Конструкторские решения ПРИ РАЗРАБОТКЕ ШПУЛИ НАМОТОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной статье описаны основные конструкторские решения, которые использовались при оптимизации челночно-шпульного узла станка тороидальной намотки с использованием программного обеспечения SolidSimulation. На примере конструкции шпули намоточного оборудования выполнен прочностной расчет данной детали, а так же произведен расчет усталостной прочности. По результатам проведенных исследований было подтверждена возможность использования предложенной конструкции в тороидальном намоточном станке.

ABSTRACT

This article describes the main design solutions that were used to optimize the shuttle-bobbin assembly of a toroidal winding machine using SolidSimulation software. On the example of the design of the spool of the winding equipment, the strength calculation of this part was performed, as well as the calculation of the fatigue strength. Based on the results of the studies carried out, the possibility of using the proposed design in a toroidal winding machine was confirmed.

Ключевые слова: SolidSimulation, тороидальная намотка, оптимизация конструкции, шпуля, усталостная прочность.

Keywords: SolidSimulation, toroidal winding, design optimization, spool, fatigue strength.

Конструкция современных намоточных станков постоянно подвергается оптимизации. Повышаются эргономические свойства оборудования, совершенствуются узлы, отвечающие за точность намотки тонкой проволоки.

С точки зрения сложности конструкции станков наиболее трудоемким в изготовлении является тороидальное оборудование, а именно станки челночно-шпульной группы (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Станок тороидальной намотки

Самой трудоемкой деталью станков тороидальной намотки является сборная или разрезная шпуля. В данной статье рассматривается именно оптимизация конструкции шпули станка тороидальной намотки. В рассматриваемом оборудовании использовалась шпуля сборной конструкции (см. рисунок 2), состоящая из двух сегментов, соединяемых между собой с помощью миниатюрных штифтов.

Рисунок 2. Используемая конструкция сборной шпули

При намотке изделия с использованием данной конструкции сборной шпули выявились следующие недостатки: съемная часть шпули имела утолщение, которое при прохождении через ручьи ролика шпули приводила к дерганию проволоки, что негативно сказывалось на качестве намотки, а нередко приводило к обрыву провода; выступающие штифты съемной части мешали предварительной намотке тонкой проволоки; в процессе работы станка съемная часть шпули нередко вылетала из замка, так как прижимной ролик челнока, оказывая сжимающее радиальное усилие на шпулю приводил к деформации сборной конструкции.

Таким образом, для повышения качества изготовления изделий на данном оборудовании необходимо было исключить данную конструкцию сборной шпули и предложить конструкцию упругой разрезной шпули.

Инженером проектировщиком оборудования было принято решение ввести в конструкцию станка упругую разрезную шпулю (см. рисунок 3), которая имела бы возможность раскрываться при установке каркаса, но закрывалась бы при помощи упругих свойств материала.

Рисунок 3. Конструкция упругой шпули (в момент установки каркаса)

Перед изготовлением данной упругой шпули необходимо было провести виртуальное исследование на прочность и усталость материала.

Расчетная модель шпули намоточного станка представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. 3D модель детали «Шпуля»

Для проведения статического исследования на прочность первоначально необходимо задать материал детали – сталь пружинную 65 Г ГОСТ 14959-79.

Далее необходимо выбрать способ закрепления данной детали в пространстве. Необходимо отметить, что деталь «Шпуля» фиксируется в четырех местах с помощью вращающихся роликов. При раскрытии шпули четвертый ролик является подъемным – он не оказывает ограничительного воздействия на исследуемую деталь. Зададим поверхности, по которым ролики контактируют с деталью (см. рисунок 5).

Рисунок 5. Поверхности контакта ролика со шпулей

В расчетной программе зададим ограничение - жесткая фиксация (см. рисунок 7).

Рисунок 7. Фиксация шпули

Для раскрытия шпули требуется усилие около 30 Н (данный параметр рассчитан экспериментально). Приложим данное усилие к поверхности приложения (см. рисунок 8).

Рисунок 8. Сила, приложенная к детали «Шпуля»

Для выполнения расчета необходимо сгенерировать сетку конечных элементов (см. рисунок 9).

Рисунок 9. Сетка КЭ

В результате расчетов были получены следующие данные. Рассмотрим эпюру напряжения (см. рисунок 10).

Рисунок 10. Эпюра напряжений

Максимальное напряжение, которое возникает в детали равно 912,6 МПа, оно несколько больше предела текучести равного 785 МПа, но меньше предела прочности 980 МПа для стали 65 Г. Из этого можно сделать вывод о том, что деталь выдержит нагрузку, но некоторые ее точки могут получить пластические деформации. Выявим объем материала, который теоретически сможет получить пластические деформации (см. рисунок 11).

Рисунок 11. Объем материала, который получит пластические деформации

Так как данный объем ничтожно мал, то можно считать его некритичным для конструкции при условии того, что необходимо выполнить усталостный расчет. Рассмотрим эпюру перемещений детали (см. рисунок 12).

Рисунок 12. Эпюра перемещений

По данной эпюре видно, что при приложении силы равной 5 Н в противоположные стороны шпуля раскроется на 8,25 мм, чего достаточно для установки внутрь шпули наматываемого изделия. Таким образом, предложенная конструкция шпули работоспособна при условии приложения рассчитанной нагрузки в 5 Н.

Для подтверждения работоспособность предложенной конструкции шпули необходимо провести исследование усталостной прочности конструкции шпули для числа циклов в день 500.

Для проведения данного исследования в программном обеспечении SolidWorks Simulation необходимо первоначально выполнить статическое исследование конструкции шпули (данное исследование проведено в предыдущем отчете). Опишем процесс выполнения исследования на усталостную прочность конструкции шпули. Для выполнения расчета необходимо конфигурировать событие. В нашем случае событием будет являться 500-кратное знакопеременное приложение нагрузки значением 5 Н для раскрытия шпули (см. рисунок 13).

Рисунок 13. Приложение нагрузки для раскрытия шпули

Далее необходимо сконфигурировать параметры условия (см. рисунок 14).

Рисунок 14. Параметры задаваемого условия для расчета усталостной прочности

В качестве параметров необходимо задать следующее: число циклов – 500 (именно столько циклов раскрытия шпуля совершает в день); тип нагрузки – полностью реверсивная (то есть нагрузка распределяется знакопеременно); исходное исследование – статическое (в предыдущем отчете); масштаб – 1

Далее необходимо сконфигурировать усталостную кривую для материала шпули (см. рисунок 15).

Рисунок 15. Усталостная кривая материала

Необходимо отметить, что усталостная кривая получена для материала 65 Г на основе модуля упругости для углеродистой стали.

Далее необходимо произвести расчет и проанализировать получившиеся данные. Результатом проведения исследования является эпюра срока службы конструкции (число циклов) (см. рисунок 16).

Рисунок 16. Эпюра срока службы

По данной эпюре видно, что точки материала конструкции имеют разный срок службы в диапазоне 550-1000000 циклов. В нашем случае необходимо обеспечить 500 кратное раскрытие шпули. Так как минимальное значение по расчетам равно 550, то конструкция работает с 10-процентным запасом. Таким образом, можно сказать, что конструкция разрезной шпули работоспособна.

Следующая эпюра, которую необходимо рассмотреть – эпюра повреждения (см. рисунок 17).

Рисунок 17. Эпюра повреждения

Результаты степени повреждения свидетельствуют, что заданное событие использует около 90,9 % срока службы модели.

Следующая эпюра, которую необходимо рассмотреть – эпюра коэффициента нагрузки (см. рисунок 18).

Рисунок 18. Эпюра нагрузки

Эпюра коэффициента нагрузки указывает, что шпуля из строя вследствие усталости материалов при увеличении текущих значений нагрузки в 1,1 раза (минимальный коэффициент запаса прочности).

В результате проведенных исследований было доказано, что предложенная конструкция шпули работоспособна и может быть использована при модернизации челночно-шпульного узла станка тороидальной намотки.

Предложенная методика проведения исследований в программе SolidSimulation может быть распространена на аналогичные конструкции в других типах намоточного оборудования.