Частотные и угловые характеристики процесса затяжки резьбового соединения пневматическим гайковертом статического действия
Международная
публикация
А.
Н. ПотемкинБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Потемкин
А.
Н.,
Гордов
А.
А. Частотные и угловые характеристики процесса затяжки резьбового соединения пневматическим гайковертом статического действия // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
1896–1900. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54643.htm.
Аннотация. Представлены результаты исследования частотных и угловых характеристик процесса затяжки резьбовых соединений пневматическими гайковертами статического действия, позволяющие обеспечить минимальный разброс контролируемого параметра затяжки и требуемое качество сборки.
Ключевые слова:
ротационный пневматический двигатель, пневматический гайковерт, угловая скорость ротора, угловые параметры переходного процесса
Текст статьи
Потемкин Алексей Николаевич,доцент кафедры Теоретическая и прикладная механика” ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУ, Пензаpan580@yandex.ru
Гордов Александр Александрович,студент факультета Промышленных технологий ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУ, Пензаgordov_94@mail.ru
Частотные и угловые характеристики процесса затяжки резьбового соединения пневматическим гайковертом статического действия
Аннотация.Представлены результаты исследованиячастотных и угловых характеристик процесса затяжки резьбовыхсоединенийпневматическимигайковертамистатического действия, позволяющие обеспечитьминимальный разброс контролируемого параметра затяжки и требуемое качество сборки.Ключевые слова:пневматическийгайковерт, ротационный пневматический двигатель, угловая скоростьротора, угловые параметры переходного процесса
Применяемый при сборке резьбовых соединений РС механизированный резьбосборочный инструмент гайковерты, винтоверты и т.п., наряду с обеспечением высокой скорости выполнения сборочной операции, должен обеспечивать требуемое качество сборки. Однако изза нестабильности создаваемого гайковертом крутящего момента, различного состояния поверхностей соединяемых крепежных деталей и влияния прочих факторов, моментзатяжки РС не является величиной постоянной [1, 2]. Разброс момента затяжки , для гайковертов статического действия достигает [1], чтодля ответственных РС неприемлемо.Рассмотрим особенности процесса затяжки РС гайковертом статического действияс ротационными пневматическими двигателями РПД, основываясь на зависимости момента затяжки ()от временис позиции обеспечениякачества сборки.Зависимости, характеризующие процесс затяжки РС с позиции формирования качества сборкипредставлены на рисунке 1.Участок ОАсоответствует стадии наживления РС, которая реализуется за время , когда происходит выборка зазоров и первоначальное обжатие стыка соединяемых деталей. Участок АВсоответствует стадии затяжки PC.Точка С, на продолжении кривой АВ, соответствует началу текучести более мягкого” материала элементов PC. Исходя из минимально допустимой величиной запаса прочности и принимая верхний предел напряжения затяжки как [1], затяжку PCследует ограничить временем . В этом случае требуемый момент затяжки РС будет обеспечен.На практике, в условиях механизированной сборки, переходные процессы в рабочих камерах пневматического двигателя гайковерта и наличие инерционной составляющей, зависящей от конструктивныхособенностей РПД, могут нарушить однозначную взаимосвязь между угловой скоростью ротора и развиваемым крутящим моментом[2, 3]. Это может привести к несогласованности формируемой рабочей характеристики РПД, и как следствие, к существенным динамическим перепадам скорости вращения двигателя гайковерта по сравнению с его расчетной согласованной характеристикой.В результате точка , на согласованной характеристикерисунок 1, изменит свое положение на или на несогласованных характеристиках, что приведет к изменению величины момента .Нестабильность рабочей характеристики двигателя гайковерта, при его динамическом взаимодействии с затягиваемым РС, в свою очередь, повлияет на положение точки
рисунок 1, изменив ее на или
и приведет к разбросу момента затяжки.Заметим, что обеспечениесогласованности работы двигателя гайковерта статического действия во время переходного процесса, соответствующего затяжке РС,и обеспечение минимальногоразброса момента затяжки
за счет совершенствования конструктивных параметров двигателя гайковерта, описанов работе [3], однако частотные изменение угловой скорости и угловыенабег угла характеристики процесса не были определены, а, следовательно, этот вопрос требует дополнительного рассмотрения.
Рисунок 1 Зависимости, характеризующие процесс затяжки РС с позиции формирования качества сборки:1 –характеристика затяжки РС;2 –несогласованная рабочая характеристика РПД;3 –согласованная рабочая характеристика РПД
На первом этапе исследованияполучим уравнение, описывающее динамическую взаимосвязь РПД гайковерта с затягиваемым РС.Напомним, что уравнение движения ротора РПД гайковерта имеет вид [4, 5]:,
(1)где –момент инерции вращающихся масс, приведенный к ротору;, –соответственно текущий угол поворота ротора и его угловая скорость;
–движущий момент;
–момент сил сопротивления, действующий на ротор.Момент надинамической характеристике РПДпри действии внешней нагрузки, то есть приего динамической взаимосвязи с затягиваемым РС,запишетсяв виде[4, 5]:,
(2)Всоответствиис зависимостями, представленныминарисунке1,примем:,.Здесь
–момент на двигателе гайковерта в начале процесса затяжки РС после стадии наживления РСи первоначального обжатия стыка соединяемых деталей;
–моментсопротивлениясоответствующий окончанию стадии наживления РС;
и –коэффициенты жесткости механической характеристики двигателя гайковерта и нагрузки РСсоответственно;
–угловая скорость вращения роторашпинделя гайковерта.Тогда уравнение 2)примет вид:.
(3)Окончательно процесс затяжки РС пневматическим гайковертом с РПД может быть представлен в виде дифференциального уравнения:.
(4)После перехода к усредненному значению момента инерции вращающихся частей гайковерта, получим:,
(5)Здесь , ,
представляют собой постоянные, не зависящие от времени и угловой скорости.
На второмэтапе исследованияопределим частотные характеристики процесса затяжки РСгайковертомстатического действия с РПД.После введения обозначений:
и и преобразований, уравнение (5 примет вид:.
(6)Тогда решение уравнения (6 при начальном условии
будет получено в виде:,
(7)где –начальное значение угловой скорости вращения ротора РПД, соответствующее началу процесса затяжки РС.Поскольку нас интересует переходный процесс до полной остановки РПД гайковерта, что соответствует окончанию затяжки РС, то приняв в уравнении (7) значение ,решение будет получено в виде:.
(8)За время переходного процесса РПД примем временной отрезок, когда угловая скорость составит 5% от начального значения . Окончательно получаем:.
(9)На основании вышеизложенного, линеаризованное выражение для угловой скорости вращения ротора двигателя гайковерта,при затяжкеРС до момента
будет представлено в виде: .
(10)Зависимость, характеризующая изменение угловой скорости ротора двигателя гайковерта,за время переходного процесса соответствующего затяжке РС, и её линеаризация представлены на рисунке 2.
Рисунок 2 –Зависимость, характеризующая изменениеугловой скорости ротора двигателя гайковерта при затяжке РСи ее линеаризация
На третьемэтапе исследованияопределим угловыехарактеристики процесса затяжки РСпневматическим гайковертом.
Имея зависимость, характеризующую изменение угловой скорости рисунок 2, определим угловые параметры, то есть набег угла за время переходного процесса соответствующего затяжке РС:. (11)Следовательно, при затяжке РС, за времяпереходного процесса, получаем следующий набег угла:.
(12)Линеаризованную характеристику можно вычислить по угловому коэффициенту прямой, аппроксимирующей заданную нелинейную характеристику:,
(13)где
.Полученная характеристика может быть использована при расчете момента затяжки РС и при переходе от угловых параметров к частотным. Зависимость, характеризующая изменение угловых параметров при затяжке РС и её линеаризацияпредставлены на рисунке 3.
Рисунок 3–Зависимость, характеризующая изменениеугловых параметров процессазатяжкиРС пневматическим гайковертоми ее линеаризация
Полученные зависимости характеризуют процесс затяжки РС пневматическим гайковертом статического действия, характеризуетданный процесс с точки зрения на формированияпоказателей качества сборки –т.е. обеспечения требуемой величины
и минимального разброса момента затяжки . Результаты исследования могут быть использованы при разработке средств активного контролязатяжки РС.
Ссылки на источники1. Ланщиков А.В., Моисеев В.Б. Технология и оборудование автоматизированной сборки резьбовых соединений: Монография. –Пенза: Издво Пенз. Гос. унта, 1999. –216 с.2. Потемкин А.Н. К вопросу обеспечения точности и уменьшении разброса усилий затяжки групповых резьбовых соединений в условиях механизированной сборки // Научнометодический журнал. XXIвек:Итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. Серия: Технические науки. Пищевые производства. –Пенза: ПГТА. Выпуск № 6 10, 2013. –С. 161 1663. Потемкин А.Н., Кулишенко С.А. Повышение качества сборки резьбовых соединений за счет изменения конструктивных параметров сборочного оборудования. // Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства. Научнотехнический семинар, посвященный 70летию кафедры Технология машиностроения” и 110летию со дня рождения Ф.С. Демьянюка. –Москва: МГТУ МАМИ. 2009. –С. 133 –1384. Герц Е. В. Динамика пневматических систем машин. –М., Машиностроение, 1985. –256 с.5. Зеленецкий С. Б., Рябков Е. Д., Микеров А. Г. Ротационные пневматические двигатели. –Л., Машиностроение Ленингр. отделениение, 1976. –240 с.
Potemkin Alexey Nikolaevichassociate professor "Theoretical and applied mechanics" FGBOU VPO "Penza state technological university", PENZGTU, PenzaGordov Alexander Aleksandrovichstudent of faculty of Industrial technologies FGBOU VPO "The Penzastate technological university", PENZGTU, PenzaFrequency and angular characteristics of process of an inhaling of carving connection pneumatic gaykoverty static actionAbstract.Results of research of frequency and angular characteristics of process of an inhaling of carving connections pneumatic gaykoverty the static action, allowing to provide the minimum dispersion of controlled parameter of an inhaling and demanded quality of assembly are presented.Keywords:pneumatic gaykovert, rotational pneumatic engine, angular speed of a rotor, angular parameters of transient
Гордов Александр Александрович,студент факультета Промышленных технологий ФГБОУ ВПО "Пензенский государственный технологический университет", ПензГТУ, Пензаgordov_94@mail.ru
Частотные и угловые характеристики процесса затяжки резьбового соединения пневматическим гайковертом статического действия
Аннотация.Представлены результаты исследованиячастотных и угловых характеристик процесса затяжки резьбовыхсоединенийпневматическимигайковертамистатического действия, позволяющие обеспечитьминимальный разброс контролируемого параметра затяжки и требуемое качество сборки.Ключевые слова:пневматическийгайковерт, ротационный пневматический двигатель, угловая скоростьротора, угловые параметры переходного процесса
Применяемый при сборке резьбовых соединений РС механизированный резьбосборочный инструмент гайковерты, винтоверты и т.п., наряду с обеспечением высокой скорости выполнения сборочной операции, должен обеспечивать требуемое качество сборки. Однако изза нестабильности создаваемого гайковертом крутящего момента, различного состояния поверхностей соединяемых крепежных деталей и влияния прочих факторов, моментзатяжки РС не является величиной постоянной [1, 2]. Разброс момента затяжки , для гайковертов статического действия достигает [1], чтодля ответственных РС неприемлемо.Рассмотрим особенности процесса затяжки РС гайковертом статического действияс ротационными пневматическими двигателями РПД, основываясь на зависимости момента затяжки ()от временис позиции обеспечениякачества сборки.Зависимости, характеризующие процесс затяжки РС с позиции формирования качества сборкипредставлены на рисунке 1.Участок ОАсоответствует стадии наживления РС, которая реализуется за время , когда происходит выборка зазоров и первоначальное обжатие стыка соединяемых деталей. Участок АВсоответствует стадии затяжки PC.Точка С, на продолжении кривой АВ, соответствует началу текучести более мягкого” материала элементов PC. Исходя из минимально допустимой величиной запаса прочности и принимая верхний предел напряжения затяжки как [1], затяжку PCследует ограничить временем . В этом случае требуемый момент затяжки РС будет обеспечен.На практике, в условиях механизированной сборки, переходные процессы в рабочих камерах пневматического двигателя гайковерта и наличие инерционной составляющей, зависящей от конструктивныхособенностей РПД, могут нарушить однозначную взаимосвязь между угловой скоростью ротора и развиваемым крутящим моментом[2, 3]. Это может привести к несогласованности формируемой рабочей характеристики РПД, и как следствие, к существенным динамическим перепадам скорости вращения двигателя гайковерта по сравнению с его расчетной согласованной характеристикой.В результате точка , на согласованной характеристикерисунок 1, изменит свое положение на или на несогласованных характеристиках, что приведет к изменению величины момента .Нестабильность рабочей характеристики двигателя гайковерта, при его динамическом взаимодействии с затягиваемым РС, в свою очередь, повлияет на положение точки
рисунок 1, изменив ее на или
и приведет к разбросу момента затяжки.Заметим, что обеспечениесогласованности работы двигателя гайковерта статического действия во время переходного процесса, соответствующего затяжке РС,и обеспечение минимальногоразброса момента затяжки
за счет совершенствования конструктивных параметров двигателя гайковерта, описанов работе [3], однако частотные изменение угловой скорости и угловыенабег угла характеристики процесса не были определены, а, следовательно, этот вопрос требует дополнительного рассмотрения.
Рисунок 1 Зависимости, характеризующие процесс затяжки РС с позиции формирования качества сборки:1 –характеристика затяжки РС;2 –несогласованная рабочая характеристика РПД;3 –согласованная рабочая характеристика РПД
На первом этапе исследованияполучим уравнение, описывающее динамическую взаимосвязь РПД гайковерта с затягиваемым РС.Напомним, что уравнение движения ротора РПД гайковерта имеет вид [4, 5]:,
(1)где –момент инерции вращающихся масс, приведенный к ротору;, –соответственно текущий угол поворота ротора и его угловая скорость;
–движущий момент;
–момент сил сопротивления, действующий на ротор.Момент надинамической характеристике РПДпри действии внешней нагрузки, то есть приего динамической взаимосвязи с затягиваемым РС,запишетсяв виде[4, 5]:,
(2)Всоответствиис зависимостями, представленныминарисунке1,примем:,.Здесь
–момент на двигателе гайковерта в начале процесса затяжки РС после стадии наживления РСи первоначального обжатия стыка соединяемых деталей;
–моментсопротивлениясоответствующий окончанию стадии наживления РС;
и –коэффициенты жесткости механической характеристики двигателя гайковерта и нагрузки РСсоответственно;
–угловая скорость вращения роторашпинделя гайковерта.Тогда уравнение 2)примет вид:.
(3)Окончательно процесс затяжки РС пневматическим гайковертом с РПД может быть представлен в виде дифференциального уравнения:.
(4)После перехода к усредненному значению момента инерции вращающихся частей гайковерта, получим:,
(5)Здесь , ,
представляют собой постоянные, не зависящие от времени и угловой скорости.
На второмэтапе исследованияопределим частотные характеристики процесса затяжки РСгайковертомстатического действия с РПД.После введения обозначений:
и и преобразований, уравнение (5 примет вид:.
(6)Тогда решение уравнения (6 при начальном условии
будет получено в виде:,
(7)где –начальное значение угловой скорости вращения ротора РПД, соответствующее началу процесса затяжки РС.Поскольку нас интересует переходный процесс до полной остановки РПД гайковерта, что соответствует окончанию затяжки РС, то приняв в уравнении (7) значение ,решение будет получено в виде:.
(8)За время переходного процесса РПД примем временной отрезок, когда угловая скорость составит 5% от начального значения . Окончательно получаем:.
(9)На основании вышеизложенного, линеаризованное выражение для угловой скорости вращения ротора двигателя гайковерта,при затяжкеРС до момента
будет представлено в виде: .
(10)Зависимость, характеризующая изменение угловой скорости ротора двигателя гайковерта,за время переходного процесса соответствующего затяжке РС, и её линеаризация представлены на рисунке 2.
Рисунок 2 –Зависимость, характеризующая изменениеугловой скорости ротора двигателя гайковерта при затяжке РСи ее линеаризация
На третьемэтапе исследованияопределим угловыехарактеристики процесса затяжки РСпневматическим гайковертом.
Имея зависимость, характеризующую изменение угловой скорости рисунок 2, определим угловые параметры, то есть набег угла за время переходного процесса соответствующего затяжке РС:. (11)Следовательно, при затяжке РС, за времяпереходного процесса, получаем следующий набег угла:.
(12)Линеаризованную характеристику можно вычислить по угловому коэффициенту прямой, аппроксимирующей заданную нелинейную характеристику:,
(13)где
.Полученная характеристика может быть использована при расчете момента затяжки РС и при переходе от угловых параметров к частотным. Зависимость, характеризующая изменение угловых параметров при затяжке РС и её линеаризацияпредставлены на рисунке 3.
Рисунок 3–Зависимость, характеризующая изменениеугловых параметров процессазатяжкиРС пневматическим гайковертоми ее линеаризация
Полученные зависимости характеризуют процесс затяжки РС пневматическим гайковертом статического действия, характеризуетданный процесс с точки зрения на формированияпоказателей качества сборки –т.е. обеспечения требуемой величины
и минимального разброса момента затяжки . Результаты исследования могут быть использованы при разработке средств активного контролязатяжки РС.
Ссылки на источники1. Ланщиков А.В., Моисеев В.Б. Технология и оборудование автоматизированной сборки резьбовых соединений: Монография. –Пенза: Издво Пенз. Гос. унта, 1999. –216 с.2. Потемкин А.Н. К вопросу обеспечения точности и уменьшении разброса усилий затяжки групповых резьбовых соединений в условиях механизированной сборки // Научнометодический журнал. XXIвек:Итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. Серия: Технические науки. Пищевые производства. –Пенза: ПГТА. Выпуск № 6 10, 2013. –С. 161 1663. Потемкин А.Н., Кулишенко С.А. Повышение качества сборки резьбовых соединений за счет изменения конструктивных параметров сборочного оборудования. // Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства. Научнотехнический семинар, посвященный 70летию кафедры Технология машиностроения” и 110летию со дня рождения Ф.С. Демьянюка. –Москва: МГТУ МАМИ. 2009. –С. 133 –1384. Герц Е. В. Динамика пневматических систем машин. –М., Машиностроение, 1985. –256 с.5. Зеленецкий С. Б., Рябков Е. Д., Микеров А. Г. Ротационные пневматические двигатели. –Л., Машиностроение Ленингр. отделениение, 1976. –240 с.
Potemkin Alexey Nikolaevichassociate professor "Theoretical and applied mechanics" FGBOU VPO "Penza state technological university", PENZGTU, PenzaGordov Alexander Aleksandrovichstudent of faculty of Industrial technologies FGBOU VPO "The Penzastate technological university", PENZGTU, PenzaFrequency and angular characteristics of process of an inhaling of carving connection pneumatic gaykoverty static actionAbstract.Results of research of frequency and angular characteristics of process of an inhaling of carving connections pneumatic gaykoverty the static action, allowing to provide the minimum dispersion of controlled parameter of an inhaling and demanded quality of assembly are presented.Keywords:pneumatic gaykovert, rotational pneumatic engine, angular speed of a rotor, angular parameters of transient
