Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2014, № 3

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение  
высшего профессионального образования  
 
«Тульский государственный университет» 
 

 
 
ISSN 2071-6168 
 
 
 
ИЗВЕСТИЯ  
ТУЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 
 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 
 
 
Выпуск 3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Тула 
Издательство ТулГУ 
2014 

ISSN 2071-6168 
 
 
УДК 621.86/87 
 
Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. 255 с.
 
Рассматриваются научно-технические проблемы машиностроения и 
машиноведения, технологии и оборудования обработки металлов давлением, цифровых технологий, полиграфического производства, управления, 
вычислительной техники и информационных технологий, транспорта, 
энергетики,  электроснабжения, электропривода, горного дела. 
Материалы предназначены для научных работников, преподавателей вузов, студентов и аспирантов, специализирующихся в проблематике 
технических наук. 
 
Редакционный совет 
 
М.В. ГРЯЗЕВ – председатель, В.Д. КУХАРЬ – зам. председателя, 
В.В. ПРЕЙС – главный редактор, А.А. МАЛИКОВ – отв. секретарь, 
И.А. БАТАНИНА, О.И. БОРИСКИН, В.И. ИВАНОВ, Н.М. КАЧУРИН, 
Е.А. ФЕДОРОВА, А.К. ТАЛАЛАЕВ, В.А. АЛФЕРОВ, Р.А. КОВАЛЁВ, 
А.Н. ЧУКОВ 
 
Редакционная коллегия 
 
О.И. Борискин (отв. редактор), А.А. Сычугов (зам. отв. редактора), 
Р.А. Ковалев (зам. отв. редактора), А.Н. Чуков (зам. отв. редактора),  
С.П. Судаков (выпускающий редактор), Б.С. Яковлев (отв. секретарь),  
И.Е. Агуреев, С.Н. Ларин, Е.П. Поляков, В.В. Прейс, А.Э. Соловьев 
 
 
Подписной индекс 27851 
по Объединённому 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 
 
 
© Авторы научных статей, 2014 
© Издательство ТулГУ, 2014 

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ 
 
 
 
УДК 658.562:621.9 
 
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ РОТОРНОГО БУНКЕРНОГО 
ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА С ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ВОРОНКОЙ 
ДЛЯ ТОНКИХ СТЕРЖНЕВЫХ ПРЕДМЕТОВ ОБРАБОТКИ 
 
А.О. Ионов, В.В. Прейс, В.Ю. Токарев 
 
Рассмотрены результаты экспериментальных исследований роторного бункерного загрузочного устройства с вращающейся воронкой специального профиля, 
предназначенного для захвата тонких стержневых предметов обработки с отношением длины к диаметру больше шести. На основе полученных результатов построены 
регрессионные модели фактической производительности роторного бункерного загрузочного устройства, позволяющие оценить её граничные значения в зависимости от 
кинематических параметров устройства. 
Ключевые слова: роторное бункерное загрузочное устройство, роторная система автоматической загрузки, стержневой предмет обработки, производительность, экспериментальные исследования. 
 
Бункерное загрузочное устройство (БЗУ) с вращающейся воронкой 
является эффективным техническим средством для захвата штучных 
стержневых предметов обработки формы тел вращения массой до 0,1 кг и 
максимальным габаритным размером до 0,1 м [1]. Конструкции БЗУ с подобными захватывающими органами имеют высокую производительность, 
просты по кинематике привода и обладают универсальностью, что обеспечивает создание на их основе эффективных многопозиционных роторных 
систем автоматической загрузки (САЗ) штучных предметов обработки в 
технологические системы роторных машин (ТС РМ) с производительностью от 200 до 1200 шт./мин [2 - 4]. 
При загрузке тонких стержневых предметов обработки с отношением габаритных размеров l/d > 6 (l – длина, d – наружный диаметр предмета 
обработки) и наружным диаметром d < 10 мм производительность одной 
рабочей позиции БЗУ с вращающейся воронкой значительно снижается. 

Поэто
требуе
габари
тает в
между
чайки 
жение

жены 
воронк
ности,
структ
сокие 
предм
меров 

римен
строен
теорет

ментал
БЗУ бы
телого
массой
0,4; ти
ритны
скольж

Ри

му для о
ется увели
итных раз
вероятнос
у внешней

бункера 

е эффекти

На осно
усоверше
ками [5, 6
, позволи
тивных па
значения
етов обра
l/d > 6, ди
Учитыва

нтальные 
нием регр
тических 
Методи

льных ис
ыли выбр
о стакана 
й m = 3,0
ипа сталь
ых размеро
жения по 
 

ис. 1. Чер

п

Известия

обеспечен
ичение чи
змеров си
ть заклин
й поверх
роторног

ивности ро
ове анали
енствован
6] и разра
вшие тео
араметро
я его про
аботки фо
иаметром
ая прибли
исследов
рессионны
положени

ика прове
сследован
раны два п
(рис. 1, а
0×10–3 кг,
ьного спл
ов 
1
/
=
d
l
стали μ =

а       

в        

ртежи (а
предмето

а, в – л
б, г – 

я ТулГУ. Те

ния задан
исла рабо
истемы в 
нивания т
хностью в
го БЗУ. В
оторных 
иза извест
нные конс
аботаны м
оретическ
в роторно
оизводите
ормы тел
м 
10
≤
d
м

иженный 
ания про
ых модел
ий [8, 9]. 
едения э
ний факт
предмета
а, в) с отн
, коэффиц
лошного с
10, массо
= 0,3.  

  
                

   
                
а, б) и фо
ов обрабо
латунны
стально

Технические

 

4

нной про
очих пози
поперечн
тонких ст
воронки и
Все это о
САЗ. 
тных техн
струкции 
математич
ки обосно
ого БЗУ, 
ельности 
л вращени
мм и высо

характер
изводите
лей являю
 
ксперим
тической 
а обработк
ношением
циентом 
стержня (
й m = 31,

  
               

  
               
тографи
отки форм
ый пустот
ой сплошн

е науки. 201

оизводите
иций, что 
ном сечен
тержневы
и внутрен
обусловли

нических
роторног
ческие мо
вать обла
обеспечи
при захв

ия с отнош
оким коэф
р математ
льности Б
ются осно

ентов. Д

произво

ки (рис. 1
м габаритн

трения ск
(рис. 1, б
0×10–3 кг

ии (в, г) т

мы тел в
телый ст
ной стер

14. Вып. 3 

ельности 
приводи
нии. Кром
ых предм
нней пов
ивает зна

х решений
го БЗУ с 
одели их 
асти суще
ивающих 
вате тонк
шением г
ффициент
тических м
БЗУ с пос
овой для 

Для прове
одительно
1): типа ла
ных разме
кольжени
б, г) с отн
г, коэффиц

б 

         г 
онких ст
вращения
такан;  
ржень 

роторной
т к увели
ме того, в
метов обр
ерхностью
ачительно

й были п
вращающ
производ
ествовани
достаточ

ких стерж
габаритны
том трени
моделей, 
следующ
подтверж

едения эк
ости рото
атунного 
еров / d
l

ия по ста
ношением
циентом т

тержневы
я:  

й САЗ 
ичению 
возрасаботки 
ю обеое сни
предлощимися 
дительия кончно выжневых 
ых разия [7]. 
экспе
щим пождения 

кспериорного 
пусто57
,8
=
, 
ли μ = 
м габатрения 

 

 

ых  

с вращ
перим
устано
платфо
лено т
электр
углову

у

3 

4 

5 

1 

2 

На рис. 

щающейся
ментальная
овлена на
орма 4 см
также цен
роприводо
ую скорос

 
 

Рис. 2. 

установл

прои
а – 

6 

М

2 показан
я воронк
я констру
а дисково
монтиров
нтральное
ом 10, ко
сть вала 6

Эксперим
ленная на
изводител
общий ви

Машиностр

на экспер
ой, устан
укция ро
ой платфо
вана на вр
е зубчато
оторый по
6.  

ментальн
а испыта
льности 
ид стенд

7 

оение и ма

 

5

рименталь
новленная
торного Б
орме 4 ис
ращающе
е колесо 
озволяет с

а 

б 

ная конст
ательном
БЗУ в ст
а с БЗУ; 

9 
8 

ашиноведен

ьная конс
я на испы
БЗУ 7 с 
пытатель
емся валу
5. Стенд 
с пульта 

трукция 
м стенде 
тационар
б – вид св

10 

ние 

струкция 
ытательно
вращающ
ьного стен
у 6, на ко

оснащен
управлен

 

роторно
для иссл

рном реж
верху на Б

роторног
ом стенде
щейся вор
нда 2. Ди
отором ус
н регулир
ния 12 изм

ого БЗУ, 
ледований
жиме: 

БЗУ 

го БЗУ 
е. Эксронкой 
исковая 
становуемым 
менять 

 

й

11 

12 

13 

14 

враща
ражате

БЗУ о
ционар
бодно 
стенда
этом с
валось
нарног
электр
лампы

ном ре
ное зу
зили п
враще
вающа
зубчат

у

3 

4 

5 

6 

1 

2 

Предмет

ающейся в
ельному к

Для исс

от угловой
рном реж
и тормо

а 2, а цен
случае вр
ь на зубча
го) БЗУ 7
ронного с
ы стробоск

При исс

ежиме (ри
убчатое ко
посредств
нии вала
ая воронк
того колес

 

Рис. 3. 

установл

пр

7 

Известия

ты обрабо
воронкой
козырьку
следовани
й скорост
жиме плат
озили пос
нтральное
ащение в
атое коле
7. Углову
стробоско
копа на зу
следовани
ис. 3) пла
олесо 5, н
вом тяг 7
а 6 с плат
ка 8 рото
са 9 по не

Эксперим
ленная на
роизводит

я ТулГУ. Те

отки 13, з
й 14 (см. р
у 3 (см. ри
ия зависи
ти враща
тформу 4 
средством
е зубчатое
вала 6 чер
есо 8 воро
ую скоро
опа 11, не
убчатое к
ии фактич
атформу 4
наоборот, 
7, жестко
тформой 
орного БЗ
еподвижн

ментальн
а испыта
тельност

Технические

 

6

загружаем
рис. 2, б) 
ис. 2, а). 
имости ф
ающейся 
(см. рис.

м стержн
е колесо 
рез центр
онки непо
ость воро
епосредст
колесо вор
ческой пр
4 жестко 
монтиро

о связанны

4 и уста

ЗУ получ
ному цент

ная конст
ательном
ти БЗУ в

8

е науки. 201

мые в бун
и выдава

фактическ
(захватыв
 2, а) мон

ня 9, жест

5 жестко
альное зу
одвижно у
онки конт
твенно на
ронки 8. 
роизводи
связывал
вали на в
ых с рам
ановленно
ала вращ
тральному

трукция 
м стенде 
в роторно

14. Вып. 3 

нкер БЗУ
ались в сб

кой прои
вающей) 
нтировали
тко связа
о связывал
убчатое к
установле
тролирова
аправляя

ительности
ли с валом
валу 6 сво
мой стенд
ом на ней
щение за с

у зубчато

роторно
для иссл
ом режим

9 

, захваты
борник 1 

изводител
воронки 
и на валу
анного с 
ли с вало
колесо 5 п
енного (с
али с пом
световой

и БЗУ в 
м 6, а цен
ободно и 
да 2. Тогд
й БЗУ за
счет обка
ому колес

 

ого БЗУ, 
ледований
ме 

10 

ывались 
по от
ьности 
в ста
у 6 сворамой 

ом 6. В 
передастациомощью 
й поток 

роторнтральтормода при 
ахватыатки её 
у 5.  

й

11 

12 

Машиностроение и машиноведение 
 

 
7

Передаточное отношение зубчатой пары 5, 9 составляло 6:1.  
Начальный радиус роторного БЗУ (расстояние от оси вала 6 до оси 
вращения воронки 8) R0 = 0,14 м. 
Угловую скорость платформы регулировали с помощью управляемого электропривода 10, 12, а контролировали посредством электронного 
стробоскопа 11, направляя световой поток лампы стробоскопа на метки, 
специально нанесенные на поверхность платформы 4. Значения угловой 
скорости воронки получали пересчетом через передаточное отношение 
зубчатой пары 5, 9. 
Предметы обработки, захваченные вращающейся воронкой 8 роторного БЗУ, выдавались в сборник 1 по отражательным козырькам 3. 
Геометрические параметры экспериментальной воронки для захвата 
предметов обработки, показанных на рис. 1, были рассчитаны на основе 
зависимостей, представленных в работе [10]. 
Фактическую производительность БЗУ в единичном опыте регистрировали ручным счетом предметов обработки, выданных за одну минуту. 
Для каждого значения угловой скорости проводили по 10 единичных опытов и рассчитывали среднее арифметическое значение фактической производительности. Для каждой серии единичных опытов и полученного значения среднего арифметического фактической производительности БЗУ 
рассчитывали дисперсию среднего, среднеквадратическое отклонение от 
среднего, коэффициент вариации среднего и доверительный интервал. Все 
расчеты проводили с использованием стандартного пакета MS Excel в табличной форме. 
Результаты экспериментальных исследований. На рис. 4 представлена покадровая видеограмма 1 – 8, иллюстрирующая полную выработку бункера при работе БЗУ в стационарном режиме без досыпки загружаемых предметов обработки. Исходное число предметов обработки          
в бункере БЗУ–50 шт. Видеосъемку проводили цифровой камерой          
FUJIFILM  FINEPIX  F550EXR с частотой 10 кадр. / с. 
Результаты видеосъемки доказывают эффективность работы усовершенствованного БЗУ, поскольку полная выработка предметов обработки из бункера происходит в течение 30…40 с.  
В табл. 1 представлена свертка результатов экспериментальных исследований фактической производительности БЗУ в стационарном режиме 
для двух типов предметов обработки. 
По результатам экспериментов (см. табл. 1) с помощью стандартного пакета CurvExpert 1.3 были построены аппроксимирующие функции зависимости фактической производительности БЗУ 
ф
П
≡
y
 [шт./мин] от уг
ловой скорости 
0
ω
≡
x
 [об./мин] захватывающей воронки в виде полиномов второй степени (рис. 5). 

фа

Угло

Средн
значе
произ
Пф, ш

Свертк

актическ

овая скор

нее арифм
ение факт
зводитель
шт./мин  

Рис. 4. 
в стац

Известия

ка резуль
кой произ

рость воро

метическо
тической  
ьности  

1         

3        

5        

7       

Видеогра
ционарно

без д

я ТулГУ. Те

татов эк
зводитель

онки ω0, о

ое  

Тип предмета 

аммы 1 ом режим
досыпки п

Технические

 

8

кспериме
ьности Б

об./мин 

рис. 1, а

рис. 1, б

 

   
                

   
               

   
               

   
               
 
8, иллюс
ме до пол
предмето

е науки. 201

ентальны
БЗУ в ста

100 
2

31,0 
5

15,0 
2

стрирующ
лной выра
ов обрабо

14. Вып. 3 

ых исслед
ационарн

200 
300

53,0
72,0

26,0
38,0

         2 

         4 

         6 

        8 

щие работ
аботки бу
отки 

Табл

дований  
ном режи

0 
400 

0 77,0 

0 42,0 

ту БЗУ
ункера  

блица 1 

име 

500 

75,0 

- 

Ри
C
пр

за

а – ла

• – эк

произв

( ) ≡
x
y

ис. 5. Апп
CurvExper
роизводит

ахватыва
атунный 
кспериме

 
Уравнен

водительн

(
)
0
ф
П
ω
≡

М

проксими
rt 1.3) экс
тельност

ающей вор
пустоте
ентальны

ния аппро
ности БЗ
для двух 

Машиностр

ирующие 
сперимент
ти БЗУ ( y

оронки дл
елый ста
ые значен

оксимиру
ЗУ от угл

типов пр

оение и ма

 

9

а 

б 
функции
тальной 

ф
П
≡
y
) о

ля двух т
акан; б – 
ния факт

ующих фу
ловой ск
редметов 

ашиноведен

и (выходн

зависимо

от углово

ипов пред
стальной
тической 

ункций за
корости з
обработк

ние 

ные графи
ости фак
ой скорост

дметов о
й сплошн
производ

ависимос
захватыва
ки: 

ики пакет
ктическо
ти (
ω
≡
x

обработк
ной стерж
дительно

ти факти
ающей во

та  
ой  

0
ω ) 

ки:  
жень;  
ости  

ческой 
оронки 

Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 3 
 

 
10

а) латунный пустотелый стакан (
57
,8
/
=
d
l
, см. рис. 5, а) 

2
3
0004160714
,0
36003571
,0
53571429
,0
x
x
у
−
+
−
=
;          (1) 

б) стальной сплошной стержень (
10
/
=
d
l
, см. рис. 5, б) 

2
00015
,0
1670
,0
20
,0
x
x
у
−
+
−
=
.                             (2) 

Дифференцируя аппроксимирующие уравнения (1), (2) и приравнивая их нулю, получим два линейных уравнения, решениями которых будут 
значения угловых скоростей [
0
ω ]m захватывающей воронки, соответствующие максимальным значениям 
max
ф]
П
[
 фактической производитель
ности БЗУ для двух типов предметов обработки: 
а) латунный пустотелый стакан (
57
,8
/
=
d
l
) 

x
6
0008321428
,0
36003571
,0
0
−
=
;                         (3) 

б) стальной сплошной стержень (
10
/
=
d
l
) 

x
0003
,0
1670
,0
0
−
=
.                                          (4) 

Подставляя значения угловых скоростей, полученные из уравнений 
(3), (4), в соответствующие уравнения (1), (2) и решая их, получим максимальные значения фактической производительности БЗУ в стационарном 
режиме для двух типов предметов обработки.  
Приравнивая нулю аппроксимирующие уравнения (1), (2), получим 
квадратные уравнения, решениями которых будут значения предельных 
угловых скоростей [
0
ω ] захватывающей воронки, при которых фактическая производительность БЗУ в стационарном режиме обращается в нуль. 
В табл. 2 представлены значения угловых скоростей захватывающей воронки, соответствующие максимальным и нулевым значениям фактической производительности БЗУ в стационарном режиме. 
 
Таблица 2 
Значения угловых скоростей захватывающей воронки,  
соответствующие максимальным и нулевым значениям  
фактической производительности БЗУ в стационарном режиме  
для двух типов предметов обработки 
 

Тип предмета обработки 
[
]

об./мин

,
m
0
ω
,
]
П
[
max
ф
 

шт./мин 
[
]

об./мин

,
0
ω
 

Латунный стакан (см. рис. 1, а) 
432,66 
77,22 
866,81 

Стальной стержень (см. рис. 1, б) 
556,7 
46,28 
1112,13 

 
На рис. 6 сопоставлены графики теоретических и эксперименталь