Введение Анализ технологий и технических средств  для отделочно-зачистной обработки деталей (ОЗО) дает основание предполагать, что процесс обработки деталей частицами рабочих сред (масса загрузки) с использованием колебаний сравнительно больших амплитуд, создаваемых при движении масс загрузки и их встрече друг с другом, а также  с поверхностью контейнера, выполненного в виде винтового ротора, является перспективным направлением. Предлагаемая технология обеспечивает совмещение транспортных и технологических  операций, образовывает дополнительные смешивающие потоки и обеспечивает «активацию» масс загрузки, а также создаёт достаточное количество противоточных конвективных потоков массы загрузки с большой амплитудой и малой частотой движения и интенсивно их завихряет [1-15 ]. Предлагаемое оборудование защищено 51 авторским свидетельством и патентами РФ (№№ 2549793, 1710307, 1743820, 1797563, 1797563, 2151681, 2176585, 2181656, 2181657, 2185947, 2186672, 2217291, 2227089, 2228252, 2275286, 2288830, 2364488, 2430825, 2465119, 2466006, 2468906, 2478462, 2499659, 2499660, 2503531, 2506150, 2507053, 2510322, 2519398, 2519705, 2528291, 2535888, 2540246, 2542203, 2542222, 2545860, 2547878, 2548561, 2553755, 2572685, 2591934, 2605735, 2613268, 2674719, 2672974, 2690389, 2691156, 2672974, 2691472, 2688004,    2694940).  Методы и пути  сравнительного анализа скоростных характеристик винтовых роторов Для получения расчетных характеристик и уточнения аналитических зависимостей проведены экспериментальные исследования по определению скорости перемещения деталей различной массы от частоты вращения винтовых роторов  1-4 классов на станках для ОЗО со сменными винтовыми роторами 1-4 классов (рис.1). При экспериментах варьировались не только масса частиц рабочей среды,  но и степень заполнения ими внутренней полости винтовых роторов. В процессе проведения исследований скорость вращения винтовых роторов варьиро­валась от нуля до критической скорости.Результаты проведенных экспериментальных исследований с помощью станка (рис. 1), представленные на рис. 2-7, показывают существенное изменение скорости перемещения деталей в винтовых роторах, их различие по абсолютной величине для различных классов винтовых роторов. Весьма значительна разность скоростей продольного перемещения деталей не только 1-4 классов от 1 класса, но и друг от друга.Рост скорости перемещения в винтовых роторах 1 класса при увеличении угла наклона оси ротора незначителен. Это объясняется наличием встречных потоков деталей и частиц рабочих сред  внутри  винтовых  роторов этого класса. С увеличением массы деталей при постоянной массе частиц рабочей среды и заполнения рабочего объёма винтового ротора скорость перемещения вдоль оси ротора снижается, причём это снижение достигает сравнительно больших величин.Изменение массы частиц рабочей среды оказывает на величину скорости продольного перемещения деталей незначительное влияние.  Рис. 1.   Станок для отделочно-зачистной  обработки деталейсо сменными винтовыми роторами 1-4 классов:1 – станина; 2 – привод; 3 – роликовые опоры;  4–винтовой ротор;  5 и 6 – два обода; 7–приводной вал;8– загрузочный бункер; 9 – емкость приема готовой продукции; 10 – обрабатываемые  детали и частицы рабочих сред  Анализ номограмм (рис. 2-7)  показывает,  что наиболее сложным и бесконечно разнообразным является характер движения в винтовых роторах I класса, а простейшим и единообразным в винтовых роторах 4-го  класса. Это и определяет энергоёмкость воздействия рабочих сред на обрабатываемую деталь.Каждый класс винтовых роторов соответствует определенному технологическому процессу ОЗО. При этом, чем выше класс, тем выше транспортирующая способность винтовых роторов, однако меньше энергоёмкость воздействия рабочих сред на обрабатываемую деталь. Например, для жёстких деталей предпочтительнее применять роторы I  класса, для деталей малой жесткости – 4 класса, для деталей средней жёсткости, например, деталей тракторного и сельскохозяйственного машиностроения, целесообразным является исполь­зование винтовых роторов  2 и 4 классов. Так как винтовые роторы 3 класса технологичнее в изготовлении, то  и их использование предпочтительнее. Реальной основой для широкого осуществления отделочно-зачистной обработки деталей с помощью технологических процессов IV класса на машинах IV класса по Кошкину [1] в настоящее время являются винтовые роторы 3 класса, так как этот класс винтовых роторов решает значительное число задач целевого назначения и охватывает целые отрасли промышленности.                          Рис.  2.  Результаты экспериментальныхисследований винтовых роторов 1-4 класса Рис. 3. Результаты экспериментальныхисследований винтовых роторов 1-4 класса                   Рис.  4.  Результаты экспериментальныхисследований винтовых роторов 1-4 классаРис. 5. Результаты экспериментальныхисследований винтовых роторов 1-4 класса                         Рис. 6.   Результаты экспериментальныхисследований винтовых роторов 1-4 класса             Рис. 7. Результаты экспериментальныхисследований винтовых роторов 1-4 класса Методика инженерного расчёта винтовых роторов Результаты экспериментальных исследований винтовых роторов оформлены в виде таблиц. В табл. 1  указаны в мм/c-1  средние скорости продольного перемещения деталей, например, имеющих массу m1. Масса частиц среды, обозначенная m2, в одном случае равна 6 г, в другом – 11 г. Коэффициент заполнения объёма рабочей камеры ротора ξ принимал в опытах значения: 0,0; 0,2 и 0,4. Таблица 1Результаты экспериментальных исследованийm1(г) m2(г)      ω  ξ5,14 рад/с4,19 рад/с7,54 рад/с9,42 рад/с10,47 рад/с3100043,9465,91963,8798,641,4260,236,2536,2558,0060,420,9260,413,8119,3315,9515,260,50110,224,1732,2251,7953,702,17110,412,8313,8115,7615,930,391720017,0653,70145,00151,001,3360,227,8636,2563,0065,700,8960,410,0710,6612,6112,950,46110,218,8326,3641,4342,651,48110,411,6012,8315,2615,100,38500017,6829,0096,67100,001,3160,225,4435,3746,7750,000,8460,48,5813,4612,5012,610,45110,214,9521,6432,2233,721,31110,410,5813,4614,6514,650,38  Сводка значений коэффициентов v, найденных программой «Подбор», представлена в табл. 2. 21Поясним смысл графы «среднее отклонение  аппроксимации». Это относительная ошибка величины скорости, вычисленной по формуле (11) с данным значением v. Нужно учитывать, что программа «Подбор» ориентирована на поиск v, отвечающий минимуму среднего отклонения. Таким образом, существенно уменьшить величину отклонения при выборе коэффициента v уже невозможно. Если отклонение велико (боль­ше 50 %), то это значит, что формула (11) мало пригодна для описания скорости деталей в данных условиях.    Таблица 2  Значения коэффициентовm1(г)m2(г)ξvCреднее  отклонение аппроксимации, %310000,286060,20,375060,40,8210 110,20,6220110,40,9110172000,227060,20,531260,40,915110,20,7710110,40,89550000,365060,20,522560,40,917110,20,7610110,40,89725000,365060,20,622060,40,9210110,20,7630110,40,907         Тем не менее, предполагается использовать формулу (11) во всём диапазоне изменения переменных m1,m2, ξ. Анализ величин v, приведённых в табл. 2, показывает, что она не зависит от массы детали m1, но заметно зависит от степени заполнения объёма рабочей камеры винтового ротора  ξ. Что касается зависимости v от массы частиц рабочей среды m2, то она довольно своеобразна: при малых значениях ξ – заметна, а при ξ  = 0,5 – исчезает.Эти утверждения становятся очевидными при расположении дан­ных табл. 2 в виде табл. 3, которая дополнена графой v – средним значением четырех коэффициентов при фиксированных зна­чениях параметров ξ и m2.  Таблица 3 Значения коэффициентовξ m1(г)m2(г)2550172310Средняяv000,360,360,220,280,300,260,620,520,530,370,51110,760,770,770,620,730,460,920,910,910,820,89110,900,890,890,910,90   22В каждой горизонтальной строке коэффициенты мало отличаются от среднего, что свидетельствует об отсутствии зависимости  v от m1. А в вертикальных строках зависимость коэффициентов v от m2  и ξ прослеживается совершенно четко, причём эта зависимость для всех колонок качественно одина­кова, поэтому её следует изучать по данным последней колонки, где указаны v средние. Представим зависимость, выраженную табл. 3, графически  (рис. 7). ξРис. 8. Графическая зависимость коэффициента vот коэффициента заполнения объема рабочей камеры В первом приближении по этим данным можно провести прямую:                       v= 0,3 + 1,4 ξ.                       (1)Зависимость v от m2  будем рассматривать как возмущение, наложенное на указанную линейную зависимость. Примем, что ξ ϵ  [0; 0,5] и, что v не зависит от m2 при ξ = 0,5,принимая при этом значение v = 1. Тогда искомую зависимость можно выразить какα10 ξ(0,5 – ξ)2 m2 .Сомножители и ξ и (0,5 – ξ) необходимы, чтобы слагаемое, выра­жающее зависимость от m2 обращалось в ноль при v → 1 и v → 0,5. Квадратичная зависимость (0,5 – ξ)2 должна обеспечить быструю схо­димость к нулю при ξ → 0,5. Пропорциональность поправки m2  дает умеренный рост для крупных частиц рабочей среды. Для рассмотренных экспериментальных данных порядки величин будут соблюдены, если принять α10 = 10. Итак, зависимость коэффициента v от условий опыта (рис. 7) можно приближенно выразить формулой:     v = 0,3 + 14ξ  + 10ξ (0,5 – ξ)2 m2          (2)Дальнейшие опыты могут потребовать уточнения или изменения этой зависимости, но в данный момент она выглядит правдоподобно. 23На основе предположения, что полином L(ω) выражает точную скорость деталей V , выразим  скорость деталей V, как явную функцию ω и v.: VG-ω= - ω2-2νωVG, откуда:           V = 2Gω (1 – v),                  (3)где постоянная G выражается через геометрические размеры винтовых роторов следующим образом: для роторов I класса G= 0,145 хtg 30º хa1;IIклассаG= 0,115 хtg 21º хa2;         (4)IIIклассаG= 0,135 х tg 19,5º хa3;IV класса G= 0,135 хtgα4 хa4;где 0,145; 0,115; 0,135 – коэффициенты, определенные экспериментальным путём в м-1; a1–a4 – длина сторон по периметру винтовой ротор; α4 – угол свёрнутой в винт полосы.Учитывая формулу (1), получим эмпирическую формулу для определения скорости продольного перемещения деталей в винтовом роторе 3-гокласса в зависимости от угловой скорости вращения винтового ротора ω,  степени заполнения ротора рабочей средой и массой рабочих частиц m2:V= 2G· ω · [0,7 – 1,4·ξ  + +10·ξ · (ξ – 0,5 )2 · m2] .                     (5)Разумеется, формулу (5) можно применять лишь при тех условиях, когда выполняются сделанные при её выводе предположения. Среди них наиболее существенны: v = 1 приξ = 0,5 (требуется, чтобы формула (5) применялась лишь при ξ < 0,5 и V(ω) = L(ω), носит приближенный характер и означает, что формула (3) также имеет приближенный характер).Более естественным было бы считать, что v = 1 лишь при ξ = 1, а в остальных случаях v<1, то есть считать, что зависимость имеет характер графика, показанного на рис. 8, вместо принятой здесь зависимости, показанной на рис. 9, но имеющиеся опытные данные не позволяют обоснованно продвинуться за границу ξ = 0,5. Для массива экспериментальных данных проведены экспериментальные исследования скорости продольного перемещения в  винтовых роторах различных классов от I до IV, заполненных  мелкозернистой   средой (аналог абразива) с частицами массой 0,0083 г, или 0,02 г. Наиболее общий вывод состоит в том, что характер движения деталей не зависит ни от их массы m1, ни от массы частиц рабочей среды m2. Такая мелкодисперсная среда приближается к свойствам сплошной среды.Эти данные не показали зависимости v от коэффициента за­полнения ротора рабочей средой ξ, которая немного выделялась в работе винтового ротора 3 класса с рабочей средой, состоящей из рабочих частиц с массой свыше 10 г.При этих условиях параметр v зависит только от класса винтового ротора. Результаты обработки данных на ЭВМ позволили определить для винтовых роторов различных подклассов значения v: для роторов         Iкласса v= 1 – φI;                     (6)IIкласса v= 0,204 ± 0,01;                 (7)            IIIкласса v= 0,191 ± 0,085;             (8)IVкласса v= 0,190 ± 0,043;             (9)где φI– в радианах при условии  φI< 0,0873 (5°).                                             Рис. 9. Графическая зависимость  коэффициентов v от ξ  при равенстве их 1 Рис. 10. Графическая    зависимость Коэффициентов v от ξ при равенстве их 1 при условииv= 1, ξ = 0,5   Проверочные расчёты показали, что значения v, вычисленные по формулам (6), хорошо согласуются с экспериментальными данными (табл. 4).  Таблица 4Значения коэффициента v,вычисленные по формуле (6)  и полученные экспериментальным путём                         φI(градус)v1,252,254,13Теоретические поформуле (4.6)0,97820,96070,9279Экспериментальные0,98  ∓  0,010,96  ∓  0,010,945  ∓  0,01   24Таким образом, обработка результатов исследований с помощью ЭВМ позволила получить зависимость, которая может быть использована при проектировании оборудования для ОЗО, работающую лишь на рабочих скоростных режимах в определенных границах частот вращения винтового ротора в пределах 30-70 об/мин.  Это  есть рабочие частоты вращения роторов, на которых могут быть достигнуты максимальные экономические показатели работы  оборудования на базе винтовых роторов. Для частот вращения ниже 30 об/мин характерна весьма низкая энергоёмкость ударений и эффективность процесса ОЗО, а для частот вращения выше 70 об/мин характерно резкое снижение эффективности ОЗО в результате резкого увеличения центробежных сил и прилипания деталей и рабочих сред к стенкам винтовых роторов.  Заключение Представлены технологии и  оборудование на базе винтовых роторов,  в которых технологические и транспортные  операции совмещены. Показаны методы и пути сравнительного анализа  скоростных характеристик винтовых роторов. Для этого  проведены экспериментальные исследования по определению скорости перемещения деталей различной массы в зависимости от частоты  вращения винтовых роторов 1-4 классов. Результаты сведены в  номограммы, которые позволили создать методику инженерного расчета винтовых роторов. Приведены  созданные  авторами 51 изобретение,  на которые получены патенты РФ и  информация о которых может быть полезна при создании оборудования для ОЗО деталей на базе винтовых роторов.