Разработка методов структурного и кинематического синтеза клиновых и винтовых механизмов четвертого семейства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.18, кандидат технических наук Баклушин, Дмитрий Сергеевич

• Баклушин, Дмитрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Баклушин, Дмитрий Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. Анализ современных представлений о механизмах четвертого семейства

1.1. Принцип деления механизмов на семейства. Представители семейств механизмов

1.2. Механизмы четвертого семейства. Принцип действия и особенности структуры

1.3. Анализ известных исследований механизмов четвертого семейства

1.4. Примеры применения механизмов четвертого семейства в технике

1.5. Постановка задач исследования

Глава II. Основы теории синтеза структуры механизмов четвертого семейства. Методы решения частных задач синтеза

2.1. Универсальная структурная система Дворникова Л.Т. и общее решение задачи синтеза структур для механизмов четвертого семейства

2.2. Ветвление кинематических цепей четвертого семейства и замкнутые изменяемые контуры в них

2.3. Метод систематического поиска структур кинематических цепей четвертого семейства при различных числах звеньев в цепи и различных подвижностях

2.4. Отыскание и классификация нераспадающихся на более простые групп Ассура четвертого семейства

2.5 О числе сторон механизма

2.6 Обоснование алгоритма установления полного состава структур механизмов четвертого семейства

Выводы по главе

Глава III. Методы структурного синтеза винтовых механизмов, как редукторов поступательного движения

3.1. Анализ использования в практике одноподвижных кинематических пар и обоснование особенностей поворотной 83 кинематической пары.

3.2. Идентификация механизмов четвертого семейства с винтовыми механизмами, не содержащими в своем составе вращательных 93 кинематических пар

3.3. Условия создания редукторов поступательного движения и вариаторов поступательного движения

3.4. Условия обеспечения работоспособности РПД с точки зрения исключения их самоторможения

3.5. Пример применения РПД в технике 106 Выводы по главе

Глава IV. Кинематика и кинетостатика редукторов поступательного движения

4.1 Разработка метода кинематического исследования РПД на основе построения картин смещений звеньев (скоростей)

4.2. Координатные оси и процедуры построения картин смещений (скоростей) РПД

4.3. Особенности построения картин перемещений (скоростей) РПД, в состав которых входят нераспадающиеся группы Ассура

4.4. Основы метода кинематического исследования и синтеза РПД

4.5. Основы метода кинетостатического исследования групп Ассура четвертого семейства 121 Выводы по главе 124 Заключение 125 Литература 128 Публикации 131 Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов структурного и кинематического синтеза клиновых и винтовых механизмов четвертого семейства»

В последние годы в Российской Федерации все более заметным становится развитие информатики и связи, транспорта, экспорта сырьевых ресурсов. Существенное внимание уделяется модернизации машиностроения, развитию обрабатывающей промышленности, созданию высокотехнологичных и инновационных производств. Получила развитие практика важнейших национальных проектов.

Перспективы коренного развития машиностроения могут основываться лишь на новейших, интенсивных технологиях с привлечением принципиально новых технических решений. Теория механизмов и машин, являясь основополагающей научной базой машиноведения, должна и вполне в состоянии сыграть роль движущего импульса в поиске новых научных и технических решений.

В последние годы учеными и практиками все большее внимание обращается на новейшие научные разработки, на поиск новых видов машин и механизмов. Одним из таких направлений является использование в практике механизмов, относящихся к так называемым механизмам четвертого семейства по классификации академика Артоболевского И.И. Это направление, являясь недостаточно проработанным, требует решения ряда классических задач, начиная с задач структурного синтеза, кинематического и кинетостатического анализа, поиска новых технических решений. В настоящей работе реализованы алгоритмы поиска кинематических цепей четвертого семейства по заданным требованиям и параметрам, предлагаются методы решения задач кинематики клиновых механизмов, дается метод поиска схем пространственных винтовых механизмов, на основе которого могут создаваться так называемые редуктора поступательного движения.

Актуальность работы.

Одними из широко используемых механизмов являются механизмы, обеспечивающие поступательное перемещение ведомых звеньев с большими усилиями и на существенное расстояние. До настоящего времени в качестве механизмов поступательного действия применялись исключительно - линейные гидравлические машины. Одним из недостатков таких машин является использование гидравлического привода, что требует создания маслонасосных станций, шлангов высокого давления, емкостей под рабочую жидкость, большой объем самой рабочей жидкости и борьбы с утечкой. Серьезной альтернативой таких машин могут быть винтовые редуктора поступательного движения.

В 1990г. в Сибирском государственном индустриальном университете под научным руководством профессора Л.Т.Дворникова были начаты исследования, посвященные разработке новых подходов к решению задач синтеза структур пространственных и плоских механических систем любой сложности. Эти исследования позволили найти некоторые новые схемы машин, показали, что проблема эта не потеряла своей актуальности. В связи с выходом на новые задачи актуальность поиска структур приобрела существенную значимость.

Целью настоящего исследования является создание метода структурного синтеза кинематических цепей четвертого семейства, с помощью которого возможно было бы синтезировать многообразие конструктивных схем кинематической цепи с заданной подвижностью, включая и нулевой подвижности (группы Ассура), и развитие метода на разработку новых видов механизмов, названных редукторами поступательного движения.

Методика исследований.

В диссертации использованы известные и оригинальные методы анализа и синтеза структуры плоских клиновых и пространственных винтовых механизмов, графоаналитические методы исследования их кинематики и кинетостатики, методы макетирования и эксперимента.

Достоверность результатов подтверждается реальными алгоритмами поиска новых структур механизмов четвертого семейства по заданным условиям. Создание новых механизмов, названных «Редукторами поступательного движения» подтверждено патентами РФ № 2150626 от 11.05.1999г. и № 2184290 от 05.07.2000г. Работа завершается актом о внедрении результатов научных исследований в ООО «КузнецкПромМонтаж» при проектировании и создании прессовых конструкций.

На защиту выносятся:

- обоснование необходимых и достаточных условий образования цепей четвертого семейства;

- метод синтеза структур плоских цепей четвертого семейства;

- метод синтеза нераспадающихся на более простые групп Ассура четвертого семейства;

- установление признаков отличий кинематических цепей друг от друга и нахождение полного состава механизмов четвертого семейства;

- новые подходы к созданию пространственных винтовых механизмов на основе их плоских клиновых аналогов;

- алгоритм синтеза новых механизмов, названных редукторами поступательного движения, и обоснование условий их полной работоспособности; методика кинематического анализа и синтеза редукторов поступательного движения. Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и представлялись: - На шестой, седьмой, восьмой, девятой, двенадцатой, тринадцатой, четырнадцатой и шестнадцатой научно-практических конференциях по секции машиностроения и горных машин (г. Новокузнецк, с 1997г. по 2005г.);

- На региональном конкурсе «Инновации и изобретения года» при Администрации Кемеровской области и торгово-промышленной палаты. Кемерово - 2004г;

- На международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых СТТ 2005 г. Томск 2005 г;

- В центре научно-технической информации, ЦНТИ г. Кемерово, 2005г;

- Работа автора была признана победителем конкурса 2003г. на соискание грантов для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России (Приказ №4288, от 19.11.2003).

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в семи научных статьях, двух изобретениях и одному решению о выдаче патента на изобретение. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 52 наименования и приложения. Общий объем работы: 154 - страниц, 12 - таблиц, 82 -рисунка.

Заключение диссертации по теме «Теория механизмов и машин», Баклушин, Дмитрий Сергеевич

Заключение

Диссертация посвящена разработке методов синтеза и классификации структур цепей четвертого семейства. В ней, в частности решены следующие основные задачи:

1. Использование универсальной структурной системы Дворникова Л.Т. обеспечивает возможность алгоритмичного структурного синтеза цепей четвертого семейства. Общее решение структурной системы, найденное в работе, позволяет по независимым параметрам IV (подвижность) и т (сложность базисного звена) находить числа звеньев и кинематических пар, сложность всех используемых звеньев и строить структурные цепи четвертого семейства во всем их разнообразии.

2. Нераспадающиеся на более простые группы Ассура четвертого семейства содержат в своем составе изменяемые замкнутые контуры, причем количество этих контуров определяется сложностью базисного звена (г). Алгоритм поиска нераспадающихся групп Ассура четвертого семейства основывается на утверждении, что все звенья без исключения должны быть использованы в образовании замкнутых изменяемых контуров.

3. Введение понятия числа сторон кинематической цепи и распределение этих сторон между выходами позволило обосновать полный перечень признаков, отличающих механизмы друг от друга, и обосновать составление так называемого «древа процедур», необходимых для установления усложняющихся по признакам механизмов четвертого семейства. Состоятельность разработанного «древа процедур» доказана проведением синтеза механизмов с числом подвижных звеньев от п = 1 до п=5.

4. Между клиновыми и винтовыми механизмами существует органическая связь. В зависимости от углов наклона резьб в винтовых парах, движение звеньев может изменяться от поступательного до поворотного. В состав механизмов четвертого семейства могут входить только поступательные и пространственные винтовые кинематические пары, последние при определенных условиях могут вырождаться либо в поступательные, либо в поворотные кинематические пары. Поворотная кинематическая пара имеет принципиальное отличие от вращательной.

На основе поворотных винтовых пар возможно построение новых видов механизмов, названных автором редукторами поступательного движения (РПД). Под РПД понимается механизм способный осуществлять передачу поступательного движения с определенной редукцией, а также вариаторов поступательного движения - механизмов способных передавать поступательное движение с редукцией, определяемой условиями сопротивления (торможения). Разработанная методика структурного синтеза редукторов поступательного движения позволяет, основываясь на плоских клиновых цепях, создавать всевозможные схемы РПД, состоящие из любого числа подвижных звеньев. Работоспособность РПД определяется критическими углами резьб в винтовых парах, обеспечивающих исключение эффекта самоторможения и тем самым гарантирующих его работоспособность.

5. Разработанная методика кинематического исследования редукторов поступательного движения позволяет выбирать необходимые углы наклона резьб в винтовых парах, обеспечивающие требуемую редукцию как простых (четырехзвенных РПД), так и более сложных, включающих в свой состав нераспадающиеся группы

Ассура. Введение понятия ступеней редуктора поступательного движения и обоснование методики определения передаточного отношения отдельных ступеней и редуктора в целом позволило перейти к задаче кинематического синтеза РПД и решить ее.

Таким образом, изложенная методика может быть использована для осуществления проектных и конструкторских работ, а созданные по этой методике винтовые механизмы способны заменить гидравлические т.к. обладают рядом бесспорных преимуществ.

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 цепей четвертого семейства, доказана его целесообразность на примере синтеза нераспадающихся групп Ассура, механизмов четвертого семейства и пространственных винтовых механизмов. Практический результат защищен патентами на изобретение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Баклушин, Дмитрий Сергеевич, 2006 год

1. Артоболевский И.И. Структура, кинематика и кинетостатика многозвенных плоских механизмов. М., Ленинград. Гос. объед.н-т. изд-воНИТП СССР, 1939г.

2. Артоболевкий И.И. К вопросу о структуре и классификации кинематических цепей с замкнутым контуров. Известия Академии наук СССР, №4, 1939г.

3. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. Том 2. Изд. Наука. Москва 1971.

4. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. Москва, Изд. Наука 1975г. 640 С. с илл.

5. Ассур A.B. Исследование плоских стержневых механизмов с низшими парами с точки зрения их структуры и классификации. М .: Изд-во АН СССР, 1952.-529с.

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

7. Дворников Л.Т., Тимофеева И.С. К решению задач структуры механизмов четвертого семейства. Материалы 2 научно-практической конференции СибМИ, Новокузнецк, 1991г.

8. Дворников Л.Т. Живаго Э.Я. Систематизация и схематическое представление многообразия кинематических пар механических систем. Материалы четвертой научно-практической конференции. Новокузнецк, 1995г.

9. Дворников Л.Т., Живаго Э.Я. Основы теории кинематических пар. СибГИУ Новокузнецк, 1999, с. 102.

10. О.Дворников Л.Т. Начала теории структуры механизмов.1. Новокузнецк, 1994г. 102с.1. .Дворников Л.Т., Тимофеева И.С. Систематизация механизмов четвертого семейства. Материалы пятой научно-практич. конф. Изд. Новокузнецк, СибГИУ, 1996г. 186с. 46-64.

11. Дворников Л.Т. Полная систематизация однозвенныхкинематических цепей. Материалы пятой научно-практич. конф. Изд. Новокузнецк, СибГИУ, 1996г. 186с. 3-13.

12. З.Дворников Л.Т., 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.

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

14. Добровольский В.В., Артоболевский И.И. Структура и классификация механизмов. Изд. Академии наук СССР, 1939г. -66с.

15. Добровольский В.В. Система механизмов. -М.: Гос.н.-т издательство машиностроительной литературы, 1943г. 102с.

16. Добровольский В.В. Теория механизмов. М., Машгиз, 1951-465с.20.3иновьев В.А. Курс теории механизмов и машин. М.: Наука, 1972.384с.

17. Кожевников С.Н. Основания структурного синтеза механизмов. Киев: Наукова думка 1979г.

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

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

20. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. М.: машиностроение, 1987г.

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

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

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

24. Марголин Ш.Ф. Теория механизмов и машин. Минск, «Высшая школа», 1968.-3 59с.29.0зол О.Г. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1984-432С.

25. ЗО.Озол О.Г. Основы конструирования и расчета механизмов. Рига, «ЭВАЙГЗНЕ», 1979.-360с.

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

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

28. Пясик И.Б. Шариковые механизмы. М.: Машгиз, 1962г.

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

30. Свердлова Н.С., Дворников Л.Т. Анализ и систематизация десятизвенных плоских групп Ассура с парами пятого класса. -Материалы пятой научно-практич. конф. Изд. Новокузнецк, СибГИУ, 1996г. 186с. 32-46.

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

32. Степанович Г.Я. Шахтные пневматические крепи. Киев.: Техника 1981- 158с.

33. Тайнов А.И. Основы теории структуры механизмов. Минск: 1959г.

34. Теория механизмов и машин./ Под ред К.В. Фролова, М.: Высшая школа, 1998г. 496с.

35. Теория механизмов и механика машин / Под редакцией Фролова К.В„ М.: Высшая школа, 1998.496с.

36. Теория механизмов и машин. Учебник для втузов. Под ред. Фролова K.B. М.: Высшая школа, 1987.-436с.

37. Тимофеева И.С. Синтез структурных групп Ассура четвертого семейства. Материалы десятой научно-практич. конф. Изд. Новокузнецк, СибГИУ, 2000г.

38. Тимофеева И.С., Дворников JI.T. Структура и кинематика механизмов четвертого семейства. Дис. СибГИУ, Новокузнецк, 1998г. 178с.

39. Туранов Х.Т. Кинематика и динамика механизмов и машин. Ташкент.: Фан., 1995г. 264с.

40. Турпаев А.И. Самотормозящиеся механизмы. М.: Машиностроение, 1966г.

41. Чебышев П.Л. О параллелограммах. Полное собрание сочинений П.Л. Чебышева. Том 4. Теория механизмов. Изд. АН ССР. М-Л, 1948г. .-16-36с.

42. Чиченев H.A., Свистунов Е.А. Руководство к решению задач поприкладной механике. М., «Машиностроение», 1979-80с. 48.Энциклопедия машиностроения. Раздел I. Инженерные методы расчетов. Том 1-3. Книга 2. Москва, «Машиностроение», 1995.-624с.

43. Robert Kraus. Getriebeaufbau. Verlag technik Berlin, 1952г., 248c. с1. ИЛЛ.

44. L. Burmester. Lehrbuch der Kinematik, 1888.

45. M. Grubler. Allgemeine Eigenschaften der zwanglaufigen ebenen kinematischen Ketten. Civilingenieur, Berlin, 1883.№ 29.

46. M.V. Liguine. Sur les systemes de tiges articulees. Nouv. annales de mathem., 1875.

47. Основные положения диссертации опубликованы в следующихработах:

48. Дворников Л.Т., Баклушин Д.С., Редукторы поступательного движения, основы теории и конструкции./ Теория механизмов и машин: Материалы десятой научно-практической конференции СибГИУ. Новокузнецк: 2000г. С. 82-94.

49. Дворников J1.T., Баклушин Д.С., Скарлыгин А.Ю., Редуктор поступательного движения (РПД)./ Материалы регионального конкурса «Инновация и изобретения года». Кемерово 2004г., С. 4344.

50. Дворников JI.T., Баклушин Д.С., Методика отыскания видов нераспадающихся групп Ассура четвертого семейства./ Теория механизмов и машин: Материалы пятнадцатой научно-практической конференции СибГИУ. Новокузнецк: 2005г. С. 77-90.

51. Дворников JI.T., Баклушин Д.С., Шестизвенный редуктор поступательного движения./ Информ. листок № 3-05 Кемеровского ЦНТИ. Кемерово 2005г. 2с.

52. Дворников J1.T., Баклушин Д.С., Четырехзвенный редуктор поступательного движения./ Информ. листок № 5-05 Кемеровского ЦНТИ. Кемерово 2005г. 2с.

53. Дворников JI.T., Баклушин Д.С., Четырехзвенный редуктор поступательного движения с поворотной парой на стойку./ Информ. листок № 4-05 Кемеровского ЦНТИ. Кемерово 2005г. 2с.

54. Дворников Л.Т., Скарлыгин А.Ю., Баклушин Д.С., Редуктор поступательного движения. / Патент РФ № 2150626 от 11.05.1999г. Опубл. 10.06.2000. Бюл.№ 16.

55. Дворников JI.T., Скарлыгин А.Ю., Баклушин Д.С., Редуктор поступательного движения. / Патент РФ № 2184290 от 05.07.2000г. Опубл. 27.06.2002. Бюл. № 18.

56. Ю.Дворников JI.T., Баклушин Д.С., Четырехзвенный редуктор поступательного движения / Решение о выдаче патента на изобретение № 2005 136 509 МПК F16H 25\20 (2006.01), приоритет от 24.11.05г.