Предмет исследования. Динамическая модель трехмассного ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний и обеспечением динамического гашения.
Методы исследования. Теоретическое исследование базируется на использовании законов теоретической механики и основных положений теории колебаний для разработки математических моделей.
Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры МПФ ТулГУ с использованием: трехмассного ВАЗУ с раздельным возбуждением вибраций в вертикальном и горизонтальном направлениях; электронных весов; индикатора; индуктивного датчика; платы усиления, детектирования и фильтрации; генератора; платы ЛА-2USB; блока питания и ЭВМ.
Научная новизна работы. Впервые дано теоретическое обоснование работы трехмассного ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний в горизонтальном и вертикальном направлениях на основе математического описания его динамической модели, проведения параметрического синтеза и определения взаимосвязи параметров системы.
Основные научные результаты диссертации, выносимые на защиту, включают:
1. Представлено оригинальное трехмассное вибрационное автоматическое загрузочное устройство с раздельным возбуждением колебаний, отличающееся тем, что конструкция является двухмассной динамической модели в вертикальном направлении и трехмассной динамической модели в горизонтальном направлении.
-
Разработано математическое описание трехмассного вибрационного автоматического загрузочного устройства с раздельным возбуждением колебаний.
-
Проведен параметрический синтез динамической модели трехмассного ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях с анализом амплитудно-частотных и частотно-фазовых характеристик устройства и их взаимносвязей с целью получения оптимального фазового угла между колебаниями в горизонтальном и вертикальном направлениях и достижения экстремальной скорости вибротранспортирования.
-
Проведен параметрический синтез трехмассной динамической модели горизонтального привода ВАЗУ для выявления условий обеспечения динамического гашения колебаний основания ВАЗУ.
-
Проведено экспериментальное исследование трехмассного ВАЗУ для определения: амплитуд колебаний бункера, корпуса и основания; собственные частоты; фазовых углов и коэффициента затухания колебаний в вертикальных и горизонтальных направлениях.
-
Разработана инженерная методика проектирования трехмассного ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях.
Достоверность подтверждена натурными экспериментальными исследованиями оригинального трехмассного ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях с целью сравнения результатов параметрического синтеза с экспериментальными результатами на примере амплитудных, частотных характеристик привода, его затухающих колебаний, определения коэффициента затухания и фазовых углов между вертикальными и горизонтальными колебаниями. Отклонение между теоретическими и экспериментальными результатами не более 10 %.
Практическая значимость. Результаты параметрического и структурного синтеза оригинального трехмассного ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях с использованием программы Maple 14 позволяет предложить инженерную методику проектирования ВАЗУ. Оригинальное ВАЗУ с раздельным возбуждением колебаний подтверждено патентом РФ на полезную модель №146446. МПК8 В23Q 7/00.
Реализация результатов работы. Новые трехмассные ВАЗУ, их математические модели и результаты экспериментальных исследований приняты к внедрению в учебном процессе на кафедрах МПФ, ТСПП и УП ТулГУ в лекционных материалах и при выполнении лабораторных работ и приняты к внедрению на ОАО «Алексинстройконструкция».
Апробация работы. Основные научные положения диссертации, результаты разработок, теоретических и экспериментальных исследований докладывались на Международной научно-технической конференции «АПИР – 20» (г. Тула, ТулГУ, 2014 г.); на Международной научно-технической конференции «Вибрация-2012» и «Вибрация-2014», «Управляемые вибрационные технологии и машины» (г. Курск, Юго-Зап. гос. университет) и на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ в 2012-2014 гг.
Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 10 научных работ, в том числе 4 статьи – в ведущих рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК РФ и 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и общих выводов, списка использованных источников из 100 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 108 страниц, в том числе 52 рисунка и 11 таблиц. Объем приложений составляет 3 страницы.