НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

БУТ СЕРГІЙ АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 621.798

РОЗВИТОК ОБЛАДНАННЯ ПОТОКОВИХ СИСТЕМ

ХАРЧОВИХ ВИРОБНИЦТВ НА ОСНОВІ ВИКОРИСТАННЯ

ГРАВІТАЦІЙНИХ СИЛ

Спеціальність 05.18.12 – процеси й обладнання харчових,

мікробіологічних і фармацевтичних виробництв

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент,

Яровий Володимир Леонідович,

Національний університет харчових

технологій, проректор з навчально-методичної

роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

Некоз Олександр Іванович,

Національний університет харчових

технологій, професор кафедри матеріало-

знавства і технологій машинобудування НУХТ

кандидат технічних наук,

Фалько Олександр Леонідович,

Донецькй державний університет економіки

і торгівлі ім. Туган-Барановського, доцент

кафедри обладнання харчових виробництв

Провідна установа: Одеська національна академія харчових техно-

логій Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться 15 червня 2005 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізо-ваної вченої ради Д 26.058.02 у Національного університету харчових техно-логій за адресою: 01033, м. Київ-33, вул. Володимирська, 68, аудиторія А-311.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного універси-тету харчових технологій.

Автореферат розісланий 12 травня 2005 р.

Вчений секретар спеціалі-

зованої вченої ради, к.т.н., доц. Зав’ялов В.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Удосконалення обладнання транспортно-техноло-гічних систем, узгодження і синхронізація роботи їх складових частин, механі-зація і автоматизація ділянок зміни формату вантажів, навантажувально-розван-тажувальних, транспортних і складських робіт залишаються в сфері інтересів сучасних виробництв.

Вимоги до нових конструктивних рішень, спрямування зусиль до оптимі-зації складу потокових систем, підвищення їх гнучкості, зменшення енерго-витрат, обмеження силових взаємодій між робочими органами і об’єктами маніпулювання в умовах зростаючої продуктивності відповідають сучасним запитам. При цьому логічно обґрунтовуються можливості використання енерге-тичного гравітаційного потенціалу на новому рівні, пов’язаному з сучасними положеннями аналітичної механіки та комп’ютерної техніки з відповідним програмним забезпеченням. Існує можливість на основі використання гравітаційних сил створити пристрої для реалізації вкладання продукції в транспортну тару, створити системи опускних гравітаційних пристроїв з регульованими переміщеннями вантажів. Переміщення вантажів у піднімально-опускних приводних пристроях, супроводжуване динамікою перехідних процесів в умовах змінних динамічних параметрів, залишається в сфері недостатнього рівня моделювання, аналізу і синтезу. Розвиток цієї частини теорії динаміки машин забезпечить нові перспективи удосконалення відповідної техніки.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисерта-ційна робота пов’язана з державною науково-технічною програмою "Підвищен-ня надійності і довговічності машин і конструкцій", Програмою Кабінету Міністрів "Україна-2010" (проект 4 – "Технологічне та технічне оновлення ви-робництва" від 26.02.1998 р. № 43-98 рп і виконувалася відповідно до пріоритетного напрямку робіт УДУХТ на 1996-2000 рр. "Розробка наукових основ теплообмінних процесів, обладнання, законів механізації та комплексної механізації для харчових та переробних галузей АПК" та у зв’язку з виконанням господарчих тем № 39/03 "Розробка конструкцій контейнерів для склобою", № 170-Ц "Розробка конструкторської документації на пристрій для піднімання вантажів у мішках".

Автор виконав розрахункову частину систем підвіски пристроїв.

Мета і завдання досліджень полягає у створенні методик розрахунку, пов’язаних з синтезом пристроїв на основі використання гравітаційних сил.

Виконаний огляд і аналіз методів дослідження динаміки машин, проблем їх синтезу і задач по створенню сучасної техніки потокових систем дозволили сформулювати завдання досліджень:

1. Поглибити теоретичну базу і розробити математичний апарат для вирішення питань геометричного, кінематичного та динамічного синтезу прист-роїв, в яких гравітаційні сили використовуються як рушійні;

2. Розробити узагальнену теорію розрахунків криволінійних гравітацій-них опускних пристроїв;

3. На базі та в інтересах удосконалення технологічного обладнання розви-нути теоретичні основи розрахунків одномірних об’єктів змінної довжини, виконати порівняльний аналіз існуючих методів розрахунків з новою аналітич-ною моделлю;

4. Поглибити теорію динаміки перехідних процесів зупинки системи за рахунок гальмування ведучої маси. Розробити рекомендації по обмеженню силових впливів на об’єкти змінної жорсткості;

5. Виконати експериментальну перевірку результатів аналітичного моде-лювання;

6. Забезпечити наукове підґрунтя для створення нових зразків техніки в потокових лініях харчових виробництв.

Об’єкт дослідження: процеси переміщення вантажів в гравітаційних полях.

Предмет дослідження: гравітаційні опускні пристрої криволінійні, жо-лобчасті, жолобчасті поворотні і підйомно-опускні пристрої.

Методи досліджень включають в себе аналітичне моделювання на основі рівнянь руху з використанням новітніх комп’ютерних технологій. Окремі по-ложення, пов’язані з теоретичними моделями, пройшли експериментальну перевірку.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі виконаних теоре-тичних та експериментальних досліджень науково обґрунтовано можливість удосконалення пристроїв на основі використання гравітаційних сил.

На захист виносяться:

- аналітичні моделі, пов’язані з синтезом гравітаційних переорієнтуваль-них пристроїв та укладальників упаковок в транспортну тару;

- вперше розроблена аналітична модель синтезу криволінійних гравіта-ційних опускних пристроїв, в якій пов’язано сукупність геометричних, кінематичних та динамічних параметрів;

- аналітична модель, пов’язана з реалізацією різних законів руху вантажів в жолобчастих опускних пристроях;

- теорія по опису перехідних процесів зупинки систем зі змінними динамічними параметрами.

Практичне значення одержаних результатів. Результати теоретичних і експериментальних досліджень реалізовані за такими напрямками:

- розроблена методика розрахунку переорієнтаційних гравітаційних прис-троїв, які можуть бути складовими частинами укладальних автоматів;

- показана можливість позиціювання ротора переорієнтаційного пристрою і розроблена відповідна методика розрахунку. Визначено параметри керування пристроєм і визначені його можливості по пропускній здатності;

- розроблена методика розрахунку криволінійних гравітаційних опускних пристроїв та вперше вирішена задача синтезу прямолінійних регульованих жо-лобчастих опускних пристроїв;

- запропоновано конструкції регульованих опускних пристроїв;

- розроблено методики розрахунку піднімально-опускних пристроїв в си-стемах зі змінними динамічними параметрами і з врахуванням динамічних явищ;

- запропоновано конструкцію приводу піднімально-опускного пристрою з обмеженням силових навантажень перехідних процесів.

Особистий внесок здобувача полягає у критичному аналізі матеріалів, що стосуються динаміки перехідних процесів в машинах зі сталими і змінними параметрами, конструюванні сучасних машин і комплексів з них, формулю-ванні задач досліджень та напрямків їх розв’язання, розробці математичних моделей, які стосуються кінематики і динаміки переміщення вантажів у переорієнтувальних та опускних гравітаційних пристроях, створенні лабора-торної установки, проведенні експериментальних досліджень, обробці їх ре-зультатів, розробці рекомендацій по впровадженню пропозицій і обладнання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповіда-лися на VI Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспек-тиви створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості”, (Київ, УДУХТ, жовтень 2003 р.), 70-ій науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів (Київ, НУХТ, квітень 2004 р.), науково-технічній конференцій “Розроблення та виробництво продуктів функціонального харчування, іннова-ційних технологій та конструювання обладнання для перероблення сільгосп-сировини, культура харчування населення України” (Київ, НУХТ, жовтень 2003 р.), семінарах кафедри.

Робота виконувалася на кафедрі “Технологічне обладнання харчових виробництв” Національного університету харчових технологій. Автор вислов-лює подяку науковому керівникові за допомогу у виконанні досліджень.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 8 друко-ваних праць, в тому числі 2 статті у фахових журналах, 2 патенти України, 1 брошура, 3 тези на наукових та науково-технічних конференціях.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 132 найме-нувань і додатків. Робота виконана на 173 сторінках машинописного тексту, містить 53 рисунка та 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована доцільність і актуальність дисертаційної роботи. Відмічено важливість пошуків у напрямку використання гравітаційних сил для створення переорієнтаційних, укладальних пристроїв, регульованих опускних пристроїв та дослідження динаміки піднімально-опускних пристроїв зі змінними динамічними параметрами.

У розділі І виконано огляд і аналіз, що стосується динаміки систем з об’єктами змінної довжини і жорсткості, та аналіз наукових робіт по дослідженню динаміки пристроїв для вкладання штучної продукції в транспортну тару та обладнання транспортно-технологічних систем.

За результатами аналізу зроблено такі висновки.

1. Підвищення продуктивності машин і механізмів пакувальної техніки харчових виробництв, розширення асортименту пакувальних матеріалів і гами типорозмірів упаковок та покращення якості виконання операцій потребують подальшого розвитку методів розрахунку технологічного обладнання. Особли-вий інтерес сучасних досліджень в галузі динаміки машин обумовлюється можливостями нової обчислювальної техніки, використання якої дозволяє успішно вирішувати задачі з теоретичним підґрунтям на базі нелінійних диференціальних, диференціально-інтегральних рівнянь та систем з них.

2. Узагальнення результатів аналізу математичних моделей на основі нелінійних диференціальних та інших рівнянь і систем рівнянь з них, які не мають розв’язання в явному вигляді, доцільно здійснювати на основі планування обчислювальних експериментів з одержанням рівнянь регресії і оцінкою впливів різних факторів. Останнє дозволяє вирішувати різні задачі проектування машин та механізмів, в тому числі і задачі оптимального кінематичного, геометричного та динамічного синтезу систем.

3. Висока планова продуктивність технологічного обладнання приводить до того, що час виконання окремих операцій наближений або перевищує час проходження перехідних процесів. У зв’язку з цим виникає необхідність в аналітичних моделях враховувати дисипативні явища. Останнє дуже актуально, тому що в багатьох випадках динаміка робочих процесів розглядається на основі кількох або багатьох етапів, коли початкові умови кожного наступного етапу визначаються кінцевими умовами попереднього. За літературними джерелами коефіцієнт затухання в першому наближенні можна приймати на рівні  = 0,4-0,6.

4. Значна кількість обладнання пакувальних ліній харчових виробництв будується на принципах і працює за умов, відомих під назвою динаміки об’єктів змінної довжини. Глибокі розробки відповідного розділу динаміки машин стосуються гірничого обладнання, шахтних підйомників, транспортних систем тощо. Характерним для названого обладнання є те, що довжина силових об’єктів змінної довжини в них значна і знехтувати їх масою неможливо. В зв’язку з цим математичні моделі будуються на основі хвильових рівнянь в часткових похідних, розв’язання яких в явному вигляді не досягається.

Стосовно обладнання харчових виробництв в ряді випадків математичні моделі можуть бути зведені до систем з дискретними масами, коли маси пружних елементів не враховуються. Це дозволяє одержати математичні моделі на рівні звичайних нелінійних диференціальних рівнянь з можливістю виконання аналізу чисельними методами. Змінні значення жорсткості в таких пристроях як обандеролювальні, пакетообгортальні, підйомно-опускні тощо досягають на одному етапі ста-п’ятисот відсотків. Такі зміни викликають впливи на динаміку робочих процесів, які в сучасних моделях повинні враховуватись.

5. В літературних джерелах практично відсутня інформація щодо динаміки зупинки підйомно-опускних пристроїв за умови гальмування ведучої маси. Між тим названі пристрої працюють саме в таких жорстких умовах, тому актуальним є поглиблення відповідної теоретичної бази.

6. Значна кількість обладнання в лініях пакування харчових виробництв по своїй будові зорієнтована на використання сил гравітаційного поля. Існує необхідність подальшої розробки теоретичної бази для розрахунків та синтезу таких систем, в тому числі і пристроїв, в яких поєднуються операції переорієнтації виробів та завантаження транспортної тари.

7. Актуальною залишається проблема пошуку можливостей інтенсифікації у виконанні окремих технологічних операцій і пидвищення продуктив-ності машин-автоматів для пакування харчової продукції.

Розділ ІІ присвячений опису методики проведення теоретичних досліджень і результатам визначення приведених коефіцієнтів тертя стосовно жолобчастих поворотних спусків.

Аналітичне моделювання статики, динаміки і процесів ґрунтується на положеннях класичної механіки, принципах можливих переміщень, суперпози-ції, Даламбера. В аналітичних дослідженнях переорієнтувальних пристроїв використані закони Амонтона-Кулона, а для розв’язання і аналізу нелінійних диференціальних рівнянь руху використовувалися кусочно-лінійна апрокси-мація або стандартні комп’ютерні програми з постановкою обчислювальних експериментів. Кінцевим результатом в останньому випадку було одержання рівнянь регресій.

В аналітичних викладках, які стосувалися виведення рівняння руху для опускного пристрою криволінійної форми, застосована відома у математиці залежність, що визначає кривизну лінії через першу і другу похідні функції. Одержані на цій основі рівняння руху є суттєво нелінійними, а тому їх розв’язання і аналіз здійснювалися числовими методами.

Задача синтезу траси опускного пристрою передбачає визначення для нього співвідношень координат у вигляді функції при заданих вхідних умовах. Відомими повинні бути координати точки входу вантажу і точки виходу. Диференціюванням функції визначаються значення та , які входять до рівняння руху. Наступне розв’язання рівняння руху дозволяє визначити значення кінцевих параметрів та . Якщо останні задовольняють поставленим умовам, то залишається в силі прийнятий варіант .

В основу регульованих жолобчастих гравітаційних опускних пристроїв покладено перерозподіл реакцій на бічних гранях і змінні значення приведених коефіцієнтів тертя. Методика розрахунків жолобчастих спусків ґрунтувалася на використанні рівнянь статики з визначенням сил тертя як функції маси вантажу, коефіцієнтів тертя і геометрії поперечного перерізу опускного прис-трою. Розроблена теоретична модель по визначенню умови самогальмування пройшла експериментальну перевірку, яка підтвердила можливість викорис-тання всіх теоретичних наробок стосовно жолобчастих гравітаційних опускних пристроїв. В результаті показана можливість використання поворотних жолобчастих опускних пристроїв з досягненням тонких регульованих ефектів. В умовах змінних параметрів навколишнього середовища, його температури, вологості повітря, наявності абразивних матеріалів тощо коефіцієнти тертя не залишаються стабільними. що потребує можливості переналагодження сис-теми. Жолобчасті поворотні опускні пристрої такі можливості надають.

В розділі ІІІ виконано дослідження, пов’язані з моделюванням процесів укладання масивів виробів у транспортну тару. Розв’язання задачі автор базував на використанні хрестоподібних переорієнтаторів і у зв’язку з цим задачами досліджень цього розділу були пошук взаємозв’язків між геометричними, динамічними та кінематичними параметрами системи, визначення кількісних співвідношень та оптимізація системи за критеріями швидкодії та силовими параметрами.

Переорієнтувальний хрестоподібний механізм приводиться в дію за рахунок сил тяжіння.

Вузол переорієнтації упаковок є складовою частиною укладальника (рис. 1). Останній складається з підвідного конвеєра 1 зі штовхачем 2, переорієн-тувального хрестоподібного механізму 4, підтримувальної решітки-стінки 5 та конвеєра 7 для підведення-відведення транспортної тари 6. За фіксації пере-орієнтувального механізму 4 в початковому положенні в його комірки вво-дяться упаковки 3, а після зняття з фіксатора відбувається поворот на 90°. Цьому повороту відповідає рівняння руху

, (1)

де І – приведений момент інерції переорієнтатора разом з упаковками масою m; ц – ?утова координата переорієнтатора; Моп – момент сил опору в русі орієнтатора.

Рис. 1. Принципова схема укладальника виробів (а) та схема переорієнтувального хрестоподібного пристрою (б)

Рівняння (1) відповідає випадку за відсутності контактування вантажів з підтримувальною решіткою-стінкою 5 і утримуванням кожної упаковки в своїй комірці. З рівняння 1 видно, що довільний набір факторів в ньому приводить до невизначеності кутової швидкості переорієнтатора на момент, коли ? = 90°. Подальші кроки доцільно вести в напрямку кінематичного синтезу, за якого маємо одержати задані наперед значення кінематичних параметрів. У зв’язку з цим завдання сформулюємо таким чином: знайти за заданих значень маси та габаритних розмірів вантажів параметри системи, що забезпечують кутову швидкість при . За вказаних співвідношень має місце рівність робіт моментів сил рушійних і сил опору . Звідси . За співвідношення одержуємо:

. (2)

За значень параметрів g9,81 м/с2, lOB = 0,1; 0,2; 0,3 м та k0,1; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 і за початкових умов виконано розрахунки, результати яких представлені на рис. 2 і 3.

Рис. 2. Графік залежності кутової швидкості від часу при l0,2 м

Рис. 3. Графік залежності кутової швидкості від часу при l0,3 м

З графіків видно, що поставлена мета кінематичного синтезу досягається і . При цьому вагомий вплив на час проходження процесу має спів-відношення між величинами I та т, тобто параметр k. За інших рівних умов найменшим величинам k відповідають найменші значення часу переорієнтації ротора (від 0,15 до 0,98 с).

За необхідності мати одержано рівняння:

. (3)

Результати розрахунків при і параметрами системи, що відпо-відають попередньому випадку, представлені на рис. 4.

Рис. 4. Графік залежності кутової швидкості від часу при l0,2 м і

В першому та другому випадках параметром керування залишається момент опору, технічна реалізація зміни якого нескладна. Можливою є також комбінація з моменту сил опору, притаманного системі і гальмівного моменту Мг. Якщо гальмівний момент включається тоді, коли , то рушійним моментом можна знехтува-ти і тоді:

. (4)

За початкових умов ; ; , одержуємо

. (5)

Зупинка переорієнтатора може здійснюватись також з використанням підпружиненого упору з жорсткістю ск.

Тоді і за початкових умов ; знайдемо

; (6)

. (7)

Величина навантаження пружного упору:

. (8)

Наведені результати показують можливості обмеження кутових приско-рень і навантажень системи.

З метою порівняльної оцінки розглянуто також динаміку переорієнту-вальних пристроїв з асинхронним двигуном у складі привода. Момент сил рушійних в аналітичних моделях було представлено двома етапами на основі апроксимованої статичної механічної характеристики двигуна. При цьому для нестійкої чистини характеристики момент, що розвивається двигуном

, (9)

а для стійкої частини

, (10)

де і  – пусковий і максимальний моменти відповідно; ?т – кутова швидкість ротора, що відповідає максимальному моменту; ?о – синх-ронна кутова швидкість.

Розрахунки показали можливість досягнення більших значень кінематич-них параметрів переорієнтації вантажів, однак це само по собі збільшує динамічні навантаження перехідних процесів. Окрім того приводний момент інерції І для випадку системи з приводом є значно більшим і останнє викликає помітне погіршення силових параметрів вибігу.

Врахування сил тертя між вантажами і конструкцією в умовах переорієн-тації (рис. 5) приведено до рівняння

, (11)

де f – коефіцієнт тертя між вантажем та елементами переорієнтатора; fк – коефіцієнт тертя між вантажами і каркасом; Моп – момент опору переорієн-татора в обертальній парі.

Рис. 5. Розрахункова схема по визначенню параметрів орієнтувального пристрою

Нелінійне диференціальне рівняння (11) розв’язувалося за початкових умов ; ; та параметрів: І0,1; 0,5; 1,0; 1,5 кг·м2; lОВ = 0,25 м; l0,35 м; т1 кг; f = fк0,25; Моп0,3 Нм. Результати розрахунків представлено на рис. 6 і 7.

Рис. 6. Графіки зміни кутового приско-рення ротора: 1 – I0,1; 2 – I0,5; 3 – I1,0; 4 – I1,5 кг·м2

Рис. 7. Графіки кутової швидкості і кута повороту ротора: 1, 5 – І0,1; 2, 6 – І0,5; 3, 7 – І = 1,0; 4, 8 – І1,5 кг·м2

Графіки показують, що виникає потреба в організації режиму вибігу переорієнтатора таким чином, щоб погасити швидкість за рахунок гальм або пружного упору з фіксатором.

З рис. 8 видно, як на швидкодію процесу впливає момент інерції ротора.

Рис. 8. Залежності часу переорієнтації ротора і його кінцевої кутової швидкості від моменту інерції

За умовою (11) виконано п’ятифакторний обчислювальний експеримент. Перелік факторів і значення їх нижніх і верхніх рівнів наведено в табл. 1. Експеримент виконано як дробовий факторний 25-2. Функцією відгуку є час повороту переорієнтатора на 90°.

Одержане поліномінальне рівняння регресії записується у формі

(12)

З останнього видно, що важливими чинниками впливу є момент інерції ротора і коефіцієнт тертя fк. Між тим якась мінімізація І можлива лише в певних рамках, оскільки розміри переорієнтатора пов’язані з габаритними роз-мірами вантажів і матеріалом для виготовлення конструкції. У зв’язку з остан-нім важливим є зменшення коефіцієнта тертя fк як за рахунок підбору матері-алів пари тертя, так і активації наданням опорній поверхні, наприклад, зворот-но-поступального руху. Для останнього випадку складено відповідні моделі, результати розрахунків за якими наведено на рис. 9.

Рис. 9. Графік залежності часу і від параметрів гармонічних коливань

Таблиця 1

Значення факторів нижнього і верхнього рівнів

Фактор | Код | Р і в н і | Інтервал

нижній | нульовий | верхній

I, кгм2

m, кг

fк

lOB, м

l, м | z1

z2

z3

z4

z5 | 0,1

1,0

0,1

0,2

0,3 | 0,225

2,0

0,2

0,3

0,4 | 0,35

3,0

0,3

0,4

0,5 | 0,125

1,0

0,1

0,1

0,1

В розділі IV виконано дослідження гравітаційних опускних пристроїв, метою яких була розробка узагальненої теорії розрахунків криволінійних спусків та відповідних конструк-цій, та розробка теорії і практики регульованих гравітаційних опускних пристроїв.

На відміну від відомої задачі про брахісто-хрону розрахункова модель передбачає враху-вання сил тертя вантажів з опорною криволі-нійною поверхнею (рис. 10). Рівняння руху вантажу в проекції на вісь АХ приводиться до форми

Рис. 10. Розрахункова схема до випадку криволінійного спуску

(13)

Для вибраної залежності складається залежність у вигляді (13), розв’язанням якої визначається хх(t); ; та . Факторами впливу на кінематику переміщення вантажів є форма кривої спуску і коефіцієнт тертя f. Проте на практиці здійснити комбінацію матеріалів з різними f відносно складно, але пропонується інший шлях за рахунок надання спеціальної форми перерізу опорної поверхні (рис. 11). Відомо, що приведений коефіцієнт тертя залежить від кута розклинки жолобу:

Рис. 11. Схема до визначення приведеного коефіцієнта тертя

. (14)

Залежність наведено у табл. 2.

Таблиця 2

Залежність приведеного коефіцієнта тертя fпр від величини f і

Кут роз-клиники жоло-

бу °

Коефі-цієнт тертя f | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70

0,1 | 0,576 | 0,386 | 0,292 | 0,237 | 0,2 | 0,1743 | 0,156 | 0,1414 | 0,13 | 0,122 | 0,115 | 0,11 | 0,106

0,15 | 0,864 | 0,58 | 0,439 | 0,355 | 0,3 | 0,262 | 0,233 | 0,212 | 0,196 | 0,183 | 0,173 | 0,166 | 0,16

0,2 | 1,152 | 0,773 | 0,583 | 0,471 | 0,4 | 0,349 | 0,311 | 0,283 | 0,261 | 0,244 | 0,231 | 0,221 | 0,213

0,25 | 1,44 | 0,966 | 0,730 | 0,592 | 0,5 | 0,436 | 0,389 | 0,354 | 0,326 | 0,305 | 0,289 | 0,276 | 0,266

0,3 | 1,728 | 1,159 | 0,877 | 0,71 | 0,6 | 0,523 | 0,467 | 0,424 | 0,392 | 0,366 | 0,346 | 0,331 | 0,319

Зміною кута г по трасі опускного пристрою реалізуються різні закони руху, у тому числі рівномірний, рівномірно прискорений (сповільнений), трапецеїдальний, синусоїдальний, косинусоїдальний тощо. Наприклад, для синусоїдального і косинусоїдального законів руху (рис. 12 та 13) одержуємо:

де lI i lII – ділянки відповідно з прискореним або сповільненим рухом.

Рис. 12. Графіки кінематичних параметрів з синусоїдальним законом зміни приско-рення.

Рис. 13. Графіки кінематичних пара-метрів руху вантажів з косинусоїдальним законом зміни прискорення.

Можливості тонких регульованих ефектів досягаються використанням поворотних жолобчастих спусків (рис. 14, 15). Зміною кута ? досягається перерозподіл нормальних реакцій N1 та N2 і разом з тим з’являється ефект приведеного коефіцієнта тертя.

Рис. 14. Розрахункова схема до визначення параметрів поворотного жолобу

Рис. 15. Схема до розрахунку па-раметрів руху вантажу в поворотному жолобі

Загальний опір переміщенню вантажу:

. (17)

Екстремуму функції (17) відповідає

. (18)

Якщо позначити f1/f1 = k, то , а функція є визначальною і збільшення параметра k супроводжується зростанням діапазону Роп. Значення функції наведено в табл. 3.

Таблиця 3

Значення складових і функції за умови |

Кут , град.

5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 55

ksinд | 0,174 | 0,348 | 0,518 | 0,684 | 0,846 | 1,0 | 1,148 | 1,284 | 1,414 | 1,532 | 1,634

cosд | 0,996 | 0,985 | 0,966 | 0,94 | 0,906 | 0,866 | 0,819 | 0,766 | 0,707 | 0,873 | 0,574

Ц(д) | 1,170 | 1,334 | 1,484 | 1,624 | 1,752 | 1,866 | 1,967 | 2,05 | 2,121 | 2,205 | 2,208

Збільшення величини k приводить до зростання кута ?екс, що відповідає екстремуму Роп, а максимальне значення складає ? = 90°.

В розділі 5 наведено результати дослідження динаміки в пристроях для виконання навантажувально-розвантажувальних робіт в умовах суттєвих змін жорсткості підвіски вантажів. Метою досліджень були пошук можливостей в реалізації спеціальних законів руху ведучих мас і створення передумов їх промислового втілення, а також вив-чення динаміки зупинки навантажених систем.

У відповідності зі схемою (рис. 16) досягається можливість змінної швидкості точки підвіски гнучкого елемента. При цьому імітуються певні закони руху ведучої маси.

Рис. 16. Схема механізму підйому з барабаном змінного діаметра: 1 – двигун-редук-тор; 2 – муфта; 3 – гальмо; 4 – барабан

Динаміка навантаження підвіски в умовах зупинки ведучої маси і з врахуванням коливальних процесів досліджувалася на основі рівняння

. (20)

Значення пружних зусиль визначалися за виразом

. (21)

Приклад розв’язання (21) за початкових умов t(n) = 0; ; наведено на рис. 18. Розрахунки за різних значень параметрів систем, що відповідають двомасовим моделям, дозволяють зробити висновок про важливість оцінки навантажень системи підвісок в умовах різкого гальмування ведучих мас.

Рис. 18. Залежність пружних зусиль від часу для ЕF = 500000 Н та ? = 0,6 для випадку зупинки ведучої маси. y1(п) = 0,8 м; y2(п) = 0,8 м;  = 0,15 м/c

ВИСНОВКИ

1. Вперше розроблено методику розрахунку гравітаційного пристрою для переорієнтування і вкладання упаковок харчової продукції у транспортну тару. Розрахункова перевірка показала можливість і доцільність створення гравіта-ційного укладального пристрою.

2. Встановлено, що для системи з гравітаційним переорієнтувальним пристроєм вирішальне значення має обмеження маси хрестоподібного пере-орієнтатора як з точки зору інтересів зменшення часу на його поворот, так і з точки зору обмеження силової дії при гальмуванні, позиціюванні або взаємодії з упором.

3. Показано, що певним вибором величини моменту опору в обертанні хрестоподібного переорієнтатора досягається на час завершення переорієнтації задана кутова швидкість, в тому числі і .

4. На швидкодію процесу гравітаційного переорієнтування впливають такі показники, як момент інерції ротора, загальна маса вантажів, коефіцієнти тертя та розміри елементів ротора.

5. Гравітаційні двигуни та електроприводи не реалізують задачу швидко-дії. Пошук конструктивних рішень в цьому напрямку залишається актуальним. Запропонована "активація" гравітаційного пристрою за рахунок коливань опор-ного каркаса є одним з перспективних напрямків.

6. Вперше запропоновано для використання жолобчасті спуски з метою впливу на кінематику переміщення вантажів під дією гравітаційних сил.

7. Створено математичну модель процесів переміщення вантажів у вигляді рівнянь руху, яка дозволяє визначати їх кінематичні параметри за вибраної траси спусків.

8. Вперше вирішена задача кінематичного синтезу гравітаційних прямо-лінійних спусків жолобчастої форми. Відповідним і змінним по довжині спуску кутом сходження жолобу досягається можливість реалізації різних законів руху вантажів у тому числі і таких, якими реалізується оптимальна швидкодія.

9. Вперше запропоновано використання регульованих жолобчастих гравітаційних спусків (патент України № 64409А), розроблена методика їх розрахунків.

10. Розроблено математичні моделі для опису динаміки систем підйомно-опускних пристроїв зі змінною жорсткістю, обґрунтовано доцільність і межі використання таких моделей.

11. Числові розв’язання нелінійних рівнянь руху мас приводять до вис-новку, що і в нелінійних моделях, в яких не враховуються дисипативні явища, співвідношення жорсткостей і мас визначають частоту власних коливань сис-теми. Числові значення початкової жорсткості загальних закономірностей не змінюють, однак амплітуди динамічних складових навантажень від них зале-жать.

12. Моделі зі змінною жорсткістю та врахуванням дисипативних явищ показують повну відповідність класичним положенням теорії коливань. З підвищенням початкової жорсткості інтенсивність затухань зростає, значно зменшуються амплітуди швидкостей та переміщень.

13. Раціональним є використання систем, в яких забезпечується змінний або регульований режими руху ведучої маси (патент України 36148А). Складено математичні моделі, що відтворюють такі режими.

14. Досліджено динаміку перехідних процесів, пов’язаних з зупинкою ведучих мас. Встановлено, що в таких перехідних процесах динамічні навантаження можуть перевищувати динамічні впливи ударних навантажень пуску.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ЩО ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Бут С.А., Соколенко А.І., Васильківський К.В., Юхно М.І. Моделю-вання процесів переорієнтування масивів виробів. “Наукові праці УДУХТ”, К. УДУХТ, № 9, 2001, с. 49-50.

Особистий внесок здобувача: безпосередня участь в розробці математичної моделі.

2. Яровий В.Л., Васильківський К.В., Бут С.А. Динаміка гравітаційних опускних пристроїв. // Наукові праці національного університету харчових технологій, К.: НУХТ, 2004, – № 15, с. 96-97.

Особистий внесок здобувача: проведення аналітичного огляду, створення розрахункової моделі, узагальнення і підготовка матеріалу.

3. Патент № 36148 А України, МПК 6 В65В5/10. Пристрій для піднімання вантажів. Соколенко А.І., Шевченко О.Ю., Бут С.А., Васильківський К.В., Бут С.А., Юхно М.І.  – № 99116094; Заявл. 05.01.2001. Опубл. 16.04.2001. Бюл. № 3

Особистий внесок здобувача: проведення патентного пошуку; внесення пропозиції про змінну форму барабана.

4. Патент № 64409 А України, МПК В65В5/10. Гравітаційний спускний пристрій. Соколенко А.І., Шевченко О.Ю., Бут С.А. – № 2003054795; Заявл. 27.05.2003. Опубл. 16.02.2004. Бюл. № 2

Особистий внесок здобувача: участь в обговоренні проблеми, проведення патентного пошуку, внесення пропозиції щодо використання клинчастого жолобу.

5. Бут С.А., Юхно М.І., Яровий В.Л. Гравітаційні опускні пристрої. К.: НУХТ, 2004, с. 40.

Особистий внесок здобувача: складання моделі і вирішення задачі синтезу опускних пристроїв.

6. Соколенко А.І., Юхно М.І., Васильківський К.В., Бут С.А. Моделю-вання процесів переорієнтування вантажів у гравітаційних пристроях. Тези доповіді за матеріалами VI Міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості”, К.: УДУХТ, 2000, с. 7.

Особистий внесок здобувача: створення розрахункової моделі, здійснення її аналізу, підготовка матеріалів тез.

7. Яровий В.Л., Бут С.А., Васильківський К.В., Юхно М.І. Дослідження гравітаційних опускних пристроїв. Тези доповіді науково-технічної конференції “Розроблення та виробництво продуктів функціонального харчування, іннова-ційних технологій та конструювання обладнання для перероблення сільгосп-сировини, культура харчування населення України”, К.: НУХТ, 2003, с. 130-131.

Особистий внесок здобувача: участь в експериментальних дослідженнях, формулювання теоретичних положень, узагальнення теоретичних положень, підготовка матеріалів тез.

8. Зубик О.О., Бут С.А. Моделювання переміщення вантажів у гравіта-ційному полі. Тези доповіді на 70 науковій конференції молодих вчених, аспірантів і студентів. Частина ІІ, К.: НУХТ, 2004, с. 98.

Особистий внесок здобувача: оброблення і узагальнення результатів розрахунків, складання математичної моделі, підготовка матеріалів тез.

Анотація

Бут С.А. Розвиток обладнання потокових систем харчових вироб-ництв на основі використання гравітаційних сил. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.18.12 – "Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв." – Національний університет харчових техно-логій, Київ, 2005.

В дисертації представлено аналіз динаміки машин, в складі яких є об’єкти змінної довжини і змінної жорсткості. Останнє є характерним для значної частини обладнання для виконання навантажувально-розвантажувальних робіт, штабелювання вантажів, формування пакет-піддонів тощо. Розглянуто тенденції розвитку обладнання для вкладання штучних виробів у транспортну тару. Показано перспективи і методи розрахунку та синтезу пристроїв, в яких для переорієнтації і вкладання вантажів використовуються гравітаційні сили. Розроблено методики розрахунку гравітаційних опускних пристроїв, що дозволяє за рахунок криволінійної траси одержувати задані кінематичні параметри руху вантажів. Запропоновано до використання жолобчасті спуски, якими досягаються задані закони руху вантажів, з відповідним аналітичним забезпеченням, а також поворотні жолобчасті спуски. Останні дозволяють досягти тонких регульованих ефектів в значеннях сил опору.

Розроблено методику визначення динамічних параметрів перехідних процесів, що стосуються навантажень гнучких елементів змінної жорсткості в гравітаційному полі. Запропоновано конструкції по обмеженню динамічних складових навантажень.

Здійснено промислове впровадження розробок у виробництво.

Ключові слова: динаміка, навантаження, рівняння руху, укладання, переорієнтація, опускний пристрій, жолоб, кінематика.

Аннотация

Бут С.А. Развитие оборудования потоковых систем пищевых произ-водств на основе использования гравитационных сил. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 – "Процессы и оборудование пищевых, микробиоло-гических и фармацевтических производств". – Национальный университет пи-щевых технологий, Киев, 2005.

Диссертация содержит результаты анализа динамики машин с объектами переменной жесткости.

Современное оборудование потоковых систем во многих случаях ориентируется на использовании гибких кинематических связей в виде цепей, зубчатых ремней и тросов, длина ведущей части которых является переменной. Изменение длины в свою очередь изменяет жесткость этих участков, что в условиях большой частоты переходных процессов делает их время сопоста-вимым. Относительное ограничение масс гибких связей позволяет рассматри-вать физические модели исследуемых систем, как дискретные системы с сосредоточенными массами и невесомыми связями. В диссертации показана необходимость и перспективность исследования переходных процессов на этой основе.

Три задачи в этой работе объединяются тем, что взаимодействия между грузами и рабочими органами рассматриваются в гравитационном поле.

Целью работы было создание методик расчета по анализу и синтезу гравитационных переориентирующих устройств укладчиков упаковок пищевых производств, гравитационных спусков, обеспечивающих заданные законы дви-жения грузов и грузоподъемных устройств с изменяющейся жесткостью под-весок.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, отмече-ны основные направления решения проблем, показаны необходимость и перс-пективы их решения.

В первом разделе выполнен анализ литературных источников. Показаны особенности современной динамики машин в приложении к запросам пищевой промышленности, намечены задачи, подлежащие рассмотрению.

Во втором разделе излагаются методики аналитических и эксперимен-тальных исследований. В основу аналитического моделирования положены общепринятые в динамике машин гипотезы и допущения, экспериментальные исследования касаются определения углов трения и условий самоторможения грузов в поворотных желобах. Излагается методика определения параметров стенда, алгоритм постановки экспериментов, результаты их проведения и обработки.

В третьем разделе излагаются результаты исследований по особенностям кинематики и динамики работы переориентирующего устройства укладчиков.

Составлены математические модели для случаев отсутствия трения гру-зов с каркасом и при его наличии. Исходные уравнения движения переориен-татора записаны как нелинейные, поэтому их решения производились как на основе кусочно-линейной аппроксимации в описании сил движущих, так и численных методов. Полученные решения позволяют установить взаимосвязи между динамическими, геометрическими, кинематическими параметрами и временем переориентации. Для оценки влияния отдельных величин выполнен вычислительный пятифакторный эксперимент и получено соответствующее уравнение регрессии. Произведено сравнение со случаем приводного устрой-ства. Полученные модели и их анализ показывают перспективность использо-вания гравитационных переориентирующих устройств.

В четвертом разделе изложены разработанные методики расчетов криво-линейных гравитационных спусков, а также модифицированных желобчатых спусков, позволяющих соответствующим выбором угла расклинки получать заданные законы движения грузов. Предложена конструкция и разработана методика расчета поворотных желобчатых спусков, позволяющих варьировать величинами сил сопротивления, а значит достигать возможности регулирова-ния кинематики перемещения грузов.

В пятом разделе изложены особенности динамики систем с объектами изменяющейся жесткости. Показаны возможности ограничения динамических нагрузок в режиме пуска и остановки систем. Осуществлено промышленное использование разработок.

Ключевые слова: динамика, нагрузки, уравнение движения, укладка переориентация, опускное устройство, желоб, кинематика.

Annotation

But С.А. Development equipment of the stream systems of food produc-tions on the basis of the use of gravitation forces. it is Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of engineering sciences after speciality 05.18.12 are "Processes and equipment of food, microbioand pharmaceutical productions"  it is the National university of food technoKiev, 2005.

The analysis of dynamics of machines is represented in dissertation, in compo-sition of which there are the objects of variable length and variable inflexibility. The last is characteristic for considerable part of equipment for implementation of diffe-rent works, lay of loads, forming of package-pallets and others like that. The progress trends of equipment are considered for the investment of artificial wares in a transcontainer. Prospects and methods of calculation and synthesis are shown built on, in which for orient and investment of loads gravitation forces are used. The methods of calculation of gravitation movable devices are developed, that allows due to a curvilinear route to get the preset kinematics parameters of motion of loads. The special lowerings by which is achieved the set laws of motion of loads are offered to the use, with the proper analytical providing, and also turning special lowerings. The last allow to attain the thin managed effects in the values of forces of resistance.

The method of determination of dynamic parameters of transitional processes which are up to loadings of flexible elements of variable inflexibility in the gravitafield is developed. Constructions are offered after limitation of the dynamic component loadings.

Industrial introduction of developments is carried out in production.

Keywords: dynamics, loading, equalization of motion, conclusion, orient, movable device, chamfer, kinematics.