Яруллин Мунир Гумерович. Интенсификация очистки изделий в погружных моечных машинах на базе пространственных механизмов

Краткое описание

Яруллин Мунир Гумерович. Интенсификация очистки изделий в погружных моечных машинах на базе пространственных механизмов : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.20.03 Казань, 2002 487 с. РГБ ОД, 71:02-5/513-7

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КАЗАНСКАЯ
ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ
На правах рукописи
ЯРУЛЛИН МУНИР ГУМЕРОВИЧ
УДК 631.3.033:621.629
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ОЧИСТКИ ИЗДЕЛИЙ
В ПОГРУЖНЫХ МОЕЧНЫХ МАШИНАХ НА БАЗЕ
ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ
Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического
обслуживания в сельском хозяйстве
Диссертация
на соискание ученой степени
доктора технических наук
еэшдиум ВАК России
присудил ученую стенеш» ДОКТОРА f ЧАУ0, наук
Начальник унравденияВАК России
Казань»2002
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ
ОЧИСТКИ ИЗДЕЛИЙ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 13
1.1. Общие сведения 13
1.2. Обзор существующих погружных моечных машин 19
1.2.1. Моечные машины без гидродинамических активаторов 22
1.2.2. Статические активаторы 22
1.2.3. Динамические активаторы 26
1.2.4. Комбинированные активаторы 36
1.3. Теория очистных процессов 37
1.4. Анализ преимуществ и недостатков активаторов погружных
моечных машин 40
1.5. Цели и задачи исследований 43
1.6. Выводы 45
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТРЁХМЕРНОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СПОСОБА ОЧИСТКИ ИЗДЕЛИЙ И ЕГО УСТРОЙСТВ 46
2.1. Обоснование трёхмерного гидродинамического способа
очистки изделий 46
2.2. Новые технические средства для осуществления трёхмерного
гидродинамического способа очистки изделий 59
2.2.1. Использование четырехзвенных механизмов 61
2.2.2. Использование пятизвенных механизмов 77
2.2.3. Использование шестизвенных механизмов 81
2.3. Теоретические исследования структуры базовых механизмов 85
2.4. Выводы
з
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТРЁХМЕРНОЙ
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ 94
3.1. Математическая модель для кинематических исследований
моечных машин с пространственными активаторами 95
3.1.1. Расчетная схема моечной машины для кинематических
исследований 96
3.1.2. Определение направляющих косинусов 98
3.1.3. Кинематика ведомого звена моечной машины 105
3.1.4. Кинематика платформы моечной машины 108
3.1.5. Кинематика характерных точек платформы и объекта
очистки ПО
3.1.6. Универсальная программа “UPKAMM” для кинематических
исследований активаторов моечных машин на базе пространственных механизмов 115
3.2. Математическая модель для гидродинамических исследований
моечных машин 121
3.2.. 1. Предварительные сведения 121
3.2.2. Поверхностные гидродинамические силы и моменты 124
3.2.2.1. Определение поверхностной гидродинамической силы 124
3.2.2.2. Определение поверхностного гидродинамического
момента 128
■ 3.2.3, Инерционные гидродинамические силы и моменты 133
3.2.3.1. Определение кинетической энергии жидкости 136
3.2.3.2. Определение составляющих инерционных
гидродинамических сил и моментов 140
3.2.4. Определение режима движения жидкости в моечной
машине с пространственным движением платформы 144
3.3. Математическая модель для силового и энергетического
анализов моечных машин 145
3.3.1. Определение реакций шарниров 147
3.3.2. Определение проверочного (уравновешивающего) момента 157
3.3.3. Определение потребной мощности привода активатора
моечных машин 161
3.3.4. Описание программы “SAMM” для гидродинамического
и силового анализов моечных машин 164
3.3.5. Исследование энергетических показателей моечной машины
с колеблющейся платформой 167
3.4. Выводы 171
ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 173
4.1. Цель, задачи и общая методика экспериментальных
исследований 173
4.2. Методика и технология экспериментов по исследованию
качества очистки 175
4.3. Лабораторная установка и исследования по обоснованию
конструктивных параметров моечных машин 180
4.4. Методика и стенд для определения КПД
механизмов активаторов моечных машин 186
4.5. Опытно- промышленная установка и исследования по
обоснованию её эксплуатационных параметров 188
4.5.1. Экспериментальные исследования качества очистки 193
4.5.2. Экспериментальные исследования энергозатрат 201
4.5.3. Определение оптимальных эксплуатационных
параметров и производительности моечной машины 206
4.6. Методика сравнительной оценки способов интенсификации
погружной очистки 208
4.7. Выводы 211
ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ 213
5.1, Результаты теоретических исследований и их анализ 213
5.1.1. Анализ результатов аналитических исследований
кинематических параметров 215
5.1.2. Результаты исследований влияния кинематических
параметров на качество очистки изделий 222
5.1.3. Анализ результатов аналитических исследований
гидродинамических параметров 225
5.1.4. Анализ результатов аналитических исследований
силовых и энергетических параметров 233
5.1.5. Результаты экспериментальной проверки теоретических
исследований 245
5.1.5.1. Результаты экспериментальной проверки теоретических
исследований кинематики звеньев устройств 245
5.1.5.2. Результаты экспериментальной проверки теоретических
исследований давлений в звеньях механизмов 246
5.2, Результаты экспериментальных исследований на
лабораторной установке 249
5.2.1. Обоснование выбора конструктивных параметров
моечных машин 249
5.2.2. Результаты сравнительных лабораторных
экспериментов 253
5.2.3. Результаты экспериментального исследования КПД базового
механизма активатора моечных машин 255
5.3, Результаты экспериментальных исследований на
опытно-промышленной установке 260
5.3.1. Результаты исследований качества очистки 260
5.3.2. Энергетические исследования. Сравнение
экспериментальных и теоретических результатов 270

5.3.3. Определение оптимальных эксплуатационных
параметров и производительности моечной машины 282
5.4. Результаты сравнительных исследований 294
5.4.1. Сравнение расчетных технических показателей 294
5.4.2. Результаты сравнительных производственных
экспериментов 296
5.5. Сравнительный анализ и оценка способов гидродинамической
интенсификации погружной очистки 299
5.5.1. Сравнительный анализ способов гидродинамической
интенсификации погружной очистки 299
5.5. Сравнительная оценка способов гидродинамической
интенсификации погружной очистки 308
5.6. Практические рекомендации по изготовлению моечных машин 315
5.6.1. Технология изготовления пространственных кривошипов
механизма активатора моечных машин 315
5.6.2. Технология сборки механизма моечной машины 319
5.7. Типовые моечные машины на базе пространственных механизмов 322
5.8. Выводы 328
ГЛАВА 6. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 333
6.1. Определение технико-экономических показателей
моечной машины 333
6.2. Практические рекомендации по проектированию и
использованию моечной машины 342
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 346
ЛИТЕРАТУРА 352
ПРИЛОЖЕНИЯ

Список литературы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. По результатам исследований конструкций и принципов работ погружных моечных машин для очистки изделий на ремонтных предприятиях предложена новая классификация гидродинамических способов интенсификации процесса погружной очистки по типу базовых механизмов активаторов машин. Анализ по ней показал, что в
■ существующих машинах в основном гидродинамика процесса очистки носит одномерный, а в лучшем случае двухмерный характер, поэтому очищающие способности активаторов моечных машин не в полной мере удовлетворяют требованиям потребителей прежде всего по качеству и равномерности очистки изделий, а также по энергоемкости процесса. Особенно плохо и неравномерно очищаются детали сложной конфигурации и узлы.
2. Теоретически обоснован трёхмерный гидродинамический способ интенсификации погружной очистки изделий путем сообщения объектам очистки сложного неравномерного пространственного движения в моющей жидкости, позволяющий повысить равномерность и качество очистки изделий сложной конфигурации более чем на 30 %.
Разработаны три типа моечных машин для осуществления трёхмерного гидродинамического способа интенсификации очистки изделий, использовав в качестве базовых механизмов активаторов процесса малоизученные пространственные механизмы особой структуры, техническая новизна которых защищены авторскими свидетельствами.
3. Теоретически получены математические модели механического воздействия моющего раствора на загрязненные поверхности объекта очистки при его сложном пространственном движении с учетом гидродинамических сил и моментов инерционного типа присоединенной массы жидкости. Установлено, что гидродинамическое воздействие моющей жидкости имеет следующие компоненты: поверхностные гидродинамические силы, в том числе силы лобового сопротивления и касательные силы сопротивления трению; поверхностные гидродинамические моменты; инерционные гидродинамические силы и моменты. Особенно эффективны для очистки гидродинамические силы и моменты инерционного типа, максимально использующие кинетическую энергию присоединеной моющей жидкости. Эти компоненты гидродинамического воздействия жидкости действуют в комплексе и имеют трёхмерный знакопеременный характер, что повышает интенсивность процесса, качество и равномерность очистки изделий сложной конфигурации.
4. Получены аналитические зависимости для кинематического, гидродинамического, силового и энергетического анализа моечных машин, по которым составлены программы для расчетов на ПК. Достоверность . аналитических зависимостей и расчетов проверены определением конечных показателей двумя различными независимыми теоретическими способами и экспериментальными исследованиями. В оптимальном режиме работы моечных машин основные расчётные показатели следующие:
а) кинематические: скорость цента масс объектов очистки - 0,5 ... 1,0 м/с, его ускорение - 4 ... 7,5 м/с2, угловая скорость платформы -1,1 ... 1,7 рад/с, угловое ускорение платформы -5 ... 10 рад/с ;
б) гидродинамические (средние на 1 м поверхности): поверхностные
гидродинамические силы - 270 Н, силы лобового сопротивления - 265 Н, касательной силы сопротивления трению жидкости - до 5,33 Н, инерционные гидродинамические силы - 1000 Н, поверхностные гидродинамические моменты - 330 Н*м и инерционные гидродинамические моменты - 170 Н м;
в) силовые (на 600 кг массы объекта очистки) максимальное пиковое значение силы реакции в шарнирах механизмов машин составляет до 6600 Н, среднее - 5350 Н. Свои максимальные значения силы достигают при а; =15° ... 20°. С точки зрения силового анализа, лучший режим работы моечных машин при условии а/<15°;
г) энергетические (на 600 кг массы объекта очистки): средняя потрбная мощность привода активатора моечной машины составляет 670 Вт.
5. Разработана методика определения оптимальных конструктивных, ' эксплуатационных параметров моечных машин и оценки различных
способов поиском таких параметров машин, при которых необходимое качество очистки изделий достигается при минимальных энергозатратах. Составлена программа расчетов но поиску оптимальных параметров на ПК.
6. Установлено влияние на качество очистки изделий и энергоемкость процесса конструктивных параметров базовых механизмов активаторов и обоснованы их значения: расстояние между осями шарниров платформы должно соответствовать габаритам объекта очистки; угол скрещивания осей шарниров кривошипов лежит в пределах от 10 до 15°; угол скрещивания осей шарниров шатуна (платформы) - 90°; КПД механизмов активаторов моечной машины составляет 0,95 ... 0,98.
Установлено влияние на качество очистки изделий и энергоемкость
процесса значений факторов режима эксплуатации моечных машин и
обоснованы их параметры: угловая скорость ведущего кривошипа со[ =5,5 ... . Р
6,5 рад/с (соответствует скорости цента масс объектов очистки - 0,5 - 1,0 м/с); продолжительность очистки t = 8 ... 10 мин., уровень моющего раствора в ванне 1,15 м (соответствует погружению объекта очистки в моющий раствор на 80 ... 90 %). Рекомендуемое моющее средство - МС - 37: рабочая концентрация 10 г/л, температура 60...75° С.
7. Разработана моечная машина с нижним расположением активатора (платформы) на базе четырехзвенника с тремя вращательными парами и одной парой “шар-цилиндр” с конструктивными параметрами угол скрещивания осей шарниров кривошипов - а = 10°, платформы - а2 = 90°, кратчайшее растояние между осями шарниров кривошипов -1; = 121,55 мм, платформы - 12 = 700 мм., предназначенная для очистки изделий сложной конфигурации и узлов массой до 1000 кг (а.с. № 1011416 СССР).
На опытной промышленной установке в производственных условиях экспериментально получены зависимости качества очистки и энергоемкости процесса от исследуемых эксплуатационных параметров режима работы моечной машины. Определены оптимальные значения этих параметров, обеспечивающие необходимое согласно стандарта, качество очистки изделий при минимальных энергозатратах. Так, при очистке корпусов трансмиссии тракторов в моющем растворе Лабомид-203 они таковы: рабочая концентрация 20 г/л, температура 80...850 С, уровень моющего раствора в ванне 1,15 м, периодичность смены раствора - через 41 час, угловая скорость ведущего кривошипа 5,25...6,25 рад/с, средняя скорость движения объекта очистки 0,8..Л,0 м/с. Продолжительность очистки до достижения соответствующего стандарту уровня не более 10 минут. При соблюдении указанных параметров режима энергоемкость процесса очистки корпусов 0,20...0,25 кВтч/шт, производительность машины 10 шт./час, общая себестоимость очистки одного корпуса -10,32 рублей.
X. Разработана моечная машина с автоматическим захватным
устройством и верхним расположением активатора на базе четырёхзвенника
с четырьмя вращательными парами с конструктивными параметрами для
очистки блоков двигателей: угол скрещивания осей шарниров кривошипов -
£
а = 15°, шатуна - аг= 90°, кратчайшее растояние между осями шарниров кривошипов - 1} = 51,76 мм, шатуна - h = 200 мм (а.с. 1330182 и а.с. 1333575 СССР). Установлены следующие эксплуатационные параметры: угловая скорость ведущего кривошипа -12... 15 рад/с, средняя скорость движения объекта очистки - 0,8...1,0 м/с, продолжительность очистки до достижения соответствующего стандарту уровня - не более 7,5 минут, уровень погружения объект очистки в моющий раствор - 0,8...0,9. При соблюдении указанных параметров режима энергоемкость процесса очистки блоков не более - 0,1 кВт*ч/шт, производительность машины - 7 шт./час.
Разработана моечная машина на базе четырёхзвенника с четырьмя вращательными парами с аналогичными конструктивными параметрами для очистки прецизионных и ответственных деталей (топливных насосов) сложной конфигурации массой до 100 кг (а.с. 1330182 СССР). Установлены следующие эксплуатационные параметры: угловая скорость ведущего
■ кривошипа - 15...20 рад/с, средняя скорость движения объекта очистки *
1,0. ..1,3 м/с, продолжительность очистки до достижения соответствующего стандарту уровня - не более 6 минут, коэффициент заполнения емкости - 0,75...0,8 при соблюдении указанных параметров режима энергоемкость процесса очистки - 0,05 кВт-ч/шт, производительность машины - 10 шт./час.
9. Определены наиболее важные технические показатели моечных машин с пространственными активаторами: качество очистки равномерное и составляет в среднем до 85,5 %, время очистки изделий - 8 ... 10 минут, энергоемкость очистки 1 м2 поверхности до требуемого стандартом уровня составляет 0,28 ... 0,6 кВт*ч/ м , удельная мощность для создания 1 Н/м касательных напряжении - 9,96 ... 27,6 Вт. Оценочный критерий качества способа очистки по ГОСНИТИ К° = 1,03; коэффициент поверхностного трения -0,016 ... 0,02; динамическая скорость - 0,05 ... 0,08 м/с; коэффициент удельной мощности - 195 ... 325 .
• 10. Способы интенсификации погружной очистки располагаются в следующем порядке возрастания минимальной энергоемкости процесса очистки до требуемого стандартом уровня: 1 - пространственные колебания деталей - 0,28 ... 0,6 кВт-ч/м2; 2 - маятниковые колебания деталей - 0,68 ... 0,93 кВт-ч/м ; 3- использование лопастного винта -1,89 кВт-ч/м ; 4 -
использование ротора-активатора - 2,05 кВт-ч/м2; 5 - окунание деталей с периодическим выносом их на поверхность моющего раствора - 2,33 кВт-ч/м2; 6 - прямолинейные возвратно-поступательные колебания деталей в моющем раствор - 2,85 кВт-ч/м .
11. На основании результатов исследований разработаны рекомендации по проектированию, технологии изготовления, сборке и эксплуатации этих моечных машин. Разработаны рабочие конструкторские документации, изготовлены и внедрены в производство три типа моечных машин с активаторами на базе пространственных механизмов в ремонтно¬технических предприятиях Республики Татарстан. Рекомендации и конструкторские документации по запросам переданы восьми
организациям. Рекомендации по анализу и оценке способов
гидродинамической интенсификации погружной очистки, компьютерные программы по исследованию кинематики и динамики пространственных механизмов, видеоматериалы и три действующие модели моечных машин используются в учебном процессе Казанской ГСХА, МГАУ и других вузах при изучении дисциплин “Надежность и ремонт машин”,
“Сельскохозяйственное машиностроение”, “Теоретическая механика” и “Теория механизмов и машин”.
Общий годовой экономический эффект от внедрения моечных машин с активаторами на базе пространственных механизмов в условиях Татарстана составляет более 900 тысяч рублей в ценах 2001 г.