Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2008, № 1

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

ИЗВЕСТИЯ 

ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 

УНИВЕРСИТЕТА

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Выпуск 1

Издательство ТулГУ

Тула 2008

УДК 621.002.5;656;623.094:623.4

Известия ТулГУ. Технические науки. Вып.1. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. 
– 263 с.

Рассматриваются научно-технические проблемы в области машино
строения и машиноведения, новые технологии и оборудование для обработки металлов давлением и резанием, управления качеством.

Материалы предназначены для научных работников, преподавателей 

вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в области технических наук.

Редакционный совет

М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, В.А. АЛФЕРОВ, И.А. БАТАНИНА,
О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, В.С. КАРПОВ, Р.А. КОВАЛЕВ, А.Н. 
ЧУКОВ, Е.А. ФЕДОРОВА, А.А. ХАДАРЦЕВ

Редакционная коллегия

О.И. Борискин (отв. редактор), А.Н. Чуков (зам.отв.редактора), Р.А. 

Ковалев (зам.отв.редактора), В.С. Карпов (зам.отв.редактора), Е.П. Поляков, В.В. Прейс, П.Г. Сидоров, А.С. Ямников, А.Е. Гвоздев, И.Е. Андреев, 
А.А. Фомичев, Е.А. Макарецкий, В.М. Степанов, А.А. Трещев, Н.А. 
Шульженко, И.С. Булычев 

Подписной индекс 27851
по Объединенному каталогу «Пресса России»

«Известия ТулГУ» входят в перечень
ведущих научных журналов и изданий,
выпускаемых в Российской Федерации,
в которых должны быть опубликованы 
научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора наук

ISBN 978-5-7679-1292-6

©

©

Авторы научных статей, 2008

Издательство ТулГУ, 2008

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.9:663.5.002.5
В.В. Голубенко, В.В. Прейс (Тула, ТулГУ),
Е.С. Голубенко, П.П. Шпаков (Тула, ООО «Первый Купажный Завод»)

РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ЦИКЛОВОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ 
РОТОРА РОЗЛИВА ВОДОК

Рассматривается инженерная методика расчета и анализа производительно
сти ротора розлива водок, которая может быть использована как на стадии проектирования новых конструкций роторов, так и для выявления резервов повышения производительности при их модернизации.

Основным функциональным устройством автоматических ротор
ных линий для фасовки пищевых жидкостей, в том числе водок является 
ротор розлива, схема которого изображена на рис. 1.
Ротор розлива состоит из резервуара для водки 1, снабженного устройством регулировки уровня его заполнения 2, системы регулирования 4
высоты карусели 6, подъемных столиков 5, разливочных патронов 3, основания 7, системы копиров 9 привода подъема и опускания столиков, зубчатого колеса 8 привода вращательного движения ротора.
В соответствии с логической циклограммой работы ротора (рис. 2) 
длительность кинематического цикла ротора

всп
осн
ц
t
t
T


, (1)
где tосн – время выполнения операций, необходимых для выполнения технологического предназначения машины; tвсп – время выполнения вспомогательных операций для выполнения технологического предназначения 
машины и операций по обслуживанию механизмов машины.
Основное время

п.п
з.к
н.б
п.с
п.п
осн
5
0
5
0
t
,
t
t
t
t
,
t





, (2)
где tп.п – время приёма - передачи бутылки на рабочую позицию; tп.с – время поднятия стола; tн.б – время наполнения бутылки жидкостью; tз к. – время закрытия клапана.

Т    
р    
у    
б    
о    
п    
р    
о    
в    
о    
д    п    
о    
д    
а    
ч    
и    в    
о    
д    
к    
и    

Т    
р    
у    
б    
о    
п    
р    
о    
в    
о    
д    п    
о    
д    
а    
ч    
и    
с    
ж    
а    
т    
о    
г    
о    в    
о    
з    
д    
у    
х    
а    

1

2

3

4

5

6
7

8

9

Рис. 1. Схема ротора розлива водки

Время вспомогательного хода

п.п
х.х
п.п
всп
5
0
5
0
t
,
t
t
,
t



,
(3)

где tх.х – время «холостого» хода ротора.
Время приема - передачи бутылки tп.п[c] определим по формуле

60
П
2
360
п.п
п.п
ц
п.п




h
S
Т
t

,
(4)

где φп.п – угол совместного поворота транспортного и технологического 
ротора, на котором происходит прием - передача бутылки, град.; Sп.п =
=2Dбут– длина дуги, образованной углом φп.п, м; Dбут – диаметр бутылки, м;

h – минимальный шаг ротора, м; 

ц

60
П
Т

– цикловая производительность 

ротора, шт./мин. 
Время подъема столика с бутылкой в соответствии с циклограммой

3
2
1
п.с
t
t
t
t



,
(5)

где t1 – время перемещения S1 до торца дозатора; t2 – время перемещение 
S2 до торца клапана; t3 – время перемещения S3 до открытия клапана.
В роторах розлива не предусмотрены фиксирующие устройства, которые жестко закрепляют бутылку на подъемном столике. Это накладывает некоторые ограничения на режимы подъема и опускания бутылки. 
При подъеме бутылки к торцу клапана необходимо подавать бутылку с минимальной скоростью, так как возможны небольшие смещения 
бутылки в горизонтальной плоскости, что в момент контакта может способствовать перекосу бутылки, преждевременному открытию клапана дозатора, вплоть до повреждения бутылки или дозирующего устройства.
Во время доставки бутылки к торцу клапана скорость и ускорения 
могут достигать максимальных значений, так как при незначительных перекосах они будут исправляться, используя в качестве направляющей дозирующий патрон. Если в течение этого времени произойдет преждевременное открытие дозирующего клапана, то вытекающая жидкость попадет 
непосредственно в бутылку. Касание торцов бутылки и клапана должно 
быть безударным и происходить на минимальной скорости.
При проектном расчете встает вопрос о выборе закона движения 
для подъема бутылки к дозатору. Для выполнения всех вышеперечисленных ограничений можно использовать как закон движения с ускорением, 
меняющимся по косинусоиде, так и закон движения с ускорением, меняющимся по синусоиде. Синусоидальный закон движения предпочтителен 
для применения, так как при его использовании в начале и конце перемещения стола получаем нулевые скорости и ускорения, что позволяет использовать траекторию подъема с максимальным углом подъема, значительно уменьшающим длину окружности копира [1].
Время подъема стола с бутылкой tп.с [с]

п.с

п.с
п.с
j
S
b
t



,
(6)

где bп.с – коэффициент изменения ускорения; S – суммарное перемещение 
стола с бутылкой, м; jп.с – ускорение движения, м/с2.
Для синусоидального закона bп.с = 6,3 – симметричный закон движения, bп.с = 4,2 – несимметричный закон движения.

Рис. 2. Логическая циклограмма работы ротора розлива

В дальнейших расчетах формула (6) не отражает зависимость времени подъема стола с бутылкой от производительности линии. Для связи 
этих двух характеристик можно предложить следующую модель, в которой будут оговорены некоторые допущения [2].
Допустим, что развертка профиля кулачка на участке подъема будет 
представлять собой прямую линию, расположенную с некоторым углом 
к горизонту. Время подъема столика по данной траектории

v
l
t

п.с
,
(7)

где 


tg
S
l 
– длина отрезка копира, соответствующего интервалу подъема 

столика, м; tgα – тангенс угла наклона профиля копира; 
60
Пh
v 
– скорость, 

с которой ролик проходит данный участок копира, м/с.
После подстановки получим



tg
П
60
п.с
h
S
t

.
(8)

С учетом (6) и (8) время подъема столика по данной траектории 
должно отвечать неравенству




tg
П
60
п.с
п.с

п.с
h
S
t
j
S
b


.
(9)

Время наполнения бутылки

1
о
1

доз
н.б
2
π
2
μ
gH
R

V
t

,
(10)

где Vдоз – объем дозируемой жидкости, м3; μ1 – коэффициент расхода; Rо –
радиус отверстия истечения водки, м; Н1 – напор жидкости в дозаторе, м.
Время холостого хода

ц
х.х
х.х
360 Т
t


,
(11)

где 
х.х

- угол «холостого» хода ротора, определяемый исходя из компоновки ротора с транспортными звездочками линии.
Тогда, длительность цикла рабочего ротора





























П
2
60
tg
П
60

2
π
2
μ
tg
П
60
П
2
60

360
360

п.п

1
o
1

доз
п.п

х.х
ц

h
S
h
S

gH
R

V

h
S
h
S

T










.
(12)

По предложенной методике были проведены расчеты и анализ цикловой производительности ротора розлива водки в бутылки объемом 
V = 0,2 л (диаметр бутылки Dбут = 49 мм). Минимальный шаг ротора 
h = 0,202 м . При расчете времени розлива приняли μ1 = 1,8; Н1 = 0,3 м; 
Rо = 8,2·10-3 м.
В результате проведенных расчетов было выявлено, что у рассматриваемого ротора розлива есть резерв повышения цикловой производительности на 10 % (с 46 до 51 шт./мин).
Предложенная инженерная методика расчета и анализа производительности ротора розлива может быть использована как на стадии проектирования новых конструкций роторов, так и для выявления резервов повышения производительности при их модернизации.

Библиографический список

1. Прейс В.В. Проектирование машин и аппаратов пищевых и перерабатывающих производств: учеб. пособие / В.В. Прейс. – Тула: Изд-во 
ТулГУ, 2005. – 156 с.
2. Клусов И.А. Проектирование роторных машин и линий / 
И.А. Клусов. – М.: Машиностроение, 1990. – 320 с.

Получено 17.01.08.

УДК 681.518.2
Г.Б. Куликов (Москва, МГУП)

МЕТОДИКА ДИАГНОСТИКИ ИЗНОСА 
ПАЗОВЫХ КУЛАЧКОВЫХ МЕХАНИЗМОВ

На примере механизма привода качающегося стола ниткошвейного автомата 
БНШ-6 показана возможность диагностирования технического состояния элементов 
привода полиграфических машин методами виброакустической диагностики с использованием искусственных нейронных сетей. На основании проведенных исследований 
предложена методика безразборной диагностики пазовых кулачковых механизмов полиграфических машин и даны рекомендации ее применению.

Кулачковые механизмы широко используются в полиграфическом 
оборудовании, их номенклатура насчитывает более 500 типоразмеров. 
Особую роль эти механизмы играют в ниткошвейных автоматах, так как от 
их состояния зависит качество выпускаемой продукции [1 - 3].

В качестве объекта исследования принята ниткошвейная машина 
БНШ-6, широко распространенная на полиграфических предприятиях. В 
приводе машины установлено девять кулачковых механизмов. Наиболее 
ответственным является механизм привода качающегося стола, так как 
точность его работы определяет основной показатель качества шитья блока ― расположение стежка относительно линии сгиба тетради. 
Особенностью кулачковых механизмов является жесткий кинематический цикл работы, определяющий последовательность контакта кинематических пар. Вибрация таких механизмов представляет собой последовательность импульсов, которые характеризуются значительной амплитудой, малой длительностью и высокочастотным заполнением. В качестве 
возмущающих сил выступают ударные и инерционные нагрузки, обусловленные законом периодического движения, погрешностью профиля кулачка и колебанием технологической нагрузки.
Причинами возникновения «жестких» ударов в кулачковых механизмах могут служить: ЗПД, имеющий разрыв в графике скорости; погрешности профиля, способные вызвать удар; недостаточное усилие пружины при силовом замыкании [2, 3].
Помимо «жестких» ударов в кулачковых механизмах в зависимости 
от выбранного закона движения могут быть так называемые «мягкие» удары, когда ЗПД имеют точки с конечными разрывами в графике ускорений. 
Эти законы вызывают мгновенные изменения ускорения ведомого звена, 
что приводит к ударам в подшипниках и в соединениях с люфтами. Таким 
законом, например, описывается профиль кулачка, составленный из дуг 
окружности. Кривизна профиля кулачка при этом изменяется скачкообразно. Соответственно ускорение ведомого звена, а следовательно, и его сила 
инерции также изменяются скачкообразно. 
Для оценки влияния отклонения профиля кулачка на его виброактивность 
можно 
воспользоваться 
зависимостью, 
предложенной 
В.Ф. Красниковым для определения дополнительного ускорения ведомого 
звена вследствие наличия погрешностей действительного профиля [1]:



,
tg
tg
]
)
S
R
(
a
3
[
R
cos
a
1
cos
V
n
2
o
N
V
sin
P
3
V
a
3

2
k

k
2
k

2



















где 
o
R — радиус начальной окружности кулачка;
N
R

— ошибка радиус–вектора профиля кулака;

S — высота подъема толкателя;
 — угол подъема профиля кулака;

k
V
— линейная скорость кулака;

a — ускорение ведомого звена;

dt
da

dt

V
d
P


2

2
— пульс, или производная от ускорения по времени;

 — угловая скорость кулака;

n


— ошибка угла подъема профиля кулака;



— ошибка радиуса кривизны профиля.
Доля первого слагаемого составляет 1–2 % от полной величины a
 .
Второе слагаемое, отражающее вклад погрешности угла давления, вносит 
4 – 5 % в 
a
 . Третье слагаемое, характеризующее форму погрешности 
профиля 
 , вносит более 94 % в a
 .
Таким образом, основным фактором, вызывающим дополнительное 
ускорение ведомого звена, а следовательно, и повышение уровня вибраций, является ошибка кривизны действительного профиля. Так как в процессе эксплуатации профиль изнашивается неравномерно, это вызывает 
еще большую динамическую нагрузку на механизм. В пазовых кулачковых 
механизмах к износу профиля добавляется износ ролика, поэтому оценивать приходится величину зазора в паре кулачок - ролик.
Для оценки влияния износа пары кулачок - ролик на виброактивность механизма на кафедре печатного и послепечатного оборудования 
МГУП на базе ниткошвейного автомата БНШ-6 был изготовлен экспериментальный макет. Макет представляет собой механизм привода качающегося стола, механизм проколок и станину с электродвигателем. Остальные 
механизмы для снижения помех были удалены. 
Качающийся стол машины БНШ-6 приводится в движение парой 
пазовых кулачков (рис. 1). Кулачки имеют технологические зазоры, необходимые для качения ролика толкателя по пазу. Эти зазоры в процессе 
эксплуатации машины увеличиваются вследствие износа профиля кулачка 
и ролика.

а
б
Рис. 1. Механизм качающегося стола
а — кинематическая схема; б — место установки датчика

Для исследования влияния износа пары кулак - ролик на виброактивность механизма было изготовлено 8 пар роликов с диаметрами, начиная от номинального 50,0 мм и далее по убывающей до 49,36 мм. Реальная