Структурно-параметрическое исследование пятизвенного дезаксиального винто-рычажного механизма тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.18, кандидат технических наук Чусовитин, Николай Анатольевич

• Чусовитин, Николай Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чусовитин, Николай Анатольевич

Введение.

Глава 1. Научное обоснование, задачи исследования пространственного рычажного механизма с низшими, одноподвижны-ми кинематическими парами.

1.1. Анализ конструктивных особенностей механических перемешивающих устройств.

1.2. Задача создания и исследования пространственных рычажных механизмов с одноподвижными низшими кинематическими парами.

1.3. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Анализ функций, определяющих параметры пространственного рычажного механизма.

2.1. Определение структурных параметров механизма методами теории чисел.

2.2. Применение алгоритма Евклида в решении выражений структурной математической модели.

2.3. Идентификация комбинаторно полученных шифров структурных схем механизмов и установление их соответствия задачам синтеза

2.4. Выводы.

Глава 3. Синтез параметрических условий существования винторычажного механизма.

3.1. Синтез кинематических схем винто—рычажного механизма.

3.2. Условия существования аксиального винто-рычажного механизма

3.3. Условия существования дезаксиального винто-рычажного механизма.

3.4. Выводы.

Глава 4. Обоснование метрических параметров пространственного кулисного механизма.

4.1. Области решений параметрических моделей аксиальных и дезак-сиальных винто—рычажных механизмов.

4.2. Исследование функций коррекции положения механизма и зон перемещений винта.

4.3. Определение рациональных геометрических параметров винто-рычажного механизма с равными или различными углами давления и перекрытия.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структурно-параметрическое исследование пятизвенного дезаксиального винто-рычажного механизма»

Актуальность темы. Развитие современных высокопроизводительных машин требует создания оригинальных устройств, повышающих технический уровень и расширяющих технологические возможности оборудования. Стремление к воспроизводству пространственных перемещений при минимальном числе звеньев и малых габаритах привело к необходимости проектирования механизмов, в том числе винто-рычажных [1], которые, по сравнению с плоскими, обладают большими возможностями по воспроизведению сложных законов движения и траекторий.

Эффективность работы пространственных рычажных механизмов с кинематическими парами пятого класса зависит от выбора рациональных структурных и геометрических параметров, удовлетворяющих параметрическим, дискретизирующим и функциональным ограничениям [2].

В работах [3-5] указывается, что в качестве определяющих (входных) структурных параметров рычажных механизмов принимают число простейших неповторяющихся видов движений звеньев, подвижность механизма и ограничения, накладываемые на использование видов и количества кинематических пар.

В зависимости от реализации конкретных значений определяющих структурных параметров синтезируемый механизм может быть простым или сложным, однотипным или многотипным, иметь замкнутую или разомкнутую кинематическую цепь, сложную систему управления, обладать различным КПД [6].

Поскольку выбранные значения структурных параметров не дают возможности в полной мере охарактеризовать механизм, его синтез проводят с учётом функциональных признаков, формулируемых на этапе параметрического исследования. В большинстве случаев к таковым относят условия, устанавливающие метрические соотношения между длинами звеньев, удовлетворяющие правилу Грасгофа (существование кривошипа), обусловливающие значения углов давления в кинематических парах, не превышающих допустимых величин. Выполнение таких условий позволяет использовать в приводе механизмов асинхронные двигатели меньшей мощности [7], предотвращать возможные деформации звеньев и реализовывать заданные перемещения звеньев. Важность контроля угла давления в механизме заключается в том, что с его увеличением растут энергозатраты на преодоление сил трения, а при больших значениях угла возможно самоторможение.

На этапе кинематического исследования зависимыми параметрами механизма выступают кинематические характеристики: положения звеньев, аналоги скоростей и ускорений звеньев, а также их характерных точек. Поиск соотношений между параметрами механизма, при которых достижимы определенные значения кинематических функций, позволяет определить области рациональных значений длин звеньев.

Для оценки кинематических и динамических характеристик механизмов рекомендуется определять: относительные линейные параметры, максимальный угол качания или ход ведомого звена, коэффициент изменения скорости движения (т.е. отношение угла поворота ведущего звена при рабочем (прямом) ходе к углу поворота при холостом (обратном)), минимальные или максимальные углы передачи и значения аналогов скоростей и ускорений ведомых звеньев [8].

В настоящее время морфологическое исследование пространственных механизмов с минимальным числом одноподвижных, низших кинематических пар пятого класса, предусматривающее подробный анализ возможных вариантов намеченного решения и конечный синтез на основе математического анализа, оканчивающееся поиском рационального варианта, представлено не в полной мере, что можно объяснить отсутствием детализированных способов расчета существующего многообразия видов механизмов, и поэтому является актуальной научно-исследовательской задачей.

В механизмах, с парами пятого класса отсутствуют дополнительные устройства обеспечивающие постоянное замыкание звеньев, износ элементов пар, воспринимающих ударные нагрузки, компенсируется достаточно просто, а площадь опорных поверхностей исключает или уменьшает изгиб оси шарнира при передаче усилий. Использование в элементах пар круглой цилиндрической поверхности облегчает получение точного центрирования и направления звеньев.

Отметим, что применение механизмов, обеспечивающих реализацию технологических процессов меньшим числом подвижных звеньев и кинематических пар, позволит рационально использовать энергоресурсы, сократить стоимость производства и эксплуатационные расходы, минимизировать воздействие избыточных инерционных усилий на звенья, увеличить срок службы механизмов, рабочие скорости движения звеньев, кинематическую точность, в том числе и за счет уменьшения мертвых ходов звеньев.

Совмещение движений на ведущем звене механизма, при минимальном количестве кинематических пар и звеньев, является резервом сокращения времени цикла и повышения производительности механизма.

Высшие пары имеют большое разнообразие форм элементов, поэтому механизмы, в состав которых они входят, могут осуществлять требуемые производственные движения с меньшим числом звеньев, меньшими габаритами и имеют простую конструкцию. Однако чтобы определить функцию положения, требуется задаться уравнениями поверхностей, образующих высшие кинематические пары, что, несомненно, представляет собой сложную задачу.

В связи с этим актуально синтезировать механизм, с низшими однопод-вижными кинематическими парами обладающий свойствами механизмов с высшими парами.

Откуда целью диссертационной работы является обоснование структурных, кинематических и метрических соотношений параметров дезаксиально-го винто-рычажного механизма с минимальными числами звеньев и одно-подвижных кинематических пар.

Задачи исследования:

- синтез структурной схемы одноподвижного дезаксиального винто— рычажного механизма с минимальными числами звеньев и одноподвижных кинематических пар;

- синтез вариантов кинематических схем и параметрических условий существования дезаксиального винто-рычажного механизма;

- оценка влияния соотношений углов перекрытия и давления на кинематические параметры дезаксиального винто-рычажного механизма;

- обоснование рациональных геометрических параметров дезаксиального винто-рычажного механизма.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснованы минимальные числа кинематических пар и подвижных звеньев для реализации структурных схем дезаксиального винто-рычажного механизма с учётом вида движения ведущего звена и свойств установки одноподвижных кинематических пар.

2. Установлено соотношение размеров кривошипа, коромысла и дезак-сиала, определяющее варианты кинематических схем механизма.

3. Найдена квадратичная зависимость между геометрическими параметрами механизма и углом перекрытия, позволяющая синтезировать дезаксиального винто-рычажного механизма с заданным коэффициентом неравномерности движения винта.

4. Определены области рациональных значений длин звеньев дезаксиального винто-рычажного механизма с учётом соотношений углов перекрытия и давления, кинематических параметров движения винта.

Научная новизна:

1. Установлена зависимость количества вариантов кинематических схем дезаксиального винто-рычажного механизма с минимальными числами подвижных звеньев (п = 4) и одноподвижных кинематических пар (р5 ~ 5) от возможных соотношений геометрических параметров.

2. Сформулированы условия параметрического синтеза дезаксиального винто-рычажного механизма при различных соотношениях углов давления и перекрытия.

3. Определена зависимость аналога угловой скорости винта от угла поворота кривошипа и от относительных параметров кит, равных квадратам отношений длин кривошипа и коромысла (дезаксиала) к размеру стойки.

4. Установлены кинематические параметры движения винта, равные отношениям аналогов угловых скоростей рабочего органа к пройденному пути, позволяющие проводить оценку технологических возможностей дезаксиального винто-рычажного механизма.

Практическая значимость работы заключается:

1. В разработке рекомендаций по выбору параметров дезаксиального винто-рычажного механизма при различных соотношениях величин углов давления и перекрытия, обеспечивающих максимальные значения отношениям аналогов угловых скоростей винта к пути, пройденному его консолью.

2. В создании программного обеспечения, позволившего автоматизировать структурный синтез дезаксиального винто-рычажного механизма.

3. В использовании результатов работы в качестве методических материалов в учебном процессе кафедры «Прикладная механика» НГТУ, а также в конструкторской практике организаций машиностроительной и строительной отраслей промышленности.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы представлялись на:

- The 5 International Symposium on Science and Technology KORUS, Polytechnic University, Tomsk, 2001 г.;

- II Международной конференции «Проблемы механики современных машин». ВСГТУ, г. Улан-Удэ, 2003 г.;

- Международной конференции по теории механизмов и механике машин. КубГТУ, г. Краснодар, 2006 г.;

- Международной практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему» СГУПС, г. Новосибирск, 2007 г.; J

- The 3 International strategic technologies IFOST. Novosibirsk State Technical University (Russia), 2008 г.;

- IV Международной конференции «Проблемы механики современных машин». ВСГТУ, г. Улан-Удэ, 2009 г;

- III Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию НГАСУ (Сибстрин). НГАСУ, г. Новосибирск, 2010 г., а также в отчете по НИР, № Гос. регистрации 01.9.500.01.36.3. №02960003584, Шифр НГТУ ГБ. - Новосибирск, 1997.

Личный вклад автора.

Основные результаты диссертационной работы, полученные автором лично:

- найдены минимальные числа одноподвижных кинематических пар и звеньев для реализации структурных схем пространственных механизмов;

- установлены структурные условия синтеза пространственных механизмов с различными свойствами установки одноподвижных кинематических пар;

- определены кинематические схемы дезаксиального винто-рычажного механизма с вращающимся и, или качающимся винтом;

- выявлены условия синтеза дезаксиального винто—рычажного механизма при различных соотношениях углов давления и перекрытия;

- разработана многокритериальная система оценки технологических возможностей механизма, которая обеспечивает достижение максимальных показателей воздействия рабочего органа на среду;

- разработаны аналитические методики кинематического синтеза и анализа винто-рычажного механизма, созданы физические модели механизма, сформулированы основные выводы настоящей работы.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 12 научных работах автора, в том числе 2 работы опубликованы,в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 1 — в .сборнике научных трудов, 6 - в сборниках трудов международных и всероссийских научно-технических конференций, 3 - патента РФ:

Структура, и объем, работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (117 наименований), и приложений. Общий объем работы — 156 страниц, в том числе 148 страниц основного текста, включающих 69 рисунков и 8 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Теория механизмов и машин», Чусовитин, Николай Анатольевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно-практическая- задача обоснования структурных и геометрических параметров и практической реализации дезаксиального винто-рычажного механизма.

Основные научные и практические результаты работы:

1. Синтезированы схемы одноподвижных пространственных рычажных механизмов с минимальными числами звеньев и одноподвижных кинематических пар, равных четырем и пяти, соответственно, с учётом ограничения видов движения звеньев, видов и свойств установки подвижных соединений.

2. Определено 19 вариантов кинематических схем пространственного механизма, из которых 13 являются дезаксиальными по положению винта, с учётом многозначности обратных тригонометрических соотношений метрических параметров:

3. Предложена целевая функция-2-й степени, позволившая установить виды параметрических условий синтеза дезаксиального винто-рычажного механизма в плоскости- относительных параметров кит, равных отношениям квадратов длин кривошипа и коромысла-дезаксиала к размеру стойки:

4. Получена функция общих решений условий, ограничивающих углы давления и перекрытия; она позволяет определить метрические соотношения между длинами звеньев, при которых выполняется равенство данных углов.

5. Установлена зависимость кинематических параметров движения винта дезаксиального винто-рычажного механизма от соотношений параметров к, т, углов давления и перекрытия, позволяющая провести сравнительную оценку воздействия его рабочего органа на среду.

6. Реализован в физических моделях дезаксиальный винто-рычажный механизм с минимальным числом подвижных звеньев, равным четырем и пятью одноподвижными кинематическими парами, что подтверждает проведенные теоретические исследования.

7. Разработаны пакеты программ, позволившие определить структурные схемы механизма с учетом перестановок и пространственных положений од-ноподвижных кинематических пар, вращательного движения ведущего звена, выполнение условия соосности и соседства вращательной и винтовой пар, а также провести исследование параметров движения винта дезаксиального винто—рычажного механизма.

8. Полученные структурные схемы дезаксиальных винто-рычажных механизмов защищены патентами РФ № 2067535, 2113897 и 2369430.

138

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чусовитин, Николай Анатольевич, 2010 год

1. Артоболевский, И. И. Механизмы в современной технике: Пособие; для инж., конст. и изобретателей / Ж И. Артоболевский // Рычажные;механизмы. М.: Наука, 1970. - Т. 1. - 608 с.

2. Левитский, Н. И. Теория механизмов и машин / 2-е. изд., перераб. и доп. / Н. И. Левитский. - М.: Наука, 1990. - 592 с.

3. Ассур, Л. В. Исследование плоских стержневых механизмов с точки зрения их структуры и классификации / Л. В. Ассур. — М.: 1952. — 250 с.

4. Машиностроение: Энциклопедия: В 40 т. Машины и оборудование пищевой и перерабатывающей промышленности / Под. ред. А. П. Бессонова. М.: 2003. - Т. 4. - 735 с.

5. Фролов, К. В: Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного?производства / К. В: Фролов. Волгоград: Политехник, 2003. — 120с. .

6. Артоболевский, И. И. Теория механизма и машин / И: И: Артоболевский. — Изд. 5-е, стериотип. М.: Наука, 2008. - 639 с.

7. Кузьмин- А. В. Справочник по расчётам механизмов подъемно-транспортных машин / А. В. Кузьмин, Ф. Л., Марон. Минск: Вышэй-шая школа, 2003. - 347 с.

8. Сумский, С. Н. Расчет кинематических и динамических характеристик плоских рычажных механизмов: Справочник / С. Н. Сумский. М.: Машиностроение, 1980. — 312 с.

9. Космодемьянский, А. А. Очерки по истории механики / А. А. Космодемьянский. М.: Просвещение, 1964. - 451 с.

10. Степанов, А. В. Компьютерный синтез структур механизмов плоской цепи с парами пятого класса / А. В. Степанов, Л. Т. Дворников. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2007. — 163 с.

11. Обрабатывающее оборудование "нового поколения: Концепция, проектирования / В. Л. Афонин, А. Ф. Крайнев, В. Е. Ковалев, Д. М. Ляхов; под ред. В. Л. Афонина. М.: Машиностроение, 2001. - 250 с.

12. Фролов, К. В. Инновационные технологии в машиностроении / К. В. Фролов. М.: Знание, 2004". - 83 с.

13. Диментберг, Ф. М.' Пространственные механизмы / Ф. М. Диментберг. -М.: Наука, 1955.-433 с.

14. Крайнев, А. Ф. Механика от греческого тесЬашке ^еЫте) — искусство построения машин / А. Ф. Крайнев. — М.: Машиностроение, 2000 903 с.

15. Афонин, В. Л. Обрабатывающее оборудование нового поколения: Концепция проектирования / В. Л. Афонин, А. Ф. Крайнев, В. Е. Ковалев, Д. М. Ляхов; под ред. В. Л. Афонина-М.Машиностроение, 2001.-250 с.

16. Теория механизмов и механика машин / К. В. Фролов, С. А. Попов, А. К. Мусатов, Д. М. Лукичев и-др.; под ред. К. В. Фролова. 4-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2003.- 495 с.

17. Фролов, К. В. Конструирование машин: Справ, метод. Пособие. В 2 т. / К. В. Фролов, А. Ф. Крайнев, Г. В. Крейнин, Б. И. Павлов. М.: Машиностроение. 1993. - Т. 1. - 530 с .

18. Алгоритмы синтеза и анализа механизмов: Сб. стат.— М.: Наука, 1977. -171с.

19. Евдокимов, Ю. И. Условия существования кривошипа и число сборок механизма, содержащего трехповодковую группу общего вида • / Ю. И. Евдокимов // «Вопросы исследования импульсных систем»: Меж. вуз. сб. Новосибирск: НЭТИ, 1982. - С. 120 - 125.

20. Евдокимов, Ю. И. Синтез механизма грейферного погрузчика с учётом угла давления / Ю. И. Евдокимов // Материалы Междунар. науч.- практ. конф. Новосибирск: НГАУ, 2004. - Ч. 2. - С. 63 - 72.

21. Проблемы анализа и синтеза механизмов^ и машин: Меж. вуз. Сбор. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. 158<с.

22. Крайнев, А. Ф. Словарь справочник по механизмам / А. Ф. Крайнев.- М.: Машиностроение, 1981. 439 с.

23. Смелягин, А. И. Структура механизмов и машин / А. И. Смелягин.- Новосибирск: НГТУ, 2001. 286 с.

24. Смелягин, А. И. Структура механизмов и машин / А. И. Смелягин.- Новосибирск: НГТУ, 2003. 304 с.

25. Теория механизмов и механика машин / К. В. Фролов, С. А. Попов, А. К. Мусатов, Д. М. Лукичев; под ред. Фролова К. В. — 3-е изд., стерио-тип. М.: Высш. шк., 2001. - 496 с.

26. Дворников, Л. Т. Начала теории структуры механизмов / Л>. Т. Дворников. Новокузнецк: 1994. - 102 с.

27. Дровников, А. Н. Неассуровы структуры механизмов и машин / А. Н. Дровников. Ростов н/Д: Пегас, 2000. - 134 с.

28. Конструирование машин: Справ. — метод, пособие: В 2 т. / К. В. Фролов, А. Ф. Крайнев, Г. В. Крейнин, Б. И. Павлов. М.: Машиностроение, 1994.-Т. 1.-528 с.

29. Элементы механизмов / Под. ред. С. Н. Кожевникова. — М.: 1950. 699 с.

30. Зиновьев, Вл. А. Теория механизмов и машин / Вл. А. Зиновьев. — М.: Гос. науч.-тех. изд—во., 1959. — 179 с.

31. Войтов, А. Г. Техника: Общая теория / А. Г. Войтов, М.: Маркетинг, 2001.-233 с.

32. Анализ и синтез механизмов / Под ред. Н. И. Левитского: М.: Машиностроение, 1969. — 312 с.34.