Разработка метода синтеза структур многозвенных плоских групп Ассура тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.18, кандидат технических наук Баклушина, Ирина Сергеевна

• Баклушина, Ирина Сергеевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Баклушина, Ирина Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. Анализ известных работ в области структуры и применения многозвенных плоских групп Ассура. Постановка задач исследования

1.1. Группы Ассура высоких классов. Известные методы синтеза их структур

1.2. Универсальная структурная система, применение её к решению задач синтеза структур групп Ассура

1.3. Строительные фермы как объект применения к ни теории многозвенных групп Ассура

1.4. Структура и особенности технического применения групп Ассура высоких классов в сложных исполнительных механизмах

1.5. Постановка задач исследования •

Глава II. Разработка теории синтеза структур не распадающихся групп Ассура высоких классов

2.1. Преобразование универсальной структурной системы к задаче синтеза структур плоских групп Ассура

2.2. Понятие числа сторон группы Ассура и его использование для синтеза структур

2.3. Разработка общего алгоритма синтеза структур групп Ассура, удовлетворяющих заданным условиям

2.4.Пример применения разработанного алгоритма на десятизвенных плоских группах Ассура 63 Выводы

Глава III. Идентификация строительных ферм и плоских групп Ассура. Разработка метода создания ферм из групп Ассура

3.1. Обоснование органической связи между плоскими строительными фермами и группами Ассура.

3.2. Разработка методов связки, развязки и перевязки строительных ферм из групп Ассура

3.3. Обоснование специфических особенностей групп Ассура, пригодных для образования из них строительных ферм

3.4. Примеры построения сложных плоских ферм и формирование способа, признанного изобретением 92 Выводы

Глава IV. Разработка метода структурного синтеза сложных механизмов высоких классов, обладающих особыми качествами

4.1 Новые подходы к классификации групп Ассура высоких 103 классов

4.2. Механизмы с подвижными изменяемыми замкнутыми контурами. Анализ принадлежности их к механизмам высоких классов '

4.3. Обоснование новых конкретных схем механизмов высоких классов, исходя из условий их применения

4.4. Алгоритм создания механизмов высоких классов на основании полученных решений для многозвенных групп Ассура 125 Выводы 129 Заключение 130 Литература 134 Публикации 138 Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода синтеза структур многозвенных плоских групп Ассура»

Развитие современной науки и техники неразрывно связано с разработкой и созданием новых машин, которые должны максимально увеличивать производительность труда, способствовать улучшению качества изготавливаемой продукции и снижению ее себестоимости. Основными тенденциями современного машиностроения являются повышение мощности и быстроходности, равномерности хода, автоматизации, длительной безотказной работе, удобству и безопасности обслуживания, экономичности при эксплуатации, обеспечения минимального веса и, возможно, наименьшей стоимости конструирования и изготовления машин.

В настоящее время перед машиностроением возникает ряд проблем. Наиболее развита та часть машиностроения, которая носит название «Теория механизмов и машин». Она изучает такие методы исследования свойств машин, которые являются общими для всех механизмов независимо от их назначения, рассматривает общие методы проектирования схем. Эта наука, решает вопросы строения, кинематики и динамики механизмов в процессе их анализа и синтеза. Проблемы теории механизмов могут быть разделены на две группы. Первая группа проблем посвящена исследованию существующих механизмов — анализу механизмов. Вторая группа проблем посвящена проектированию новых механизмов для осуществления заданных движений - синтезу механизмов.

К 1994г., благодаря исследованиям структурных свойств механизмов, выполненных Л.В.Ассуром, И.И.Артоболевским, Г.Г.Барановым, У.А.Джолдасбековым и другими, была доказана необходимость систематизации строения механических систем.

Было доказано, что основным элементом любого механизма является группа нулевой подвижности или группа Ассура, что элементарных, не распадающихся на более простые, групп Ассура неограниченное число, что нахождение их многообразия есть задача важная и достаточно сложная. Единого метода к их нахождению до 1994г. найдено не было.

В настоящей диссертации на основе исследований Л.Т.Дворникова разработаны принципиально новые подходы к структурному синтезу механических систем, представлена структурная классификация многозвенных плоских групп Ассура с кинематическими парами V класса. Впервые даны семь необходимых и достаточных условий отыскания групп. Автору диссертации удалось разработать и обосновать метод создания сложных стержневых конструкций, в том числе ферм строительного назначения из многозвенных групп Ассура. Способ защищен патентом РФ.

Выполненный в настоящем исследовании анализ сложных групп Ассура, позволил утверждать, что для полной классификации групп необходимо учитывать четыре параметра, а именно: сложность замкнутого изменяемого контура, сложность используемого базисного звена, число применяемых звеньев, сложность и число дополнительных замкнутых изменяемых контуров. Классификация доведена до завершающего состояния и приводится в работе в виде фрагментов. По мнению автора, классификация найдет применение не только в теории структуры механизмов, но и в практике.

Большое внимание в исследовании обращено на принципиальное отличие механизмов высоких классов от групп высоких классов. Показано, что наличие в механизме замкнутых изменяемых контуров далеко не всегда является основанием относить его к механизму высокого класса. Классность механизмов существенно зависит от принятого ведущего звена, от задания движения сложнодвижущимся звеньям.

Исследования позволили целенаправленно синтезировать ряд уникальных механизмов. На основании полученных решений для многозвенных групп Ассура разработан алгоритм создания МВК для нужд машиностроения.

Заключение диссертации по теме «Теория механизмов и машин», Баклушина, Ирина Сергеевна

Выводы:

1. Трудности кинематического и кинетостатического исследования групп Ассура высоких классов определяются не только сложностью используемого в ней наиболее сложного изменяемого замкнутого контура. При классификации групп высоких классов необходимо учитывать и иные особенности групп, а именно: сложность базисного звена группы, число звеньев группы, число и сложность иных используемых в группе изменяемых замкнутых контуров. Предложенный способ классификации групп Ассура высоких классов может явиться основой разработки единых методов их исследования.

2. При исследовании собственно механизмов далеко не всегда класс механизма определяет сложность примененного в нем замкнутого изменяемого контура. К изменению класса механизмов может приводить, в частности, изменение ведущего звена, а также использование подвижных приводов, например при замене вращательных кинематических пар на поступательные.

3. Методика поиска целесообразных структур плоских механизмов высоких классов должна включать в себя синтез самих структурных групп Ассура высоких классов и последующее соединение их через вновь образующиеся изменяемые замкнутые контуры.

4. Решения задач синтеза плоских механизмов высоких классов могут быть доведены до получения четких алгоритмов создания уникальных, работоспособных конструкций для широкого применения в производственной практике.

Показанные в настоящей главе примеры получения принципиально новых, имеющих патентные перспективы механизмов, свидетельствуют о реальной целесообразности разработанных методов.

Заключение

Диссертация посвящена разработке методов синтеза структур многозвенных плоских групп Ассура и механизмов высоких классов. В ней, в частности решены следующие основные задачи:

1. Разработка метода структурного синтеза плоских механических систем с кинематическими парами V класса.

2. Обоснование необходимых и достаточных условий образования групп Ассура (нулевой подвижности) любой сложности.

3. Обоснование критериев отличия групп Ассура друг от друга при заданном числе звеньев и разработка алгоритма нахождения полного их многообразия.

4. Обоснование органической связи между группами Ассура и строительными фермами и метода их идентификации.

5. Разработка способа создания конструктивных схем строительных ферм из сложных многозвенных групп Ассура.

6. Разработка методов создания сложных групп Ассура с целью образования механизмов высоких классов для нужд машиностроения.

В работе универсальная структурная система, предложенная Л.Т.Дворниковым, была применена к решению задач синтеза структур групп Ассура. В основе универсальной структурной системы используется понятие г - угольника (наиболее сложного звена цепи), к которому последовательно присоединяются звенья щ , добавляющие в цепь по i кинематических пар.

Автором проведено преобразование универсальной структурной системы для целей решения задач синтеза структур плоских механизмов и на этом основании найдено многообразие многозвенных групп Ассура с кинематическими парами V класса пригодных для практического применения. В настоящей работе обоснованы семь следующих необходимых и достаточных условий поиска нераспадающихся на более простые групп Ассура:

- группа должна иметь нулевую степень подвижности;

- элементарная группа Ассура не должна распадаться на более простые;

- группа Ассура не может содержать внутри себя звеньев, которые, входя в кинематическую цепь, не добавляют кинематических пар;

- при построении сколь угодно сложных групп Ассура необходимо обеспечивать между отдельными выходами число звеньев, не менее трех;

- простейшим изменяемым замкнутым контуром в кинематической цепи группы Ассура должен применяться четырехугольный контур;

- группа Ассура не может быть создана менее чем с двумя выходами;

- внутри сложных групп Ассура не могут использоваться сочетания звеньев и кинематических пар, образующих так называемые фермы Баранова.

Понятие внутренних и наружных сторон цепи позволило разработать алгоритм полного синтеза структур. Найдены и представлены в виде таблицы возможные значения параметров для групп нулевой подвижности, начиная от диады до восемнадцатизвенных цепей.

Использованный в настоящем исследовании общий алгоритм синтеза структурных групп Ассура, удовлетворяющих заданным условиям предполагал: последовательное усложнение базисного звена или увеличение количества звеньев, составляющих цепь; введение замкнутых изменяемых контуров; варьирование числа свободных выходов цепи (изменение наружных сторон кинематической цепи); изменение числа внутренних сторон кинематической цепи.

Разработанный алгоритм был применен к синтезу десятизвенных плоских групп Ассура и позволил выявить полное многообразие схем кинематических цепей.

Целесообразность процесса создания сложных многозвенных групп Ассура доказана на примерах:

- создания сложных строительных ферм и

- синтеза механизмов высоких классов.

В диссертации строительные фермы рассматривались, как объекты применения теории многозвенных групп Ассура. Показанная связь между плоскими строительными фермами и группами Ассура предполагает однотипные подходы в решении задач синтеза их структур. Идентификация групп Ассура и строительных ферм позволили разработать методы связки, развязки и перевязки узлов ферм из кинематических пар, что впервые дало возможность получать жесткие ферменные конструкции сложного типа, ранее встречающиеся как частные изобретения (например, ферма Шухова). Выявлены специфические особенности групп Ассура, пригодных для образования из них сложных строительных ферм, а именно:

- группа Ассура должна иметь два свободных выхода;

- группа Ассура должна состоять не менее чем из восьми звеньев.

Разработанный «Способ создания конструктивных схем строительных ферм» защищен патентом РФ № 2148133 и решает задачи синтеза сложных ферм.

На основе разработанного способа найдены сложные схемы строительных ферм из двадцатизвенных групп Ассура, что убедительно указывают на полную разрешимость задачи.

Особое внимание в работе обращено на создание метода структурного синтеза сложных механизмов высоких классов. Рассмотрены особенности и классификация механизмов высоких классов. Рекомендовано классифицировать группы по четырем параметрам, а именно, по сложности контура, по сложности базисного звена, по числу звеньев, по числу и по сложности дополнительных изменяемых замкнутых контуров в механизме. Впервые дана полная классификация групп Ассура IV и V классов, схемы которых приведены в табличной форме для четырех-, шести-, восьми- и десятизвенных групп.

Показано, что не всегда класс механизма определяется сложность нераспадающегося замкнутого изменяемого контура. К изменению класса механизмов может приводить, в частности, изменение ведущего звена, а также использование подвижных приводов, например при замене вращательных кинематических пар на поступательные.

Приведены и обоснованы примеры новых конструктивных схем механизмов высоких классов (прессов). По одной из схем рычажного преобразователя усилий получен патент РФ №

Разработана также подъемно-транспортная платформа в виде механизма высокого класса, на которую подана заявка в Роспатент на изобретение.

Алгоритмичное решение задач синтеза плоских механизмов высоких классов дает возможность получать уникальные и надежные механизмы, обладающие особыми качествами. Алгоритмичность решения задач синтеза структур механических систем позволит перейти к созданию компьютерных программ.

Таким образом, в диссертации разработан метод синтеза структур многозвенных плоских групп Ассура, доказана его целесообразность на примере синтеза сложных строительных ферм и механизмов высоких классов. Практический результат защищен патентами на изобретение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Баклушина, Ирина Сергеевна, 2003 год

1. Ассур Л.В. Исследование плоских стержневых механизмов с низшими парами с точки зрения их структур и классификации. -М.: Изд-во АН СССР, 1952.-529с.

2. Чебышев П.Л. О параллелограммах. — Полн. Собр. Соч. Т.4. Теория механизмов. М.: Изд-во АН СССР, 1948.-16-36с.

3. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М., Л.: Гостехиздат, 1967г.-719с.

4. Баранов Г.Г. Классификация, строение, кинематика и кинетостатика плоских механизмов с парами 1-го рода. Труды ин-та машиноведения АН СССР. Семинар по ТММ, М., 1952, вып. 46, с.3-10.

5. Джолдасбеков У.А. Анализ и синтез механизмов высоких классов. Алма-Ата, 1993.- с.

6. Дворников Л.Т. Начала структуры механизмов. Учеб. пособие Новокузнецк, 1994,- 102с.

7. Дарков А.В., Шапошников Н.Н. Строительная механика. М.: Изд-во «Высшая школа», 1986. - 602с.

8. Джолдасбеков У.А. и др. Структурно-кинематический синтез плоских механизмов и манипуляционных устройств высоких классов со многими степенями свободы. Алма-Ата, «Гылым», 1993.-188с.

9. Джолдасбеков У.А. и др. Структурный синтез плоских рычажных механизмов высоких классов. Алма-Ата, «Гылым», 1993 .-132с.

10. Энциклопедия машиностроения. Раздел I. Инженерные методы расчетов. Том 1-3. Книга 2. Москва, «Машиностроение», 1995.-624с.

11. Дворников Л.Т., Макаров А.В. Патент РФ № 2142850 . Щековая дробилка. Опубл. 20.12.99г. БИ. № 35.

12. Дворников Л.Т., Свердлова Н.С. Патент РФ № 2083820. Буровой манипулятор. Опубл. 10.07.97г. БИ. № 19.

13. Тышкевич В.А. Структурный синтез и классификация плоских замкнутых кинематических цепей с вращательными и поступательными парами. — Тр. Ом. Политехи. Ин-та, 1967.-5-32с.

14. Богубаев Н.С. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Алма-Ата, 1992.- 16с.

15. Дворников Л.Т. Об использовании методов создания многозвенных групп Ассура к задачам структурного синтеза ферм. Материалы VII научно — практической конференции по проблемам машиностроения, металлургических и горных машин, Новокузнецк, 1998,е.

16. Дворников Л.Т. Проблемы механики современных машин. Материалы международной конференции, Улан-Удэ, 2000.

17. У.А.Джолдасбеков. Теория механизмов высоких классов. Алматы, «Гылым», 2001.- 428с.

18. Марголин Ш.Ф. Теория механизмов и машин. Минск, «Вышэйшая школа», 1968.-359с.

19. Бруевич Н.Г. Точность механизмов. М.: Гостехиздат, 1946.-332с.

20. Рабинович И.М. Основы строительной механики стержневых систем. М., 1956.-324с.

21. Озол О.Г. Основы конструирования и расчета механизмов. Рига, «ЭВАЙГЗНЕ», 1979,-ЗбОс.

22. Озол О.Г. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1984-432с.

23. Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин. М., 1949-448с.

24. Кожевников С.Н. Основания структурного синтеза механизмов. — Киев: Наук. Думка, 1979-232с.

25. Добровольский В.В., Артоболевский И.И. Структура и классификация механизмов. М.; JL, 1939-66с.

26. Добровольский В.В. Теория механизмов. М., Машгиз, 1951-465с.

27. Малышев А.П. Прикладная механика. Вып. 1. Структура и синтез механизмов. Томск, 1923-91с.

28. Малышев А.П. Анализ и синтез механизмов с точки зрения их структуры. Томск, 1929-78с. (Изв. Том. Технол. Ин-та; Вып.44).

29. Сомов П.О. О степенях свободы кинематических цепей. — Журнал русского физико-хим. о-ва. М., Т. XIX, вып.9, 1887.-443-478с.

30. Хорунжин B.C., Скабкин Н.Г. О проектировании механизма третьего класса с возвратно-поступательным движением выходного звена и регулируемым выстоем. Омск,

31. Хорунжин B.C., Хомченко В.Г., Скабкин Н.Г. Исследование модификаций механизма 3 класса с регулируемым выстоем выходного звена, совершающим возвратно-поступательные движения. Омск,

32. Скабкин Н.Г. Кинематический синтез плоских рычажных механизмов третьего класса по заданному семейству циклограмм с выстоем выходного звена. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Омск, 2002.-16с.

33. Чиченев Н.А., Свистунов Е.А. Руководство к решению задач по прикладной механике. М., «Машиностроение», 1979-80с.

34. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин. М.: «Наука», 1979.-574с.

35. Баранов Г.Г. Курс теории механизмов и машин. М., «Машиностроение», 1975.- 494с.

36. Курсовое проектирование по теории механизмов и машин. Под ред. Подрядчиков П.Т. М., «Машиностроение», 1964-321с.

37. Смирнов А.Ф., Александров А.В, Лащеников Б.А., Шапошников Н.Н. Строительная механика стержневых систем. М., 1981-427с.

38. Пожбелко В.И. Структурный синтез и анализ механических систем произвольной структуры заданного уровня сложности. Известия вузов. Машиностроение. 2000. № 5-6. - 13-26с.

39. Джолдасбеков У.А., Байгунчеков Ж.Ж. Аналитическая кинематика и динамика плоских рычажных механизмов высоких классов и вращательными и поступательными кинематическими парами. Алматы, «Гылым», 1993.-150с.

40. Байгунчеков Ж.Ж., Джолдасбеков С.У. Основы структурно-кинематического синтеза пространственных механизмов высоких классов. Алматы, «Гылым», 1994.-117с.

41. Колчин Н.И., Мовнин М.С. Теория механизмов и машин. Ленинград, «СУДРОПМГИЗ», 1962.-616с.

42. Пейсах Э.Е., Нестеров В.А. Система проектирования плоских рычажных механизмов. М.: «Машиностроение», 1988.-231с.

43. Хомченко В.Г. Аналитический синтез 8-мизвенных рычажных механизмов с двумя приближенными остановками выходного звена по заданной циклограмме. Теория механизмов и машин. — Харьков, вып.38. 1985.-74-79с.

44. Балакин П.Д. Систематика и особенности строения механических приводов, наделенных свойством адаптации. Проблемы машиностроения и металлообработки. Омск, ОмПИ, 1992.-10-15с.

45. Теория механизмов и машин. Учебник для втузов. Под ред. Фролова К.В. М.: Высшая школа, 1987.-436с.

46. Дворников JI.T., Климова И.С. Патент РФ № 2148133. Способ создания конструктивных схем строительных ферм. Опубл. 27.04.2000г. БИ. № 12.

47. Джолдасбеков У.А., Абдрахимов У.Т. Структурный анализ многоконтурных механизмов высоких классов. Препринт Алма-Ата: АН РК, 1992.-79с.

48. Джолдасбеков У.А., Молдабеков М.М. Аналитические методы анализа и синтеза механизмов высоких классов. Алматы, 1997.-230с.

49. Дворников Л.Т., Баклушина И.С. Универсальный метод синтеза структур механических систем. В кн. «Новые материалы и технологии НМТ 2002». Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции, том 2. г.Москва, 2002.-65-66с.

50. Прокопьев И.П., Смирнов А.Ф. Теория сооружений. — М.: «Высшая школа», 1948.-468с.

51. Ржаницин А.Р. Строительная механика. М.: «Высшая школа», 1982.-344С.

52. Дворников J1.T., Баклушина И.С. Новые подходы к классификации групп Ассура высоких классов. Материалы XIII научно — практической конференции по проблемам машиностроения, металлургических и горных машин, Новокузнецк, 2003 .-78с.

53. Список опубликованных работ

54. Климова И.С. (Баклушина И.С.) К вопросу о синтезе строительных ферм из многозвенных групп Ассура. Материалы VIII научно-практической конференции по проблемам машиностроения металлургических и горных машин. СибГИУ, г.Новокузнецк, 1998 г., с.56-62.

55. Дворников JI.T., Климова И.С.(Баклушина И.С.) Патент РФ № 2148133. Способ создания конструктивных схем строительных ферм. Бюлл. № Москва, 2000 г.

56. Баклушина И.С. Синтез десятизвенных групп Ассура с двумя свободными выходами. Материалы XI научно-практической конференции по проблемам механики и машиностроения. СибГИУ, 2001 г., с.76-82.

57. Баклушина И.С. Механизмы высоких классов. Региональная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения». СибГИУ, Новокузнецк, 2001г., с.284-285.

58. Дворников Л.Т., Баклушина И.С. Обоснование условий синтеза работоспособных и нераспадающихся на более простые группы Ассура. Материалы XII научно-практической конференции попроблемам механики и машиностроения. СибГИУ, г.Новокузнецк, 2001 г., с.77-83.

59. Дворников JI.T., Баклушина И.С. Универсальный метод синтеза структур механических систем. В кн. «Новые материалы и технологии НМТ — 2002». Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции, том 2. г.Москва, 2002г., с.65-66.

60. Дворников JI.T., Баклушина И.С. Новые подходы к классификации групп Ассура высоких классов. Материалы XIII научно-практической конференции по проблемам механики и машиностроения. СибГИУ, г.Новокузнецк, 2003 г., с.70-81.