ЭВОЛЮЦИЯ ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИЧЕСКИХ РОТОРНЫХ И РОТОРНО-КОНВЕЙЕРНЫХ ЛИНИЙ ПАТРОННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Хронологически можно проследить появление и применение средств механизации и автоматизации загрузки штучных предметов обработки в рабочую зону технологических систем патронного производства, обеспечивающих оптимальную реализацию их технологических характеристик по критерию максимальной производительности [1].

В 20-е годы прошлого века появляются оригинальные конструкции автоматических загрузочных устройств (АЗУ) фирмы Bliss (США), фирмы Fritzwerner и Polt (Германия), отечественных авторов – Катосонова, Зайцева, Шамшина, Захарова, Пронина, Черепанова и других. В 40-е годы НИТИ-40 Министерства вооружения СССР выпускаются справочные материалы по автоматам питания, питателям, межоперационному транспорту и механизации трудоемких процессов на патронных заводах [2, 3].

Применение вышеперечисленных АЗУ было успешным на операциях штамповки, термических и химических операциях и сборки пуль и патронов. В основном эти операции характеризуются быстродействием и необходимостью обеспечения производительности АЗУ от 60 до 120 шт./мин.

В 50-е годы в патронное производство СССР интенсивно внедряются автоматические роторные линии (АРЛ) и затем в 60-е годы – автоматические роторно-конвейерные линии (АРКЛ) конструкции Л.Н. Кошкина. Производительность линий составляла соответственно до 200 и 1200 шт./мин. Объединение в одной АРЛ до шести технологических операций позволило значительно снизить число типоразмеров АЗУ и обеспечить производительность линий в 2-3 раза большую по сравнению с операционным прессовым оборудованием. АЗУ первого поколения по производительности не удовлетворяли техническим характеристикам АРЛ, в тоже время требования к надежности АЗУ возросли на порядок, так как от неё в значительной степени зависел коэффициент использования АРЛ. На этом этапе АЗУ неоценимым вкладом оказалась теория и практические рекомендации по проектированию АЗУ, которые были разработаны В.Ф. Прейсом в Тульском механическом институте.

В первые послевоенные годы по заданию НКВ СССР В.Ф. Прейсом развертываются масштабные научно-исследовательские работы по изучению механических АЗУ для автоматической загрузки элементов патронов стрелкового оружия в прессы-автоматы и автоматические линии.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований механических АЗУ для элементов патронов стрелкового оружия, проводимых В.Ф. Прейсом, легли в основу его кандидатской диссертации «Основы методики проектирования крючковых и карманчиковых автоматов питания и их экспериментальное исследование» и впоследствии докторской диссертации «Основы теории бункерных загрузочных устройств для захвата и ориентации заготовок в автоматах и автоматических линиях штамповочного производства». В этих работах впервые были введены понятия о вероятности захвата штучных предметов обработки захватывающими органами и коэффициент выдачи; разработаны основы теории захвата предметов обработки захватывающими органами и теории выдачи предметов обработки из захватывающих органов; разработана методика экспериментального исследования АЗУ и даны основные формулы для расчета их теоретической и фактической производительности [4, 5].

Безусловно существенному вкладу В.Ф. Прейса в теорию и практику механических АЗУ содействовал его творческий союз с Л.Н. Кошкиным.

В 1948 году на преподавательскую работу в Тульский механический институт по инициативе В.Ф. Прейса был приглашен инженер Л.Н. Кошкин, в то время начальник Конструкторского бюро автоматических линий (КБАЛ) НКВ СССР, которое было организовано в 1944 году на Ульяновском машиностроительном заводе (в настоящее время ОАО «Конструкторское бюро автоматических линий им. Л.Н. Кошкина», г. Климовск, Московской обл.). Основной задачей КБАЛ на многие годы стало создание автоматических роторных линий для производства патронов стрелкового оружия.

В конце пятидесятых фирма Syntron (США) предлагает конструкцию АЗУ вибрационного действия, которые стали широко внедрятся в отечественные отрасли промышленности благодаря своим очевидным достоинствам в сравнении с АЗУ механического действия. В настоящее время на фирмах Fiat (Италия), Sortimat (Германия) и др. фирмах доминируют вибрационные АЗУ, доля которых в общем числе АЗУ составляет до 70 %. Это поколение загрузочных устройств, преимуществом которых является их универсальность по отношению к загружаемому предмету обработки в отличие от АЗУ механического действия со специализацией на конкретный предмет обработки.

Кроме того, АЗУ вибрационного действия обладают серией достоинств: формирование циклограммы устройства по интервалам цикла – подготовки к захвату, самого захвата предметов обработки и его ориентирование в пространстве гибкое, т.е. может реализоваться на продолжительной технологической траектории – множества витков вибродорожки, которая является и захватным органом. Это обстоятельство также является относительным достоинством АЗУ вибрационного действия, т.к. в нем предметы обработки перемещаются со скоростью относительно захватного органа – вибродорожки, а в АЗУ механического действия наоборот – захватные органы (карманы, крючки, лопасти, трубки и т.д.) перемещаются относительно массы предметов обработки, находящихся в бункере и, тем самым, наносят нежелательные дефекты на предметы обработки (царапины, сколы, вмятины и т.п.).

Привод АЗУ вибрационного действия, как правило, электромагнитный – бесконтактный и легко управляемый, питаемый от сети с промышленной частотой 50 Гц. Это определяет частоту вынужденных колебаний вибродорожки и амплитуду колебаний в вертикальном направлении примерно 0,1 мм при частоте 50 Гц и 0,025 мм при частоте 100 Гц для обеспечения безотрывного режима виброперемещения предметов обработки эти параметры соизмеримы с допуском на изготовление элементов конструкции устройства [7, 8].

Частота вынужденных колебаний 100 Гц применима для устройств с диаметром бункера до 100 мм, а более частота 50 Гц, получаемая при применении диода, последовательно включенного с катушкой электромагнитного привода.

Теоретическая производительность АЗУ вибрационного действия прямо пропорциональна относительной скорости виброперемещения предметов обработки на дорожке бункера. При частоте вынужденных колебаний 50 Гц и амплитуде колебаний бункера 0,1 мм в вертикальном направлении, а в горизонтальном – до 2 мм достижимая относительная скорость виброперемещения не превышает 50 мм/с. Этот факт свидетельствует, о том, что производительность АЗУ ограничена, в том случае, когда электромагнитный вибропривод обеспечивает синхронные колебания в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Заслугой отечественных ученых стало появление в конце 60-х годов вибрационных АЗУ следующего поколения, как по универсальности, так и высокой производительности. Это было достигнуто путем разделения и обеспечения независимости возбуждения колебаний в вертикальном и горизонтальном направлениях с фазовым смещением. В результате удалось повысить относительную скорость виброперемещения предметов обработки в безотрывном режиме на порядок и обеспечивать реверс виброперемещения, необходимый для ряда технологических задач. Кроме того, новый вибропривод обеспечивает исключение галопирования предметов обработки на вибродорожке устройства, т.к. не позволяет отклонится динамической оси от геометрической при работе устройства.

Эти достоинства достигнуты путем усложнения конструкции АЗУ, повышения металлоемкости и энергоемкости, усложнения системы управления параметрами колебаний и повышении в итоге стоимости.

Опыт эксплуатации АЗУ вибрационного действия с раздельным возбуждением колебаний позволил теоретически и практически придти к решению отказа от совмещенной упругой системы, реализовать двухмассную колебательную динамическую систему для вертикального привода и трехмассную для горизонтального привода с обеспечением эффективного динамического гашения горизонтальных колебаний. Кроме того, реализовать раздельные колебания при одноканальном управлении путем отбора мощности для вертикальных колебаний от электромагнитного привода горизонтальных колебаний.

Точка зрения творческого коллектива, возглавляемого автором статьи, состоит в рекомендации в качестве упругих элементов привода - витых пружин, что позволяет конструировать устройства компактными и повышенным ресурсом. В одной из конструкций АЗУ вибрационного действия число витых пружин составляет 16. Это позволяет формировать амплитудно-частотные и частотно-фазовые характеристики устройства для широкого спектра масс и моментов инерции активной части динамической системы и с необходимой массой предметов обработки, загружаемых в бункер.

Что касается электромагнитного привода, применяемого в АЗУ с раздельным возбуждением горизонтальных колебаний, то на практике применимы различные схемы – однотактные, однотактные спаренные, двухтактные и двухтактные спаренные. До настоящего времени исследованы и разработаны методики расчета только однотактных виброприводов с учетом специфики однополупериодного импульса тока.

В электромагнитном приводе вертикальных колебаний используется нестандартный магнитопровод из низкоуглеродистой стали круглой формы, для которого также отсутствуют исследования и методика расчета. Рассмотренные АЗУ механического и вибрационного действия являются стационарными, их производительность не превышает 300 шт./мин. Тем самым они широко применимы для автоматической загрузки элементов патрона в автоматические роторные линии, которые также имеют предел производительности, определяемый условиями передачи предметов обработки из питателя в транспортно-питающий ротор, далее из ротора в ротор.

Последнее ограничение снято в автоматических роторно-конвейерных линиях, производительность которых достигла 1200 шт./мин. Автоматическая загрузка штучными предметами обработки АРКЛ стала очередной проблемой. Многократное повышение производительности потребовало новых исследований АЗУ и внедрение следующего поколения АЗУ, которые обеспечивают многократный захват, ориентирование и выдачу предметов обработки в пределах одного кинематического цикла устройства, совмещение захвата предметов обработки и их относительного ориентирования, групповой захват предметов обработки каждым захватным, использование в процессах захвата, ориентирования и выдачи кроме сил гравитационных центробежных сил.

Существенный вклад в теорию и практику роторных АЗУ внес В.В. Прейс, в кандидатской и докторской диссертациях которого была предложена структура, классификация и область применения, конструкции основных функциональных устройств; даны типовые компоновочные решения и методика проектирования роторных АЗУ.

Следующее современное поколение АЗУ это вибророторные АЗУ (ВРАЗУ), воплотившие в себе достоинства роторных и вибрационных АЗУ, в которых: рассматривается возможность автоматической загрузки в технологические системы более широкой гаммы предметов обработки, их степени сложности ориентирования в пространстве в многоканальном варианте, причем длина канала может формироваться минимальной, равной радиусу устройства и продолжительной по спирали Архимеда, благодаря сложению сил инерции центробежных и вибрационных.

В конструкциях ВРАЗУ реализуется реальный процесс независимости транспортных и технологических функций, т.е. скорости вращения ротора и относительной скорости виброцентробежного перемещения предметов обработки в каждом канале устройства, обеспечивается режим перемещения предметов обработки в центре бункера ВРАЗУ в режиме с отрывом и в зоне ориентирования, вдали от центра безотрывный режим. Это обеспечивает предварительное ориентирование предметов обработки в зоне захвата, т.к. предметы обработки стремятся в данном случае занять устойчивое положение и качественный процесс ориентирования в соответствующей зоне благодаря приемлемым динамическим условиям; нагляден виброреологический процесс, т.е. условия трения меняются при наложении вибрации в вертикальном, горизонтальном направлениях, или одновременно в обоих направлениях.

Таким образом, реализуются условия виброцентробежного перемещения предметов обработки по поверхности бункера, имеющего форму обратного конуса с углом образующей до 15^о при угловой скорости вращения от 3 до 10 с^–1, при этом перемещение предметов обработки происходит в неоднородных полях центробежных и вибрационных сил инерции, что позволяет рассредоточить поток предметов обработки и создать благоприятные условия для их ориентирования [8].

Становление и развитие отечественных АРЛ и АРКЛ позволило создать комплексно-автоматизированные патронные производства: цехи и заводы-автоматы и, тем самым, создать основу применения их принципа в автоматизированных производствах других отраслей. Концентрация числа операций в линиях позволила значительно сократить число АЗУ в целом, но в тоже время появилась необходимость в создании новых теоретических подходов и конструкций АЗУ новых поколений, позволяющих обеспечивать высокопроизводительный и устойчивый процесс автоматической загрузки штучных предметов обработки.

Данная статья была посвящена 105-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, профессора, доктора технических наук В.Ф. Прейса.

Список литературы

1. Автоматические линии роторного типа / Л.Н. Кошкин [и др.]. Тула: ЦБТИ, 1961. 253 с.

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

3. Усенко Н.А. Автоматизация загрузки роторных линий. Киев: ДНТП, 1968. 40 с.

4. Усенко Н.А., Бляхеров И.С. Автоматические загрузочно-ориентируюшие устройства. М.: Машиностроение, 1984. 112 c.

5. Автоматическая загрузка технологических машин: Справочник / Под общей редакцией И.А. Клусова. Машиностроение, 1990. 400 c.

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

7. Усенко Н.А. Зайцев А.Б., Фалдин А.В. Автоматические загрузочно-ориентируюшие устройства. Ч.2. Вибрационные загрузочные устройства: учеб. пособие; под ред. В.В. Прейса. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 143 с.

8. Усенко Н.А., Фалдин А.В. В XXI век – с автоматическими загрузочными устройствами нового поколения // Кузнечно-штамповочное производство, 2000 № 9. С. 7-11.