Experimental evaluation of the load capacity of the rollers of gravity conveyors for pallets

Full Text

Введение Несущие ролики (далее НР) наряду с тормозными роликами и устройством остановки и разделения палет являются одним из основных элементов гравитационных роликовых конвейеров (далее ГРК) для палет, которые нашли широкое применение в складской интралогистике как один из типовых модулей, предназначенных для хранения и транспортировки грузов на поддонах [1, 2, 3]. Несущая способность НР определяется нагрузкой на ролик, конструкцией и материалами элементов ролика, а также технологией его изготовления. Подходы к расчетам нагрузочной способности НР, а также определение шага их расстановки широко освещены в литературе [4, 5]. При этом наибольшее внимание уделяется классическим формулам выбора шага расстановки роликов, который определяется по формуле: , где - приведенный коэффициент сопротивления движению груза по роликам, - коэффициент высоты груза, - длина груза. Коэффициент высоты груза определяет отношение высоты центра тяжести груза к длине груза. На практике для паллет максимальное значение коэффициента , что соответствует максимальной высоте паллеты 2400 мм. При этом в работе [4] отмечается, что упрощенно можно считать для низких грузов при шаг , а при - . В работе [6] предлагается иной метод определения шага расстановки исходя из допустимого угла перекоса колец подшипников ролика, который для тяжелых грузов является определяющим фактором нагрузочной способности ролика. При этом приводятся противоречивые данные по шагу расстановки НР. Например, в работе [5] отмечается, что использование более чем 5 роликов под грузом не допускается ввиду повышенной металлоемкости роликового конвейера, но при этом отмечается, что движение груза при увеличении количества роликов становится более стабильным и устойчивым. Возникает вопрос, какой подход использовать при определении шага установки НР: снижать металлоемкость или увеличивать стабильность движения и устойчивость груза? В конструкциях современных ГРК для паллет зарубежных производителей (BITO, Interroll и др.) количество НР колеблется в пределах от 7 до 13, что подтверждает приоритетность стабильности движения и устойчивости груза при выборе шага расстановки НР. В таком случае нагрузочную способность НР необходимо определять с учетом их количества, при котором груз стабильно катится по роликовому полотну, а с целью уменьшения металлоемкости НР использовать в конструкциях больше легких материалов, таких как пластики, что в настоящее время характерно для всех отраслей машиностроения [7]. Целью данной работы является экспериментальное определение нагрузочной способности НР с пластиковыми корпусами подшипников. Методы и средства проведения исследований Конструкция В ГРК зарубежных производителей с роликами по всей ширине поддона чаще всего используются ролики с диаметрами 50-60 мм и шагом расстановки 75…200 мм. Конструкция ролика может быть выполнена с осью или на полуосях с пластиковыми или штампованными корпусами шариковых подшипников, которые как правило устанавливаются в обечайку ролика и закрепляются методом вальцевания. Конструкции роликов иностранных производителей широко представлены в каталогах зарубежных фирм, например, Rollex [8], Interroll [9] и др. Необходимо отметить, что существуют отечественные конструкции НР [10, 11], выполненные как правило с использованием или металлических подшипниковых корпусов, или без них. В последнем случае подшипник запрессовывается в обечайку ролика. Опыт эксплуатации и анализ существующих конструкций ГРК показал, что в настоящее время количество НР, находящихся под деревянным поддоном габаритных размеров 800 х 1200 мм с грузом массой не более 1250 кг, составляет от 7 до 9 шт. В этом случае максимальная средняя нагрузка на ролик (с учетом наличия под каждым поддоном также одного тормозного ролика) не превышает 150 кг. Экспериментальное оборудование Экспериментальные исследования нагрузочной способности ролика проводились в лаборатории кафедры прикладной механики МГТУ им. Н. Э. Баумана. Для исследований использовалась универсальная испытательная машина фирмы Galdabini (Италия) серии Quasar 50 настольного исполнения, позволяющая проводить испытания различных типов материалов на растяжение, сжатие, изгиб, адгезию и т.д., включая полимерные. Общий вид испытательной машины Quasar 50 представлен на рис. 1, а технические характеристики приведены в таблице 1. Таблица 1 Технические характеристики испытательной машины Quasar 50 Параметр Значение Параметр Значение Рама 50 кН Максимальное расстояние между адаптерами 1000 мм Соответствие стандартам ASTM E 4, EN-ISO 7500/1 Расстояние между колоннами 410 мм Разрешение по нагрузке 1/200000 Питание 230 В/50 Гц Точность перемещения траверсы 0,1 мкм Мощность 650 Вт Скорость при максимальной нагрузке 0,0005-500 мм/мин Масса машины (без оснастки) 255 кг Скорость холостого хода 500 мм/мин Размеры (ВхШхГ) 1635х790х780 мм Общее перемещение траверсы 1000 мм Рис. 1. Общий вид испытательной машины Quasar 50 Программное обеспечение Graphwork предоставляет полный контроль над вводом, обработкой, управлением и передачей данных через сеть, а также позволяет проводить визуализацию результатов эксперимента, а также вести архив данных. Контролируемыми параметрами в процессе испытаний являются вертикальная нагрузка на ролик и его деформация. Экспериментальные образцы Для экспериментальной оценки нагрузочной способности НР с пластиковыми корпусами подшипников разработана роликовая опора, общий вид которой представлен на рис. 2. Рис. 2. Общий вид роликовой опоры в сборе: 1 - основание, 2 - ролик, 3 - ось/полуось, 4 - балка Опора состоит из сварного основания 1, изготовленного из уголков 25×25, и полос толщиной 4 мм, испытуемого ролика 2, оси (или полуоси) 3 которого размещаются в специальных V-образных направляющих сварного основания. От осевого смещения в направляющих ось 3 ролика закрепляется стопорными кольцами. На подвижную балку испытательной машины закреплялась нагружаемая балка 4 из профильной трубы 30×20×2,0 мм. Таким образом, нагружение ролика при помощи подвижной балки имитировало процесс воздействия нагрузки на несущий ролик ГРК от поддона с грузом. В качестве обечайки использовалась электросварная труба длиной 300 мм, диаметром 60 мм и толщиной 2 мм. В качестве опытных образцов использовались ролики со сплошной осью и на полуосях (рис. 3). Для изготовления корпусов подшипников использовался ABS-пластик и литьевая машина МЕ-3 [12]. Было изготовлено 20 штук корпусов подшипников при различных режимах литья. Перед проведением испытаний корпус с размещенным в нем подшипником запрессовывался в обечайку ролика. Рис. 3. Опытный образец несущего ролика: а) со сплошной осью, б) на полуосях; 1 - основание роликовой опоры, 2 - подшипник, 3 - ось, 4 - стопорное кольцо, 5 - корпус подшипника, 6 - обечайка, 7 - полуось Методика проведения экспериментов Экспериментальные исследования роликов проводились в два этапа. Первый этап заключался в определении жесткости испытательной машины Quasar 50. Для этого проводилось многократное нагружение образца с известной жесткостью нагрузкой 2150 Н. В качестве образца использовался чугунный цилиндр диаметром 14 мм и длиной 24,3 мм. На втором этапе проводились испытания опытных образцов роликов максимальной нагрузкой 1500Н в нескольких режимах: однократное нагружение, многократное нагружение с частотой 20 нагружений в час, многократное нагружение с выдержкой максимальной нагрузки в течение 6 секунд (имитация прохождения паллеты по НР со скоростью 0,2 м/с). На первом этапе (определение жесткости испытательной машины Quasar 50) деформация системы испытательная машина-чугунный образец определяется как: , (1) где - деформация испытательной машины, - деформация чугунного образца. Согласно закону Гука деформация системы прямо пропорциональная приложенной к ней нагрузке , т.е. , (2) где - жесткость системы испытательная машина-чугунный образец. С учетом (1) и (2) жесткость испытательной машины может быть получена из уравнения: , (3) где - жесткость чугунного образца. На втором этапе были получены экспериментальные данные жесткости опытных образцов НР со сплошной осью и на полуосях с учетом жесткости испытательной машины. При нагружении опытных образцов НР деформация системы испытательная машина-НР определяется как: , где - деформация НР. По аналогии с выражением (3) и с учетом преобразований получим, что жесткость опытного образца НР может быть определена по формуле: , (4) где - жесткость системы испытательная машина-несущий ролик. Результаты исследований и их обсуждение По результатам нагружения чугунного образца был получен график зависимости деформации системы испытательная машина-чугунный образец от нагрузки (рис. 4). На графике деформация системы испытательная машина-чугунный образец определяется датчиком положения траверсы в мм. Рис. 4. Зависимость деформации системы испытательная машина-чугунный образец от нагрузки Полученные экспериментальные данные с достаточной точностью позволяют определить жесткость системы испытательная машина-чугунный образец по зависимости, представленной на рис. 4 как угол наклона графика или . Жесткость чугунного образца определяется по формуле: , где МПа - модуль упругости первого рода (Юнга) чугуна; - площадь сечения чугунного образца, мм2; - длина чугунного образца, мм. С учетом данных на рис. 4 жесткость чугунного образца составляет: . Таким образом, с учетом выражения (3), жесткость испытательной машины: . Зависимость деформации системы испытательная машина-НР от нагрузки для разных конструкций НР (с осью и на полуосях) при максимальной нагрузке 1500 Н показан на рис. 5. Проводя вычисления по аналогии, как показано на рис. 4, получим жесткость системы испытательная машина-НР. Для НР с осью (кривая 1) можно выделить два участка с разной жесткостью: · первый (до нагрузки 670 Н) ; · второй (в диапазоне нагрузок от 670 Н до 1500 Н) . Рис. 5. Зависимость деформации системы испытательная машина-НР от нагрузки : 1 -ролик с осью, 2 -ролик на полуосях Для НР с полуосями (кривая 2) жесткость можно считать постоянной на всем диапазоне нагрузок. С учетом выражения (4), жесткость НР представлена в таблице 2. Таблица 2 Жесткость несущих роликов различных конструкций Жесткость, Н/мм Диапазон нагрузок до 670 Н от 670 до 1500Н С осью kр1 1358,4 2229,9 На полуосях kр2 2048,0 Заключение Проведенные исследования показали, что нагрузочная способность НР с пластиковым корпусами подшипников позволяет рекомендовать их использовать в современных ГРК для палет с нагрузками на ролики до 150 кг. При этом жесткость ролика со сплошной осью в диапазоне нагрузок до 670 Н составляет порядка 1358,4 Н/мм, а в диапазоне нагрузок от 670 до 1500Н - 2229,9 Н/мм. Жесткость ролика на полуосях во всем диапазоне нагрузок составляет 2048,0 Н/мм. Полученные экспериментальные данные жесткости НР различных конструкций - со сплошной осью или на полуосях - показали, что для нагрузок свыше 670Н использование оси незначительно увеличивает коэффициент жесткости, а в диапазоне нагрузок до 670Н, наоборот, снижает. Поэтому с целью снижения себестоимости НР с пластиковыми корпусами подшипников целесообразно использование конструкции на полуосях. Авторы статьи выражают благодарность директору НИИ АПП МГТУ им. Н. Э. Баумана Киселеву И.А. и аспирантам кафедры прикладной механики за предоставленное экспериментальное оборудование и методическую помощь в проведении испытаний.

About the authors

Ye. V Safronov

Bauman Moscow State Technical University

Email: gen-s@mail.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

A. L Nosko

Bauman Moscow State Technical University

DSc in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files