с 01.01.1974 по настоящее время
Ростов-на Дону, Ростовская область, Россия
Краснодар, Красноярский край, Россия
ВАК 05.02.2008 Технология машиностроения
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 20.01 Общие вопросы информатики
ГРНТИ 20.15 Организация информационной деятельности
ГРНТИ 20.17 Документальные источники информации
ГРНТИ 20.19 Аналитико-синтетическая переработка документальных источников информации
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.03 Машиноведение и детали машин
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
ГРНТИ 55.15 Литейное производство
ГРНТИ 55.16 Кузнечно-штамповочное производство
ГРНТИ 55.18 Сборочное производство
ГРНТИ 55.19 Резание материалов
ГРНТИ 55.20 Электрофизикохимическая обработка
ГРНТИ 55.21 Термическая и упрочняющая обработка
ГРНТИ 55.22 Отделка поверхностей и нанесение покрытий
ГРНТИ 55.23 Производство изделий из порошковых материалов
ГРНТИ 55.24 Производство неметаллических изделий
ГРНТИ 55.29 Станкостроение
ГРНТИ 55.30 Робототехника
ГРНТИ 55.31 Инструментальное производство
ГРНТИ 55.33 Горное машиностроение
ГРНТИ 55.35 Металлургическое машиностроение
ГРНТИ 55.37 Турбостроение
ГРНТИ 55.41 Локомотивостроение и вагоностроение
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.43 Автомобилестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 55.47 Авиастроение
ГРНТИ 55.51 Подъемно-транспортное машиностроение
ГРНТИ 55.53 Строительное и дорожное машиностроение
ГРНТИ 55.55 Коммунальное машиностроение
ГРНТИ 55.57 Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение
ГРНТИ 55.69 Прочие отрасли машиностроения
ГРНТИ 73.01 Общие вопросы транспорта
ГРНТИ 73.29 Железнодорожный транспорт
ГРНТИ 73.31 Автомобильный транспорт
ГРНТИ 73.39 Трубопроводный транспорт
ГРНТИ 73.41 Промышленный транспорт
Представлены результаты исследований по повышению эффективности и увеличению технологических возможностей отделочно-упрочняющей обработки деталей машин. Предложены рабочие органы станков в виде комбинированных винтовых роторов с различной поверхностью по периметру. Конструкция и принцип работы оборудования на базе рабочих органов в виде комбинированных винтовых роторов с треугольной поверхностью по периметру показаны на примере станка для отделочно-зачистной и упрочняющей обработки.
отделочно-упрочняющая обработка, рабочий орган, комбинированный ротор, треугольная поверхность, периметр, масса загрузки
Введение
Комбинированные винтовые роторы с треугольной поверхностью по периметру позволяют придавать обрабатываемым предметам (деталям и средам) движение с большой амплитудой за счет своей оригинальной формы, что повышает производительность и качество обработки. Все показанные в статье образцы оборудования, созданные методами начертательной геометрии и инженерной графики, являются, по классификации академика Л.Н. Кошкина, машинами четвертого класса, предметы обработки в которых обрабатываются пространством [1-12].
Методы и пути совершенствования рабочих органов станков
На рис. 1 показана установка для отделочно-зачистной и упрочняющей обработки, состоящая из комбинированного винтового ротора 1, снабженного средствами для загрузки (2) и выгрузки (3) обработанных деталей, средства для выгрузки отходов производства 4 (облой, окалина, заусенцы). Привод на рис. 1 не показан. В комбинированном винтовом роторе 1 к торцевым стенкам прикреплены цапфы 5 и 6, что обеспечивает возможность его вращения в подшипниковых опорах 7 и 8. Для создания условий бесперебойной подачи внутрь ротора предметов обработки носок 9 введен в отверстие цапфы 5. Средство для загрузки 2, подшипниковые опоры 7 и 8 вместе с комбинированным винтовым ротором 1 закреплены на платформе 10, которая с помощью четырех пружин 11 упруго закреплена на основании 12. В установке смонтировано приспособление, которое регулирует угол наклона оси вращения ротора относительно горизонта (на рис. 1 не показано). Загрузочная цапфа 5 и разгрузочная цапфа 6 снабжены пружинами 13 и 14 с квадратным сечением витков, жестко прикрепленными к их внутренней поверхности.
Комбинированный винтовой ротор 1 (рис. 2) выполнен в виде винтового наклонного усеченного конуса с винтовой боковой поверхностью треугольной формы по периметру и плоскими основаниями в виде торцевых щек эллиптической формы 15 и 16, смонтированных под острым углом β одна к другой и под разными острыми углами ψ и φ к оси вращения ротора. При этом комбинированный винтовой ротор 1 установлен под острым углом α к оси его вращения и снабжен загрузочной и разгрузочной цапфами 5 и 6 конической формы с уклоном в сторону выгрузки и жестко закрепленными по их внутренним диаметрам коническими пружинами 13 и 14 с витками квадратного сечения и уклоном в сторону выгрузки. Большие оси i1-i1 и i2-i2 (рис. 3) торцевых щек 15 и 16 ротора 1 повернуты относительно друг друга на острый угол ω, при этом треугольная боковая поверхность по его периметру сгибается с образованием винтовых поверхностей. По периметру выгрузной цапфы 6 выполнены отверстия 17, позволяющие отделять в средство для отходов 4 отходы производства (заусенцы, облой, окалину) от обработанных деталей, которые выгружаются в емкость 3.
|
Рис. 1. Установка для отделочно-зачистной и упрочняющей обработки
Рис. 2. Комбинированный винтовой ротор
Посредством средства для загрузки обрабатываемые детали, совместно с частицами рабочих сред (массы загрузки) непрерывным потоком подаются внутрь конической загрузочной цапфы и с помощью витков прямоугольного сечения загружаются во вращающийся барабан. При вращении комбинированного винтового ротора 1 массы загрузки совершают движение по различным эллиптическим траекториям. Созданный эксцентриситет нарушает скорость и направление движения масс загрузки, и им сообщаются низкочастотные колебания с большой амплитудой. Этому способствуют винтовая треугольная боковая поверхность комбинированного винтового ротора 1 и карманы треугольной формы по внутреннему периметру ротора, которые захватывают порции масс загрузки при его вращении, поднимают выше угла естественного откоса и бросают на противоположные стенки ротора, навстречу его вращающейся боковой поверхности, увеличивая частоту и энергоемкость взаимодействия обрабатываемых деталей и частиц рабочих сред.
За счет дебаланса масс комбинированного ротора 1 и размещенных внутри него обрабатываемых деталей и частиц рабочих сред, а также средства для загрузки и платформы, упруго установленных на станине, создаются высокочастотные колебания с малой амплитудой. Совместное воздействие на массы загрузки высокочастотных колебаний с малой амплитудой и низкочастотных колебаний с большой амплитудой, а также нарушения скорости и направления движения масс загрузки, в том числе под воздействием криволинейности винтовых канавок треугольной формы в продольном направлении по внутреннему периметру комбинированного винтового ротора 1, повышают производительность и расширяют технологические возможности.
Рис. 3. Наглядное изображение комбинированного винтового ротора
Массы загрузки движутся в вертикальной плоскости по эллиптическим траекториям, а в горизонтальной плоскости - возвратно-поступательно. На эти движения воздействуют не только колебания, возбуждаемые асимметричным положением комбинированного винтового ротора 1, но и колебания в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а также колебания, создаваемые чередующимися выступами и впадинами треугольной боковой поверхности ротора.
Поток движущихся деталей и частиц рабочих сред нестационарен. В результате воздействия разнонаклоненных торцевых стенок 15 и 16, а также геометрического уклона комбинированного винтового ротора 1 массы загрузки двигаются по сложным траекториям и перемещаются в осевом направлении.
Скорость перемещения масс загрузки от загрузки к выгрузке можно менять регулированием угла наклона всей установки для отделочно-зачистной и упрочняющей обработки.
Результаты исследования
Для создания методик расчета оборудования на базе комбинированных винтовых роторов проведено теоретическое исследование (моделирование) движения обрабатываемых деталей и частиц рабочих сред во внутренней полости ротора, а также моделирование явления увлекаемости массы его стенками.
Установившийся процесс реального движения частиц рабочих сред и деталей в комбинированных винтовых роторах (в рабочей камере) можно считать в некотором смысле «взвешенным», сопровождающимся контактными явлениями, когда давление в нижней части вращающегося ротора выше по сравнению с верхними слоями. При этом можно считать, что вся засыпаемая при его вращении масса m равномерно распределена по его объему 
.
Будем рассматривать движение масс загрузки в поперечной плоскости ХОУ (рис. 4), используя свойство постоянства угла наклона винтовой линии к продольной оси комбинированного винтового ротора.
Рис. 4. Схема движения частицы
масс загрузки в комбинированном
винтовом роторе
Если в плоскости XOY ввести полярную систему координат (ρ, φ), то, как известно, система дифференциальных уравнений будет иметь вид [13]
, (1)
где ρ – некоторый радиус вращения, зависящий от геометрии стенок вращающегося в плоскости сечения XOY комбинированного винтового ротора (в зависимости от характера моделируемых сил); 
– моделируемые силы; m – масса точки (m1 – деталь, шар с радиусом r1; m2 – частица рабочей среды, шар с радиусом r2); производные по времени:
.
Заметим, что уравнение (1) может описывать и движение, стесненное боковой поверхностью вращающегося комбинированного винтового ротора.
величина 
Wxy
общего ускорения:
2)
Величина ускорения Wz точки М вдоль оси Z:
(3)
После интегрирования становятся известными характеристики движения масс загрузки (
) вдоль продольной оси комбинированного винтового ротора в направлении, противоположном оси Z. Условное ускорение
4)
упростим:
. (5)
Из левой части второго уравнения системы (1) и условия (3) получим:
.
Тогда продольная скорость перемещения детали (частицы):
, (6)
где C – постоянная интегрирования.
На рис. 4 показана схема получения зависимости (6), где
; 
) - в 
;
- в направлении центра [14; 15]; 
При ρ = r = const, 
зависимость (2) имеет вид
.
При этом 
.
Продифференцировав по переменной t, получим:
; 
;
; 
После подстановки получим:
Для оценки скорости продольного перемещения будем пользоваться зависимостью (6). При этом первое уравнение системы уравнений (1) рассматриваем в условиях динамического равновесия (r = const). При интегрировании второго уравнения системы (1) (в зависимости от моделирования сил 
в направлении
) получаем 
.
Пусть 
– вес засыпаемой массы, где 
и 
– соответственно количества засыпаемых (моделируемых) материальных точек. Пусть (с целью упрощения) 
– удельный вес их материала. Тогда вес P можно представить в виде
(7)
где К3 – коэффициент плотности засыпки массы m в объем Vm.
– вытекает из отношения объема, занимаемого каждым из шаров, к соответствующему объему куба, в который он вписан; объем шара равен 
; объем куба равен 
Если отнести Р к 
(объему рабочей камеры), то получим так называемый условный удельный вес взвешенных частиц:
. (8)
Очень важно то обстоятельство, что фигурирует соотношение объемов 
, необходимое для моделирования функциональных зависимостей.
Условное давление:
(9)
Необходимо ввести некоторый эмпирический коэффициент согласования 
, согласующий реальное давление с моделируемым. Тогда, подставляя (8) в (9), получим:
. (10)
Теперь можно представить явление увлекаемости материальной точки m1 стенками комбинированного винтового ротора силой условного ее выталкивания вверх, отнесенной к площади ее поперечного сечения (m1 - шар, 
- площадь поперечного сечения). Если еще учесть, что увлекаемая масса будет проскальзывать относительно стенок комбинированного винтового ротора, то эту силу 
можно представить так:
, (11)
где μ – коэффициент проскальзывания шаров относительно стенок реальной рабочей камеры.
Выражение (11) представляет (как мы убедимся ниже) схематическое моделирование массовых сил, где вводимые коэффициенты должны быть сложными функциями определенной природы. Заметим, что в (11) вместо 
правильнее было бы считать:
,
где индекс у коэффициента
указывает на природу его образования.
Рассмотрим, как формируется модель скольжения между m1 и m2. Например, при
[17]
(12)
где N и R – нормальная и тангенциальная составляющие силы трения.
Тогда с учетом вероятности возникновения контактов между телами силу трения можно определить согласно зависимости
(13)
где 
– сила взаимодействия между массами m1, m2 вдоль направления
; N – сила нормального давления между контактирующими поверхностями
и 
;
– вероятностный коэффициент числа контактов, уточняемый экспериментальным путем.
За момент соприкосновения двух масс совершается работа 
; 
– перемещение достаточно мало, т.е. массы m1, m2 (согласно принятой модели) после нескольких контактирований сохраняют движение по окружности радиуса 
.
При этом работа обусловливает потерю кинетической энергии [16], равную
,
где 
, если после каждого контакта m1 и m2 удерживаются на траектории движения.
Рис. 5. Схема контактирования частиц масс загрузки
в радиальном направлении
После введения некоторого эмпирического коэффициента
силу нормального давления N между контактирующими поверхностями и можно определить с помощью зависимости
(14)
Покажем возможность моделирования коэффициента трения скольжения μ в выражении (13). Известна общая форма
, (15)
где
; N – сила взаимодействия; 
– радиус m2.
В нашем случае коэффициент пропорциональности ψ = 0,9. С учетом этого выражение (15) предстанет в виде [14; 16; 18]
(16)
где коэффициенты 
достаточно малы.
В математической модели контактных сил трения, сил увлечения массы загрузки стенками комбинированного винтового ротора (эти силы выше мы назвали массовыми) особая роль отводится эмпирическим коэффициентам, которые должны быть установлены из реального соотношения сил (массовых сил), действующих на каждую из обрабатываемых деталей. К этому следует добавить, что условие является достаточно сильным загрублением. Вообще говоря, соотношение коэффициентов 
при правильном их подборе должно определять соответствие моделируемого процесса условного движения реальному; процесс можно регулировать путем поочередного варьирования одних из них и фиксирования других. Например, если 
достаточно малы, то это означает пренебрежение массовыми силами. При интегрировании второго уравнения системы (1) мы находимся в условиях
(17)
где выбор постоянной C = C(ω, φ0) может оказаться неудовлетворительным с точки зрения соответствия реальному 
. Мало того, если при одинаковом захвате массы, т.е. при 
, непрерывно уменьшать угловую скорость вращения комбинированного винтового ротора ω, то моделируемое условное движение не будет обеспечено с энергетической точки зрения, так как материальная точка m1 так и не достигнет верхнего положения рабочей камеры, т.е. условие 
не будет обеспечено.
В данном случае это будет уже при 
, т.е. при снижении количества оборотов. Если при этом добиваться «выполнения энергетики», увеличивая 
(начальное значение), то при 
уже будет выполняться (17).
Таким образом, массовые силы необходимо не только учитывать, но и функционально представлять, выделяя, например, фиксированные 
и варьируя с функциональными зависимостями r, Kв, Kc . Этот процесс достаточно сложен и опирается на ряд экспериментальных характеристик.
Найдем величину проекции 
(рис. 6). Согласно принятой модели, выталкивающая сила 
направлена вверх параллельно оси Y и, суммируясь с силой тяжести, дает величину проекции на Y, равную разности сил 
.
Рис. 6. Схема действия сил на
частицу масс загрузки
Очевидно, что
а если учесть величину силы трения, то
.
С учетом ρ = r = const второе уравнение системы (1) принимает вид
, (18)
где
.
Это уравнение можно переписать с учетом (13), (14), (16), (24) в виде
. (19)
;
;
;
;
.
Обозначим:
В формуле (19) желательно представить разность 
в виде
(20)
где
.
Здесь 
.
Исходя из того, что 
– реальный коэффициент от силы тяжести,
Заметим, что если вероятностный коэффициент 
будет осреднен, то слагаемое правой части (19) от контактных сил окажется зависимым только от 
, которая, в свою очередь, входит и в выражение (6).
Представление (20) выбрано не случайно: нужно иметь в виду, что реальная продольная скорость перемещения обрабатываемых деталей мала по сравнению с угловыми скоростями вращения комбинированного винтового ротора, поэтому 
, т.е. 
, – должна быть величина достаточно малого порядка, тем более с учетом множителя 
. С другой стороны, коэффициент увлекания массы 
можно рассматривать как некоторый условный коэффициент трения, зависящий от геометрии стенок, угловой скорости вращения комбинированного винтового ротора, соотношения объемов 
материала, сыпучести в спокойном состоянии, размеров частиц – материальных точек, размеров поперечного сечения комбинированного винтового ротора, обработки поверхности и других физико-химических свойств, т.е. достаточно сложной природы. Поэтому с учетом вида (11) есть смысл представить в следующей функциональной форме:
или
, (21)
где 
– некоторый статический коэффициент трения покоя; 
– коэффициент трения скольжения (из выражения (11) нетрудно видеть, что при увеличении периметра комбинированного винтового ротора 
; в этом случае 
, т.е. 
); 
; 
– вес шара радиуса r; j – его удельный вес.
Параметры 
предназначены приблизить условный (моделируемый) процесс к реальному. Последние два коэффициента следует рассмотреть особо.
Заметим, что в определенной мере от коэффициентов 
зависит коэффициент 
в выражении (19). Этот коэффициент также зависит от геометрии профиля поперечного сечения барабана: порядок коэффициента К2, очевидно, должен соответствовать порядку разности 
(выше, может быть, еще допускается, а ниже нет, так как нарушается общее требование к порядку скорости продольного перемещения).
Так как предполагаемые порядки слагаемых правой части уравнения (19) достаточно малы (и с учетом загрубления 
), при интегрировании (19) положим 
. Запишем:
(22)
Однако, несмотря на простоту вида, (21) может быть проинтегрировано методом последовательных приближений. В данном случае достаточно остановиться на первом приближении для 
, полагая 
в качестве начального (нулевого) приближения. Имеем:
(23)
После вычисления формулы (22)
а после сокращения на dt и интегрирования запишем:
,
где 
определяется из начальных условий 
.
Окончательно получим приближенную зависимость для последующего анализа:
(24)
Аналогично имеем (
):
(25)
Нетрудно видеть, что для дальнейшего исследования зависимостей (24), (25), их интегрирования при заданном диапазоне изменения 
(интересующем нас диапазоне) подкоренное выражение удобно разлагать в ряд относительно ω2 (возможно, достаточно ограничиться только линейными числами).
Заключение
Технико-экономические преимущества от внедрения нового оборудования обеспечиваются за счет того, что рабочий орган выполнен в виде комбинированного винтового ротора, установленного под острым углом α к оси его вращения и снабженного по внутреннему периметру винтовыми карманами треугольной формы, а по наружному периметру выполненного с чередующимися винтовыми выступами треугольной формы.
Предложенная конструкция позволяет повысить производительность, расширить технологические возможности обработки за счет одновременного воздействия на массы загрузки высокочастотных колебаний с малой амплитудой и низкочастотных колебаний с большой амплитудой, а также нарушения скорости и направления движения масс загрузки при их встрече с карманами треугольной формы, расположенными по винтовым линиям по внутреннему периметру комбинированного винтового ротора.
1. Пат. 2672974 Российская Федерация, МПК В24В 31/023. Устройство для отделочно-упрочняющей обработки / В.А. Лебедев, Г.В. Серга, И.В. Давыдова, С.Ю. Штынь; Донской государственный технический университет. - № 2017144229; заявл. 18.12.17; опубл. 21.11.18, Бюл. № 33.
2. Пат. 2519398 Российская Федерация, МПК В24В 31/02. Станок для химико-отделочно-упрочняющей обработки деталей / Г.В. Серга, В.В. Иванов, В.А. Лебедев; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2013106597/02; заявл. 14.12.13; опубл. 10.06.14, Бюл. № 16.
3. Пат. 2528291 Российская Федерация, МПК В24В 31/02. Устройство для отделочно-упрочняющей обработки / Г.В. Серга, В.А. Лебедев, В.В. Иванов; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2013106599/02; заявл. 14.02.13; опубл. 10.09.14, Бюл. № 25.
4. Пат. 2572685 Российская Федерация, МПК В24В 31/02. Устройство для отделочно-зачистной обработки / А.Ю. Марченко, А.Н. Иванов, В.А. Лебедев, В.В. Иванов, Г.В. Серга; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2014129160/02; заявл. 15.07.14; опубл. 20.01.16, Бюл. № 2.
5. Пат. 2613517 Российская Федерация, МПК В01F 13/08. Аппарат вихревого слоя непрерывного действия / Г.В. Серга, А.А. Кочубей, В.А. Лебедев; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2016110382/02; заявл. 21.03.16; опубл. 16.03.17, Бюл. № 8.
6. Пат. 2614009 Российская Федерация, МПК В01F 13/08. Аппарат вихревого слоя / Г.В. Серга, А.А. Кочубей, В.А. Лебедев; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2015153707; заявл. 14.12.15; опубл. 22.03.17, Бюл. № 9.
7. Пат. 2614013 Российская Федерация, МПК В01F 13/08. Аппарат слоя вихревого / Г.В. Серга, А.А. Кочубей, В.А. Лебедев; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2016110238; заявл. 21.03.16; опубл. 22.03.17, Бюл. № 9.
8. Пат. 2618568 Российская Федерация, МПК В01F 13/08. Аппарат трубный вихревого слоя / Г.В. Серга, А.А. Кочубей, В.А. Лебедев; Кубанский государственный аграрный университет. - № 2016108190; заявл. 09.03.16; опубл. 04.05.17, Бюл. № 13.
9. Серга, Г.В. Внедрение идеологии Л.Н. Кошкина в виброупрочняющей технологии на примере винтовых роторов / Г.В. Серга, В.А. Лебедев // Вестник РГТУ им. П.А. Соловьева. - Рыбинск, 2017. - № 2 (41). - С. 126-132.
10. Lebedev, V.А. Increase of efficiency of finishing-cleaning and hardening processing of details based on rotor-screw technological systems / V.А. Lebedev, G.V. Serga, А.V. Khandozhko // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2018. - № 327. - 042062.
11. Lebedev, V.A. Method for calculating the power of a rotor-screw machines / V.A. Lebedev, G.V. Serga, I.V. Davydova, T.V. Atoyan, I.G. Koshlyakova, A.V. Gordienko // MATEC Web Conf. - 226 (2018) 01007.
12. Lebedev, V.A. Main trends in intensification of rotorscrew processing of parts / V.A. Lebedev, G.V. Serga, I.V. Davydova, T.V. Atoyan, I.G. Koshlyakova, A.V. Gordienko // MATEC Web Conf. - 226 (2018) 01008.
13. Яворский, Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. - М.: Наука, 1965. - С. 38.
14. Смирнов, В.И. Курс высшей математики / В.И. Смирнов. - М.: Наука, 1961. - Т. 3. - Ч. 2. - С. 641-643.
15. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей / Е.С. Вентцель. - М.: Наука, 1964. - 135 с.
16. Энциклопедический справочник. Машиностроение. Инженерные расчеты в машиностроении. - М.: ГНТИМЛ, 1947. - Т. 1. - Кн. 2. - 456 с.
17. Федорченко, А.М. Теоретическая физика / А.М. Федорченко. - Киев: Высш. шк., 1983. - 231 с.
18. Серга, Г.В. Параметрические исследования кинетики износа кулачков: автореф. дис. … канд. техн. наук / Г.В. Серга. - Львов, 1971.
