Удосконалення принципів проектування універсального технологічного обладнання ліній збирання і зварювання листових полотнищ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.791.037

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення принципів проектування універсального технологічного обладнання ліній збирання і зварювання листових полотнищ

Спеціальність 05.03.06 - Зварювання та споріднені процеси і технології

Коросташевський Павло Володимирович

Маріуполь - 2010

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у Приазовському державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор Роянов В'ячеслав Олександрович, Приазовський державний технічний університет, завідувач кафедри обладнання і технології зварювального виробництва

Офіційні опоненти:доктор технічних наук Лебедєв Володимир Олександрович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ, головний конструктор

кандидат технічних наук, доцент Драган Станіслав Володимирович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, доцент кафедри зварювального виробництва

Захист відбудеться 08 квітня 2011 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, м. Маріуполь, Університетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Приазовського державного технічного університету за адресою:

87500, м. Маріуполь, Апатова, 115.

Автореферат розісланий 24 лютого 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професорВ.О. Маслов

обладнання обичайка залізничний транспортний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах розвитку ринкової економіки і зростання конкуренції в машинобудуванні, виникає необхідність частої зміни виробів. Особливо це стосується виробництва залізничних вагонів-цистерн і контейнерів-цистерн, найважливішими елементами яких є зварні листові полотнища обичайок котлів, що виготовляються на спеціалізованих потоково-механізованих лініях. Сучасні умови виробництва вимагають створення принципово нового високопродуктивного устаткування, насамперед - для збирання і автоматичного зварювання листових полотнищ обичайок котлів. При цьому на кожній лінії необхідно забезпечувати виготовлення полотнищ з листів різної ширини з одночасним зварюванням усіх стиків з високою якістю зварних з'єднань. Таким чином, виникає необхідність перетворення існуючих ліній збирання і автоматичного зварювання листових полотнищ з вузько спеціалізованих в універсальні.

Процес створення нового високопродуктивного універсального технологічного обладнання ліній збирання та зварювання листових полотнищ гальмується через відсутність теоретичних досліджень в цій області і недосконалість принципів проектування універсальних стендів збирання та автоматичного зварювання, кантувачів листових полотнищ, обладнання транспортних систем ліній, у тому числі - непривідних роликових полів. У зв'язку з цим, робота, присвячена вдосконаленню таких принципів, є актуальним і важливим науково-практичним завданням вирішення проблем, що виникли у виробництві залізничних вагонів-цистерн і контейнерів-цистерн.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках співпраці НТК «ІЕЗ імені Є.О. Патона» (м. Київ), Приазовського державного технічного університету (ПДТУ) і ВАТ «Головний спеціалізований конструкторсько-технологічний інститут» (ВАТ «ГСКТІ») ВАТ «Азовмаш» (м. Маріуполь), згідно «Комплексній програмі науково-технічної співпраці НТК «ІЕЗ імені Є.О. Патона» і ВАТ «Азовмаш» в області зварювального виробництва» №267-3264 від 04.09.2003 р.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є вдосконалення принципів проектування універсального технологічного обладнання для збирання, транспортування по потоково-механізованих лініях і забезпечення одночасного високоякісного автоматичного зварювання всіх стиків листових полотнищ обичайок котлів залізничних вагонів-цистерн із листів різної ширини. Для досягнення поставленої мети в процесі досліджень поставлені наступні завдання:

- визначити необхідний діапазон універсальності спеціального технологічного обладнання ліній збирання та зварювання листових полотнищ;

- проаналізувати конструкції існуючих стендів збирання і автоматичного зварювання листових полотнищ і вдосконалити принципи створення нових, універсальних конструкцій, у тому числі, пристроїв для запобігання протіканню зварювальної ванни;

- проаналізувати обладнання транспортних систем існуючих ліній збирання та зварювання листових полотнищ і розробити принципи створення нових, універсальних систем, у тому числі:

- встановити механізми взаємодії лобової кромки листового полотнища з роликами при заходженні її на ролики і розробити розрахункові залежності для визначення основних параметрів непривідних роликових полів;

- удосконалити принципи проектування універсальних конструкцій кантувачів листових полотнищ і методики розрахунку їх окремих елементів;

- удосконалити принципи конструювання транспортних систем універсальних ліній збирання та автоматичного зварювання листових полотнищ, у тому числі, роликових полів, з використанням різних типів транспортуючого обладнання.

Об'єкт досліджень - спеціальне технологічне обладнання потоково-механізованих ліній збирання та зварювання листових полотнищ.

Предмет досліджень - діапазон універсальності спеціального технологічного обладнання ліній збирання та зварювання листових полотнищ, механізми і розрахункові залежності взаємодії контактуючих поверхонь різних полотнищ і елементів устаткування в процесі збирання, зварювання і транспортування лініями, принципи конструювання універсального обладнання ліній.

Методи досліджень. Теоретичні методи досліджень засновані на загальноприйнятих методиках визначення деформацій при вигині, методах теоретичної механіки і розрахунках опорів переміщенню механічного транспортного устаткування.

Практичні методи побудовані на різних універсальних методиках вимірювання деформацій, що супроводжують листові полотнища і листи при переміщуванні по роликових полях стендів лінії збирання та зварювання і рольгангах для переміщування листів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Отримав подальший розвиток аналітичний спосіб визначення деформацій листів і листових полотнищ на основі диференціального рівняння зігнутої осі. Встановлено, що при переміщенні листового полотнища по непривідному роликовому полю ліній збирання та автоматичного зварювання, деформації його кромок обернено пропорційні квадрату товщини листа. Вперше розроблена залежність, в якій коефіцієнт товщини і властивостей матеріалу представлений через питому вагу, модуль нормальної пружності матеріалу і квадрат товщини листа, що дозволило розробити спрощені формули розрахунку деформацій кромок листів і листових полотнищ.

2. Вперше отримано рівняння критичного вильоту лобової кромки листового полотнища і представлені графічні залежності його рішення, що дозволяє визначати критичні параметри непривідних роликових полів ліній збирання та автоматичного зварювання листових полотнищ. Розроблені формули для визначення максимального кроку роликів і відстані між суміжними лавами роликів залежно від критичного вильоту лобової кромки.

3. Визначено коефіцієнт критичного прогину лобової кромки листового полотнища при його переміщенні по непривідному роликовому полю як відношення критичного прогину до діаметру ролика. Встановлено, що значення цього коефіцієнта знаходиться в межах 0,34 - 0,39 для полотнищ із листів різної товщини і матеріалів, що дозволяє визначати параметри непривідних роликових полів ліній збирання та автоматичного зварювання листових полотнищ спрощеним методом.

4. Встановлено, що додатковий опір переміщенню полотнища, який виникає при заходженні лобової кромки полотнища на ролики непривідного роликового поля ліній збирання та автоматичного зварювання, залежить від прогину лобової кромки у момент контакту із роликом та діаметру роликів і досягає максимального значення при критичному кроці роликів. Отримана формула для визначення величини додаткового опору, що дозволяє визначати потужність приводів пристроїв, які транспортують полотнища, з урахуванням повного опору переміщенню.

Практичне значення отриманих результатів. Вдосконалені принципи проектування і розрахункові залежності дозволяють визначати основні параметри універсального технологічного обладнання ліній збирання та зварювання листових полотнищ.

Це, у свою чергу, дозволяє створювати конструкції універсальних стендів збирання та зварювання, кантувачів, транспортних систем, у тому числі - роликових полів потокових механізованих ліній, що характеризуються високою продуктивністю при збиранні та автоматичному зварюванні полотнищ обичайок будь-яких котлів залізничних вагонів-цистерн і контейнерів-цистерн.

Основні результати досліджень використані при розробці проектів, виготовленні і впровадженні у виробництво вагонобудування ВАТ «Азовмаш» діафрагмових підйомних флюсових подушок, валкового транспортуючого пристрою і роликових полів трьох ліній збирання та зварювання листових полотнищ обичайок котлів з річним економічним ефектом 127,55 тис. грн.

Основні положення дисертаційної роботи можуть бути використані при конструюванні аналогічного обладнання в суднобудуванні, для установок рольгангів і роликових полів з обладнанням для обробки листів і знімних вантажозахоплюючих пристосувань для транспортування листів.

Теоретичні висновки і результати практичних досліджень використані в учбовому процесі при вивченні технологічного обладнання для виготовлення листових полотнищ студентами кафедри обладнання і технології зварювального виробництва ПДТУ при дипломному проектуванні.

Особистий вклад здобувача. Особистий вклад автора відображено в наступних положеннях, винесених на захист:

1. Автором самостійно вдосконалені принципи проектування обладнання транспортних систем ліній збирання та зварювання листових полотнищ обичайок котлів залізничних вагонів-цистерн і контейнерів-цистерн (у тому числі - кантувачів полотнищ) і універсальних стендів збирання та зварювання полотнищ (у тому числі - флюсових подушок) для створення універсального обладнання, що забезпечує одночасно зварювання 4-х стиків полотнища з максимальною продуктивністю і високою якістю.

2. Автором самостійно розроблені залежності прогину звисаючих кромок від товщини листів і властивостей матеріалу. Виконані дослідження характеру взаємодії лобової кромки листового полотнища з роликами. Запропоновано рівняння критичного вильоту лобової кромки при її заході на ролики непривідного роликового поля і формули для визначення критичного кроку роликів і максимальної відстані між суміжними рядами роликів. Виведений коефіцієнт

критичного прогину лобової кромки.

3. Безпосередньо автором досліджений характер додаткового опору переміщенню листових полотнищ по непривідному роликовому полю. Встановлена залежність його величини від прогину лобової кромки і діаметру роликів. Розроблений алгоритм визначення основних параметрів непривідних роликових полів.

4. Автор брав активну участь в розробці програми експериментів, проведенні експериментів, узагальненні та аналізі отриманих результатів за визначенням прогину кромок листів, а також в розробці конструкторської документації і у впровадженні у виробництво ВАТ «Азовмаш» результатів досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення дисертаційної роботи докладалися на 10 науково-технічних всеукраїнських і міжнародних конференціях: «Університетська наука - 2007, 2008, 2009 і 2010» (м. Маріуполь), «Математичне моделювання і інформаційні технології в зварці і споріднених процесах» (с. Кацивелі, 2008), «Зварювання та споріднені процеси і технології» (м. Миколаїв, 2008), «Зварка і споріднені технології - в третє тисячоліття» (м. Київ, 2008), «Зварювання та споріднені технології» (м. Київ, 2009), «Зварювальне виробництво в машинобудуванні: перспективи розвитку» (м. Краматорськ, 2009), «Проблеми зварки, споріднених процесів і технологій» (м. Миколаїв, 2009).

Публікації. За темою дисертації видано 22 публікації, у тому числі:

- 8 статей у фахових виданнях ВАК України;

- 10 тез доповідей науково-технічних конференцій;

- 4 патенти України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг роботи - 187 сторінок. Дисертація містить 73 малюнки, 11 таблиць, список використаних джерел із 145 найменувань, 5 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкриті суть і зміст проблеми, обґрунтовано актуальність науково-технічного завдання. Приведена загальна характеристика дисертаційної роботи. Сформульовані мета та завдання досліджень, визначені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів. Обґрунтовано вибір об'єкту і предмету досліджень. Приведені дані про особистий вклад претендента, апробацію результатів роботи, публікації, структуру і обсяг дисертації.

В першому розділі виконаний аналіз літературних джерел, сучасного стану технології і спеціального технологічного обладнання виготовлення шляхом збирання та зварювання листових полотнищ обичайок котлів залізничних вагонів-цистерн і контейнерів-цистерн.

В другому розділі приведені результати досліджень факторів, що визначають діапазон універсальності спеціального технологічного обладнання і основних параметрів непривідних роликових полів ліній збирання та автоматичного зварювання листових полотнищ.

Універсальність ліній збирання та зварювання листових полотнищ обичайок котлів залізничних вагонів-цистерн і контейнерів-цистерн в даній роботі розглядається як спроможність одночасного автоматичного зварювання всіх стиків полотнища з листів різної ширини і довжини, транспортування і кантування зварених полотнищ різних розмірів по лінії. Внаслідок дослідження факторів, які визначають розміри листових полотнищ і листів в обичайках котлів залізничних вагонів-цистерн і контейнерів-цистерн, встановлено, що ширина листів може змінюватися від 1,0 до 3,2 м, довжина листів (ширина полотнищ) - від 4,6 до 9,8 м, довжина полотнищ - від 6,3 до 10,68 м.

Роликове поле, яким листове полотнище переміщується в процесі виготовлення із стенду на стенд, перетворює стенди, що стоять окремо, на потоково-механізовану лінію. В той же час, від конструкції роликового поля залежить не тільки діапазон універсальності ліній, але і спроможність проведення на них зварювальних робіт. Особливо це актуально для стендів з великою насиченістю обладнання, насамперед - для стендів автоматичного зварювання першої сторони листових полотнищ.

При переміщенні листового полотнища по роликовому полю лобова кромка полотнища у міру сходу з роликів і бічні кромки під дією власної ваги прогинаються на величину f_c, відхиляючись вниз від спільної площини транспортування. Для визначенні прогину кромок, що звисають при транспортуванні, представимо частину полотнища із звисаючою лобовою кромкою у вигляді балки на двох шарнірних опорах із консольним вильотом, навантаженої по всій довжині рівномірно розподіленим навантаженням - власною вагою.

При цьому, виходячи з вирішення диференціального рівняння зігнутої осі (пружної лінії) графоаналітичним методом, для даної схеми навантаження максимальний прогин f_c і кут повороту перерізу и_c рівні:

=; (1)

; (2)

де M_fc - фіктивний згинальний момент, що створює прогин, Нм³; Q_fc - фіктивна поперечна сила, що створює прогин, Нм²; q - навантаження від ваги полотнища, рівномірно розподілене по довжині (a+l), Н/м; а - відстань між опорами (роликами), на яких полотнище лежить при прогині лобової кромки, м; l - виліт лобової кромки, м; Е - модуль нормальної пружності, Н/м²; J - момент інерції перерізу розрахункової балки, м⁴.

Провисання листового полотнища між рядами роликів можна звести до двох основних схем провисання між двома крайніми рядами роликів: з консольним вильотом бічної кромки і без нього. Розрахункова схема і формули деформацій кромок між двома крайніми рядами роликів з консольним вильотом бічної кромки такі ж, як і при визначенні прогину консольно звисаючої лобової кромки. Для визначення провисання між двома крайніми рядами роликів за відсутності консольно звисаючої бічної кромки представимо цю частку полотнища як балку, що лежить на шарнірній опорі (крайній ряд роликів) і затиснену з протилежного кінця (найближчий і подальші ряди роликів), навантажену рівномірно розподіленим навантаженням (власною вагою) і моментом в затисканні. При цьому максимальний прогин (провисання) лобової кромки f_n між опорами для даного випадку:

. (3)

З отриманих формул видно, що деформації під дією власної ваги лобової кромки полотнища прямо пропорційні 4-му (кут повороту перерізу 3-му) ступеню вильоту (прольоту між опорами), залежать від властивостей матеріалу листів і обернено пропорційні квадрату товщини листів полотнища. При цьому в кожну з трьох формул входить відношення питомої ваги матеріалу листів до модуля нормальної пружності і квадрата товщини листа - г/Еh², однакове для листів конкретної товщини із заданого матеріалу при розрахунку всіх трьох видів деформацій. Позначимо це відношення як К_ТМ - коефіцієнт товщини і властивостей матеріалу. При цьому формули (1), (2) і (3) наберуть вигляду:

 (4)

(5)

. (6)

Результати практичних вимірів прогинів лобової кромки для листів завтовшки 4, 6 і 8 мм із сталі 09Г2С показують їх суттєвий збіг з теоретичними значеннями. Розходження цифр пояснюється неможливістю точного врахування властивостей матеріалу і нерівномірністю їх розподілу за об'ємом листів, врахування нерівномірності товщини і кривизни листів і похибкою вимірів. Розходження цифр пояснюється також тим, що формули для визначення деформацій листів виведені на основі диференціального рівняння зігнутої осі, яке є наближеним.

Значно зменшує розбіжності результатів практичних вимірів прогинів і розрахованих за виведеними формулами теоретичних значень введення у формулу безрозмірного емпіричного коефіцієнта К_Э=(2/l_М), що враховує зміну прогинів при великих переміщеннях:

f_CКэ = f_С К_Э = ; (7)

де l_М - безрозмірна величина, чисельно рівна довжині вильоту в метрах, при якому визначається прогин.

Прогини, розраховані по формулі (7), і відхилення від них фактичних вимірів (рис.1) показують, що виведення формул деформацій кромок листових полотнищ під дією власної ваги при транспортуванні по лініях збирання та зварювання можна вважати за правильне.

Рис. 1. Результати практичних вимірів деформацій кромок листів із сталі 09Г2С товщиною 4, 6 і 8 Ч 10^-3 м; 1 і 2 - графіки залежностей прогинів f_c і провисань f_n, побудовані по виведених формулах; червоний - колір умовних позначень практичних вимірів прогинів f_c, синій - колір умовних позначень практичних вимірів провисань f_n.

Можливість плавного заходу лобової кромки полотнища на ролик при транспортуванні його збиральними і зварювальними стендами визначається положенням лінії дії, яка виникає в точці контакту реакції від зусилля переміщення і що проходить в площині, перпендикулярній торцю кромки, що прогнулася, по дотичній до неї. Для надійного заходу полотнища на ролик лінія дії сил повинна проходити по дотичній до діаметру цапфи (внутрішньому діаметру підшипника) ролика або вище за нього (рис. 2).

Прогини лобових кромок листових полотнищ, при яких лінія дії сил проходить по дотичній до діаметру цапфи ролика, а також вильоти кромок і кроки роликів, при яких утворюються дані прогини, є критичними, тобто граничними, при яких можливий нормальний захід лобової кромки полотнища на ролики.

Визначення критичних параметрів виконується виходячи з умови взаємодії лобової кромки полотнища з роликом (рис. 3), при цьому:

Рис.2. Схема положень лобової кромки полотнища при заході на ролик: 1- підшипник; 2 - диск ролика; 3 - лобова кромка листового полотнища; С - точка контакту лобової кромки з диском; fc - прогин лобової кромки; dn - внутрішній діаметр підшипника; Dp - діаметр диска ролика.	Рис. 3. Розрахункова схема для визначення критичних вильотів лобової кромки листів і листових полотнищ: 1 - полотнище; 2 - рівень транспортування.

; (8)

де D_р - діаметр диска ролика по кругу катання, м; - кут з трикутника АОС.

= ; (9)

де l_Т - теоретичний виліт (без врахування емпіричного коефіцієнта прогину Кэ); К_l = - безрозмірний емпіричний коефіцієнт вильоту.

При практичних значеннях критичних вильотів від 0,7 до 2,5 м величина К_l змінюється від 0,77 до 1,05. З урахуванням цього, для спрощення рішення поставленої задачі значення емпіричних коефіцієнтів К_Э і К_l умовно приймаємо рівним одиниці. Замінивши виліт l на х як невідому величину, розділивши обидві частки рівняння на , позначивши як К та перетворивши рівняння (8) отримаємо:

=0. (10)

Отримане рівняння є рівнянням критичного вильоту. При рішенні його графічним методом (рис. 4), точка перетину цих графіків по осі абцис дає нам значення критичного вильоту l_кр лобової кромки полотнища, при якому вона при контакті з роликом має критичний прогин f_кр .

Маючи значення критичних вильотів l_кр, використовуючи графіки залежностей прогинів f_c лобової кромки листового полотнища від її вильоту l (рис. 5) або формулу прогину лобової кромки набуваємо значень критичних прогинів f_кр лобової кромки полотнища.

Рис. 4. Графік вирішен-ня рівняння (10) для листів із сталі 09Г2С товщиною 8Ч10^-3 м і ро-ликів діаметром (100, 120, 160, 200, 250, 280, 320, 360)Ч10^-3 м.

Максимальна відстань між рядами роликів визначається графічно (рис. 5) або з формули прогинання (6). Оскільки критичні прогини консольно звисаючих кромок і провисання лобової кромки мають бути не більші однієї і тої ж величини, з їх рівності отримаємо співвідношення L_кp і l_кp:

=; L_кp = 2,62 l_кp . (11)

Максимально допустимий (критичний) крок роликів S_max :

(12)

Рис. 5. Схема визначення критичних прогинів f_кр лобової кромки і максимальних відстаней між рядами роликів L_max полотнищ із сталі 09Г2С товщиною 8Ч10^-3 м і роликів діаметром (100, 120, 160, 200, 250, 280, 320, 360)Ч10^-3м

Розділивши критичний прогин f_кp на зовнішній діаметр ролика D_p, отримаємо величину, що практично не змінюється, - коефіцієнт критичного прогину:

. (13)

Конструктивні значення коефіцієнта критичного прогину для різної товщини і діаметрів роликів знаходяться в межах 0,34 - 0,39 (рис.6).

Рис.6. Діаграма зміни коефіцієнта критичного прогину K_fkp лобової кромки полотнищ із сталі 09Г2С товщиною (4, 6, 8, 10, 12, 16)Ч10^-3 м.

При цьому формула для розрахунку величини критичного вильоту l_kp:

. (14)

При переміщенні листових полотнищ по роликах непривідного роликового поля в лініях збирання та зварювання полотнищ приводи транспортуючих пристроїв долають опір, прямо пропорційний вазі полотнища і залежний від параметрів роликів. Проте, при заходженні лобової кромки полотнища на ролики, на відміну від плавного переміщення колеса по рейці, відбувається стрибок - з'являється додатковий опір, що досягає макси-муму при установці роликів з кроком близьким до критичного (рис. 7).

Рис. 7. Схема дії сил при контакті лобової кромки полотнища з роликом при її критичному прогині

Додатковий опір переміщенню полотнища W_С складається з двох складових: опору від обертання роликів - W_R і опору горизонтальному переміщенню полотнища при контакті лобової кромки з роликами - W_Г .

Wс = W_R + W_Г. (15)

; (16)

де f - коефіцієнт тертя в цапфах роликів; d - діаметр цапф роликів, м; µ - коефіцієнт тертя кочення, м; K_R - коефіцієнт додаткового опору переміщенню від обертання роликів при заході лобової кромки полотнища на ролики; r_p - радіус осі ролика (внутрішній радіус підшипника), м; R_p - радіус роликів по кругу катання, м.

 W_Г = Q_R sinв = Q (cosб) cos (б + и) = QK_Г ; (17)

де К_Г - коефіцієнт додаткового горизонтального опору переміщенню при контакті лобової кромки полотнища з роликами; и - кут повороту торцевої площини лобової кромки при її критичному прогині.

При цьому:

Wс =Q ( К_R + К_Г) = Q К_С (18)

де К_С - коефіцієнт повного додаткового опору переміщенню при заході лобової кромки полотнища на ролики.

Результати розрахунку цього коефіцієнта показують, що додатковий опір переміщенню листових полотнищ при заходженні лобової кромки полотнища на ролики, встановлені з кроком близьким до критичного, складає 94% - 96% від основного. При цьому коефіцієнт опору переміщенню від обертання роликів - не більше 2%, а тривалість дії повного додаткового опору складає 5% - 13% від часу циклу залежно від діаметру роликів. Це дозволяє точніше розрахувати потужність приводів пристроїв, що транспортують полотнища по лініях збирання та зварювання, і знизити енерговитрати.

Прийнявши деякі спрощення для формул (16), (17) і (18) (К_R~0; и~0; б~ш), отримаємо спрощену формулу коефіцієнта додаткового опору для розрахунку його величини при прогинах лобової кромки полотнища менших критичних:

= cos² . (19)

З урахуванням того, що при мінімальних діаметрах роликів 100Ч10^-3 м і їх цапф - 25Ч10^-3 м кут дорівнює 14°-18°, а кут (+) дорівнює 16°-20°, використовувати дану формулу можна в діапазоні значень = 20°-90°, що цілком достатньо для практичних розрахунків. Виразивши значення через прогин лобової кромки (рис. 7), отримаємо формулу коефіцієнта додаткового опору залежно від прогину лобової кромки полотнища:

= cos² =; (20)

де: f - прогин лобової кромки полотнища менше критичного, м.

Графікдає можливість, крім того, легко уточнювати допустимий прогин лобової кромки залежно від прийнятого допустимим для конкретного випадку коефіцієнта додаткового опору переміщенню (рис. 8).

Рис. 8. Залежність коефіцієнта додаткового опору від прогину лобової кромки f листового полотнища.

Уточнений допустимий прогин є базою для визначення таких основних параметрів непривідних роликових полів як крок роликів і відстань між рядами роликів.

Розроблений алгоритм визначення основних параметрів непривідних роликових полів для переміщення листових полотнищ по лініях їх збирання та зварювання: кроку роликів і відстані між їх суміжними рядами.

В третьому розділі досліджені шляхи вдосконалення основних принципів проектування універсального обладнання стендів збирання та автоматичного зварювання листових полотнищ. При цьому обгрунтовано, що основним принципом створення обладнання для механізованого збирання протяжних стиків листових полотнищ, яке забезпечує необхідну якість збирання, є притиснення кромок двох листів які стикуються одночасно зверху до жорсткої основи стенду одним і тим же притиском. В цьому випадку кромки завжди автоматично виставлятимуться в одній площині при збиранні листів однакової товщини або в межах різниці товщин при збиранні листів різної товщини. Встановлено, що при збиранні довгих (до 10-12 метрів) стиків зварних швів листових полотнищ необхідно притискувати кромки в будь-якому місці по довжині стику, для чого притиск має бути пересувним.

При вдосконаленні принципів розробки конструкцій універсальних стендів автоматичного зварювання листових полотнищ встановлено, що вони повинні забезпечувати можливість одночасного зварювання всіх стиків полотнища з листів різної (що змінюється при зміні виробу) ширини в межах діапазону від 1м до 3,2м. При цьому відстані між осями електродів зварювальних автоматів і флюсових подушок повинні змінюватися плавно, а частину зварювальних автоматів необхідно встановлювати на пересувних порталах. В стендах зварювання першої сторони в комплексі з пересувними порталами необхідно встановлювати пересувні флюсові подушки. Отвори, які утворюються в основі стендів, необхідно закривати роликовим полем, що змінюється по ширині. Виходячи з цих принципів розроблена конструкція універсального двомісного стенду автоматичного зварювання першої сторони листових полотнищ

(рис. 9), призначеного для одночасного автоматичного зварювання 4-х стиків першої сторони 2-х полотнищ з листів шириною від 0,7м до 3,2м під шаром флюсу на флюсових подушках (або в середовищі захисних газів на металевих підкладках).

Рис. 9. Універсальний стенд автоматичного зварювання першої сторони листових полотнищ: 1 - пересувний зварювальний портал; 2 - стаціонарний зварювальний портал; 3 - пересувна підйомна флюсова подушка; 4 - стаціонарна підйомна флюсова подушка ; 5 - зварювальний автомат; 6 - рама стенду; 7 - стаціонарне роликове поле; 8 - секція пересувного роликового поля.

При дослідженні та вдосконаленні принципів розробки діафрагмових флюсових подушок була виявлена потреба в додаткових механізмах підйому (опускання) жолобів з флюсом для транспортування полотнищ над флюсовими подушками без дії на підготовлений до зварювання флюс, гарантувавши тим самим якість зварних з'єднань.

Встановлено, що найбільш оптимальними для експлуатації механізмами підйому жолоба з флюсом є пневмошлангові (рукавні) механізми з чотирма, попарно розміщеними по вертикалі (у два яруси) рукавами, що відзначаються значними зусиллями і компактністю (рис. 10).



Рис. 10. Подушка флюсова діафрагмова пневматична підйомна: 1 - жолоб для флюсу; 2 - флюс; 3 - пневмокамера; 4 - блок діафрагми; 5 - рукав пневматичний; 6 - роздільник; 7 - кожух; 8 - опорна балка.

В четвертому розділі досліджені напрямки вдосконалення принципів конструювання обладнання транспортних систем універсальних ліній збирання і автоматичного зварювання листових полотнищ.

Основною вимогою до універсальних кантувачів листових полотнищ є забезпечення обертання на 180° полотнищ усіх типорозмірів з мінімальними енерговитратами. При цьому привід кантувача при роботі повинен долати мінімальні навантаження, для чого полотнища всіх типорозмірів повинні фіксуватися в оптимальному положенні їх центру тяжіння відносно осі обертання рами. З цією метою двоопорні кантувачі з нерухомою віссю обертання рами необхідно оснащувати пересувними упорами, що контактують з лобовою кромкою листового полотнища. Упори, що синхронно переміщаються від центрального приводу, зупиняють будь-яке полотнище в кантувачу так, щоб його центр тяжіння знаходився на відстані від осі обертання рами, при якій здійснюється взаємне урівноваження полотнища і пересувних упорів, що знижує потрібні для кантування крутильні моменти і потужність приводу (рис. 11).

Рис.11. Схема універсального кантувача листових полотнищ: 1 - рама кантувача; 2 - роликове поле; 3 - валковий привідний пристрій переміщення полотнищ; 4 - листове полотнище; 5 - пересувний упор; 6 - привід переміщення пересувних упорів; О - вісь обертання рами; С₁ - центр ваги пересувного упора; С₂ - центр ваги полотнища; h - товщина полотнища.

Для визначення параметрів установки різних полотнищ в кантувачі з метою взаємній компенсації крутильних моментів від їх ваги і ваги пересувних упорів в роботі виведені відповідні формули.

Аналіз технології збирання та зварювання листових полотнищ, роботи обладнання транспортних систем різних по конструкції стендів і ліній полотнищ в цілому показує, що оптимальне роликове поле універсальної лінії має бути змішаним по рухливості: підйомним в стенді збирання полотнищ і непідйомним у всіх подальших стендах, розсувним в зоні рухливих флюсових подушок стенду зварювання першої сторони полотнищ і стаціонарно встановленим в решті всіх стендів лінії. Для стенда збирання листових полотнищ найбільш оптимальною конструкцією роликового поля є ролики, встановлені на подовжніх щодо транспортного потоку підйомних балках. Розсувне роликове поле з непідйомними роликами в універсальному стенді автоматичного зварювання першої сторони встановлюється в зоні отворів, що змінюються по ширині в процесі налаштування стенду, по обидві сторони від кожної пересувної флюсової подушки, (рис. 12).

Рис.12. Непідйомне розсувне роликове поле і флюсові подушки.

За відсутності роли-кового поля в цих отворах вони стануть нездоланною перешкодою для переміщення будь-якого полотнища.

Проведеними дослідженнями встановлено, що якнайкращим способом переміщення листових полотнищ при невеликих (до 0,3 м/с) швидкостях по непривідних роликових полях є штовхання полотнища з торця одночасно в двох місцях, симетричних відносно його поздовжній осі. Найбільш оптимальне для цієї мети встановлення паралельних шлеперних візків з центральним приводом, що забезпечують переміщення полотнищ різної ширини. При цьому шлеперні візки мають бути з подовженими спареними штовхачами-захоплювачами для того, щоб доштовхувати полотнища в перехідних зонах.

Для переміщення полотнищ через отвори установки флюсових подушок і розсувного роликового поля, де неможлива установка іншого обладнання, найбільш прийнятними є розташовані за отворами привідні валкові пристрої, що складаються з нижніх стаціонарних непривідних і верхніх привідних з центральним приводом підйомних валків. Такі ж пристрої найбільш ефективні і при встановленні їх в кантувачах для забезпечення подачі і видачі (на певну відстань) листових полотнищ. У розділі викладені основні принципи розробки оптимальної транспортної системи універсальної лінії збирання та автоматичного зварювання листових полотнищ.

В п'ятому розділі приведена технічна пропозиція реконструкції ліній збирання та зварювання полотнищ ВАТ «Азовмаш» з метою перетворення їх в універсальні. Пропозицію розроблено на основі вдосконалених в дисертації принципів проектування. Показані підсумки впровадження створеного за результатами роботи обладнання (роликових полів, флюсових подушок, валкового транспортуючого пристрою) з річним економічним ефектом 127,55 тис. грн.

Приведені напрями практичного використання результатів роботи в різних галузях машинобудування при реконструкції існуючих ліній збирання та зварювання листових полотнищ, розробці нового обладнання, а також установок непривідних і привідних рольгангів різних пристроїв для обробки листів, знімних вантажозахоплюючих пристроїв для транспортування листів, в науково-педагогічній діяльності.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-практичної задачі виробництва залізничних вагонів-цистерн і контейнерів- цистерн відповідно сучасним вимогам до спеціального технологічного обладнання вагонобудування - забезпечення випуску виробів з високою продуктивністю і доброю якістю при частих змінах їх номенклатури.

Запропоновані вдосконалені принципи проектування обладнання універсальних потоково-механізованих ліній збирання та автоматичного зварювання листових полотнищ обичайок котлів з використанням різних типів транспортних систем, представлені аналітичні вирази для розрахунку їх окремих параметрів.

2. Показано, що універсальність володіючих максимальною продуктивністю ліній збирання та зварювання листових полотнищ обичайок котлів залізничних вагонів-цистерн і контейнерів-цистерн необхідно розглядати як спроможність забезпечення одночасного автоматичного зварювання всіх стиків полотнища з листів різної ширини.

3. На підставі досліджень встановлено, що при переміщенні листових полотнищ по роликовому полю ліній збирання та зварювання деформації під дією власної ваги консольно звисаючих лобової і бічних кромок, лобової кромки листового полотнища, яке провисає між роликами, обернено пропорційні квадрату товщини листа. Розроблена залежність, в якій питома вага матеріалу, модуль нормальної пружності і квадрат товщини листа представлені через коефіцієнт товщини і властивостей матеріалу, однаковий для всіх видів деформацій. З врахуванням цього виведені формули для визначення деформацій кромок листів і листових полотнищ.

4. З використанням виведеного коефіцієнта визначено поняття критичних деформацій кромок листових полотнищ і виведено рівняння для визначення критичного вильоту консольно звисаючої лобової кромки при переміщенні полотнища по роликовому полю, формули критичного кроку роликів і співвідношення критичного вильоту та відстані між суміжними рядами роликів при рівності деформацій.

5. Запропонований і визначений коефіцієнт критичного прогину K_fkp як відношення критичного прогину лобової кромки листового полотнища до діаметру ролика, відносно до якого розрахований цей прогин, і встановлені його конструктивні числові значення, рівні 0,34 - 0,39.

6. На підставі досліджень встановлено, що при заходженні консольно звисаючої лобової кромки на ролики непривідного роликового поля полотнище зазнає додатковий опір переміщенню, практично рівний основному при розташуванні роликів з максимальним кроком. Виведена формула залежності коефіцієнту додаткового опору від прогину лобової кромки.

7. Обґрунтований як основний принцип збирання стиків зварювальних швів листових полотнищ - принцип одночасного притиснення двох кромок листів, які стикуються, зверху до жорсткої основи стенду одним і тим же притиском в будь-якому місці по довжині стику.

8. Запропонована конструкція універсального стенду автоматичного зварювання першої сторони листових полотнищ, що забезпечує одночасне зварювання чотирьох стиків з листів шириною від 0,7 до 3,2 м. При цьому налаштування стенду на зварювання полотнищ нових розкроїв здійснюється без зупинки виробництва і переробок обладнання. Флюсові подушки такого стенду виконані з діафрагмовим підтиском флюсу безпосередньо до зварюваного стику і пневмошланговим (з встановлених попарно в два яруси чотирьох рукавів) механізмом підйому (опускання) жолоба з флюсом.

9. Показано, що при кантуванні листових полотнищ в універсальних лініях збирання та зварювання для зменшення крутильних моментів і потужності приводів обертання рам полотнища в кантувачах необхідно врівноважувати відносно осі обертання рами пересувними упорами.

10. Внаслідок досліджень визначено, що непривідне роликове поле універсальних ліній збирання та зварювання листових полотнищ необхідно виконувати на підшипниках кочення підйомним в зоні стенду збирання полотнищ і непідйомним у всіх подальших стендах, розсувним в зоні рухливих флюсових подушок стенду зварювання першої сторони полотнищ і стаціонарно встановленим у всіх інших місцях лінії.

11. Показано, що як транспортуючі пристрої найефективніше застосовувати комбінації установок паралельних безперервно штовхаючих шлеперних| візків з центральними приводами і привідних валкових пристроїв, встановлених в зоні розсувного роликового поля стенду автоматичного зварювання першої сторони полотнищ і в кантувачі полотнищ.

12. Запропоновані в роботі принципи проектування універсального технологічного обладнання ліній збирання та зварювання листових полотнищ і методики розрахунків використані в ВАТ «Азовмаш» при модернізації трьох ліній збирання і автоматичного зварювання листових полотнищ з річним економічним ефектом від впровадження 127,55 тис. грн. Ці принципи також можуть бути застосовані при конструюванні аналогічного обладнання в суднобудуванні, для установок рольгангів і роликових полів з різним обладнанням для обробки листів і знімних вантажозахоплюючих пристроїв для транспортування листів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у науково-технічних виданнях ВАК України:

1.Коросташевский П.В. Выбор основных параметров стендов автоматической сварки листовых полотнищ обечаек котлов в крупносерийном производстве // Вiсник Приазовського державного технічного університету. - Маріуполь,

2006. - №16. - С. 171 - 175.

2. Коросташевский П.В., Войцеховский Е.В., Луцкий М.Б. Анализ технологии и оборудования для сборки под сварку листовых полотнищ обечаек котлов железнодорожных вагонов-цистерн // Сборник научных трудов Донбасского государственного технического университета. - Алчевск, 2006. - №21. - С. 115 - 121.

3. Роянов В.А., Коросташевский П.В. Выбор параметров роликового поля линий сборки и сварки тонколистовых полотнищ // Автоматическая сварка. - 2007. - №7. - С. 19 - 24.

4. Роянов В.А., Коросташевский П.В. Выбор параметров рукавов пневмошланговых механизмов специального технологического оборудования сварочного производства // Вiсник Приазовського державного технічного університету. - Маріуполь, 2007. -№17. - С. 146 - 149.

5. Роянов В.А., Коросташевский П.В. Определение оптимального соотношения шага роликов и расстояния между смежными рядами роликов транспортных систем линий сборки и сварки тонколистовых полотнищ // Вісник Приазовського державного технічного університету. - Маріуполь, 2008. - №18. - С. 184 - 187.

6. Коросташевский П.В., Роянов В.А. Совершенствование методики расчета конструкции кантователей линий сборки и сварки листовых полотнищ // Вісник Приазовського державного технічного університету. - Маріуполь, 2009. - №19. - С. 181 - 184.

7. Роянов В.А., Коросташевский П.В. Определение дополнительных сопротивлений перемещению листовых полотнищ по неприводному роликовому полю линий сборки и сварки // Автоматическая сварка.-2010. - №2. - С.46 - 51.

8. Роянов В.А., Коросташевский П.В. Принципы конструирования оборудования транспортных систем универсальных линий сборки и сварки листовых полотнищ // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії: - Краматорськ, 2010. - №2(19). - С. 245 - 250.

Патенти України на корисні моделі:

9. Пат. 20105 Україна, МПК В23К 37/04. Пристрiй для запобiгання протiкання зварювальної ванни / Коросташевський П.В. - № u2006 07180; заявл. 27.06.2006; опубл. 15.01.2007, Бюл. №1.

10. Пат. 20106 Україна, МПК В23К 37/04. Пристрiй для зварювання листових полотнищ / Коросташевський П.В. - № u2006 07181; заявл. 27.06.2006; опубл. 15.01.2007, Бюл. №1.

11. Пат. 28159 Україна, МПК В65G 39/04. Ролик / Коросташевський П.В., Роянов В.О., Тарасенко Г.С. - № u2007 08643; заявл. 27.07.2007; опубл. 26.11.2007, Бюл. №19.

12. Пат. 32090 Україна, МПК В23К 37/04. Установка для зварювання листових полотнищ / Коросташевський П.В., Роянов В.А., Нікітченко С.П., Готовченко І.В. - № u2007 09907; заявл.04.09.2007; опубл. 12.05.2008, Бюл. №9.

Тези доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях:

13. Коросташевский П.В., Роянов В.А. Совершенствование конструкций специального технологического оборудования для серийного производства тонколистовых полотнищ обечаек котлов железнодорожных вагонов-цистерн // Университетская наука -- 2007. Тезисы докладов. - Мариуполь: ПГТУ, 2007. - Т. 2. - С. 109.

14. Коросташевский П.В., Роянов В.А. Разработка универсального оборудования для сборки и сварки тонколистовых полотнищ обечаек котлов // Университетская наука -- 2008. Тезисы докладов. - Мариуполь: ПГТУ, 2007. - Т. 2. - С. 4 - 5.

15. Коросташевский П.В., Роянов В.А. Определение основных параметров роликовых полей линий сборки и сварки тонколистовых полотнищ // «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах». Сборник тезисов докладов. - Киев: ИЭС имени. Е.О. Патона НАН Украины, 2008. - С. 56.

16. Коросташевский П.В., Роянов В.А. Определение основных конструктивных параметров и разработка универсального стенда для сварки полотнищ обечаек котлов железнодорожных вагонов-цистерн // «Зварювання та споріднені процеси і технології». Матеріали конференції. - Миколаїв: НУК імені адмірала Макарова, 2008. - С. 136 - 137.

17. Коросташевский П.В., Роянов В.А. Специальное технологическое оборудование линий сборки и сварки тонколистовых полотнищ // «Сварка и родственные технологии - в третье тысячелетие». Сборник тезисов стендовых докладов. - Киев: ИЭС имени Е.О. Патона НАН Украины, 2008. - С. 77 - 78.

18. Роянов В.А., Коросташевский П.В. Методика уравновешивания вращающихся масс в кантователях универсальных линий сборки и сварки листовых полотнищ // «Университетская наука -- 2009». Тезисы докладов. - Мариуполь: ПГТУ, 2009. - Т. 2. - С. 151 - 152.

19. Коросташевский П.В., Роянов В.А. Разработка универсального оборудования для кантовки листовых полотнищ в линиях их сборки и сварки // «Зварювання та споріднені технології». Матеріали конференції. - Київ: ІЕЗ імені Є.О. Патона НАН України, 2009. - С. 176.

20. Роянов В.А., Коросташевский П.В. Принципы конструирования оборудования транспортных систем универсальных линий сборки и сварки листовых полотнищ // «Сварочное производство в машиностроении: перспективы

развития». Материалы конференции. - Краматорск: ДГМА. - 2009.- С. 59 - 60.

21. Коросташевский П.В., Роянов В.А. Особенности конструкции оборудования для транспортировки листовых полотнищ по универсальным линиям их сборки и сварки // «Проблемы сварки, родственных процессов и технологий». Материалы конференции. - Николаев: НУК имени адмирала Макарова, 2009. - С. 59 - 60.

22. Роянов В.А., Коросташевский П.В. О дополнительных сопротивлениях перемещению листовых полотнищ по неприводному роликовому полю // «Университетская наука -- 2010». Тезисы докладов. - Мариуполь: ПГТУ, 2010. - Т. 2. - С. 132.

Крім того, отримане рішення Українського інституту промислової власності про видачу патенту на корисну модель «Кантувач листових полотнищ». Заявка на отримання патенту «Потокова механізована лінія збирання та зварювання листових полотнищ» знаходиться на розгляді в тому ж інституті.

У наведених роботах автору належить таке:

У роботі [2] автором запропоновано принцип збирання довгих зварювальних стиків листів. У роботах [3, 5, 15] автором встановлено характер деформацій, розрахункові схеми та формули для визначення основних параметрів непривідних роликових полів, у тому числі, розроблено рівняння критичного вильоту лобової кромки листа (листового полотнища).

У роботі [4] автором запропоновані схеми установки рукавів в механізмах підйому флюсових подушок. У роботах [6, 18, 19] автором запропоновано принцип врівноваження листових полотнищ при їх кантуванні та конструктивні і розрахункові схеми установки пересувних упорів в кантувачах листових полотнищ. У роботах [7, 22] автором виявлено додатковий опір переміщенню листових полотнищ та розроблено формулу для його визначення в залежності від прогину лобової кромки та діаметру роликів. У роботах [13, 14, 16, 17] автором запропоновано принципи конструкції універсального стенду автоматичного зварювання листових полотнищ в цілому та його елементів. У роботах [8, 20, 21] автором розроблені основні принципи проектування транспортних систем універсальних ліній збирання та зварювання листових полотнищ, а також непривідних роликових полів и транспортуючих засобів. У патентах [11, 12] і заявках на отримання патентів автором розроблено основні конструктивні схеми та формули винаходів.

Роботи [1, 9, 10] опубліковані без співавторів.

АНОТАЦІЯ

Коросташевський П.В. Удосконалення принципів проектування універсального технологічного обладнання ліній збирання та зварювання листових полотнищ. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06. - Зварювання та споріднені процеси і технології. - Приазовський державний технічний університет, Маріуполь, 2010.

Дисертація присвячена удосконаленню принципів проектування універсального технологічного обладнання ліній збирання і автоматичного зварювання листових полотнищ обичайок котлів залізничних вагонів-цистерн і контейнерів-цистерн.

У роботі визначений необхідний діапазон універсальності спеціального технологічного обладнання ліній, досліджений характер деформацій кромок листових полотнищ при їх транспортуванні по непривідному роликовому полю, виведені формули деформацій кромок з урахуванням емпіричного коефіцієнта прогину листів. Досліджені механізми взаємодії лобової кромки листового полотнища з роликами при заході її на ролики непривідного роликового поля і виведено рівняння критичного вильоту лобової кромки, розроблені формули для визначення критичних параметрів роликового поля: максимального кроку роликів і максимальної відстані між суміжними рядами роликів. Виведений коефіцієнт критичного прогину і встановлені його конструктивні значення.

...