Структура и кинематика механизмов четвертого порядка

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.

Ведущей отраслью современной промышленности является машиностроение, т.к. основные процессы выполняют машины. Для того чтобы создать механизм и довести его до практического применения, необходимо сначала спроектировать, разработать его конструкцию и выбрать из представленных схем наиболее приемлемую с точки зрения оптимальных условий работы.

В настоящее время перед машиностроением возникает ряд проблем. Наиболее развита и изучена та часть машиностроения, которая носит называние «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. Это наука, изучает строение, кинематику и динамику механизмов в связи с их анализом и синтезом. 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 существующих заданных движений — синтезу механизмов.

Для изучения строения механизмов, исследования движения тел, независимо от сил их вызывающих, применяется структурный и кинематический анализ механизмов.

По предложению Артоболевского И. И. все механизмы подразделяются на «семейства». Наиболее широко в современной литературе изучены механизмы третьего семейства, т. е. плоские механизмы, допускающие три относительных движения в плоскости. Если возможно только поступательное движение звеньев, то их относят к механизмам четвертого семейства. К ним принадлежат плоские клиновые и пространственные винтовые механизмы. При этом винтовые механизмы являются частным случаем клиновых, так как любую винтовую поверхность можно представить в виде наклонной плоскости. Несмотря на большое количество рассмотренной литературы можно с уверенностью утверждать, что механизмы четвертого семейства не были достаточно изучены, а поэтому до технического воплощения дошли лишь простейшие из схем.

Артоболевский И. И. в работе [2] пытался систематизировать механизмы четвертого семейства. Автор привел примеры некоторых сложных групп с тремя и более звеньями, лежащими в основе таких механизмов, но все они были построены по одному подобию. Немецкий ученый Р. Краус [10] приводит большое количество схем и рассматривает их кинематику, но никакой закономерности при их построении не отмечает. Турпаев А. И. [16] проводил динамическое исследование механизмов четвертого семейства на примере винтовых.

После рассмотрения всего многообразия представленной литературы можно с уверенностью сказать, что никому из авторов не удалось провести последовательный синтез механизмов четвертого семейства, представить полную их классификацию, решить вопросы кинематики. Поэтому возникает задача в отыскании существующего многообразия схем, с целью создания оптимального механизма с заданными начальными параметрами.

В настоящей работе разработана принципиально новая методика к отысканию возможных схем механизмов. С использованием универсальной структурной системы, предложенной профессором Дворниковым Л. Т. в работе «Начала теории структуры механизмов» поставленная задача становится реальной. В основе этой системы лежит так называемое базисное звено (тугольник), вносящее в цепь т кинематических пар.

Автором диссертации впервые приведена классификация исследуемых механизмов, начиная от т = / и до цепей, содержащих в своем составе базисное шестиугольное звено (т.е. г = б), переменными параметрами при этом считается число звеньев п (задаемся значениями от п —: и до п- & включительно). При этом следует отметить, что возможно отыскание схем механизмов с любым числом т и п. Также в работе изложена методика кинематического исследования механизмов четвертого семейства, решен вопрос отыскания условий, при которых происходит так называемое «заклинивание» механизма.

Практическое применение таких механизмов можно представить в виде редукторов поступательного движения. На один из таких редукторов получено авторское свидетельство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе универсальная структурная система, предложенная Дворниковым Л. Т., была применена к механизмам четвертого семейства. В основу универсальной структурной системы положен гугольник (наиболее сложное звено цепи), к которому последовательно присоединяются звенья т, добавляющие в цепь / кинематических пар. Только использование данной системы позволило провести полную классификацию механических систем. Было показано, что для четвертого семейства классифицировать структурные группы Ассура не целесообразно, т.к. присоединив их к ведущему звену и замкнув оставшиеся звенья на стойку, выпадают некоторые схемы механизмов. Поэтому в работе была предложена только классификация механизмов четвертого семейства.

В представленном варианте классификации все механизмы, в зависимости от наиболее сложного звена цепи (т) и числа звеньев (п), делятся по количеству выходов (8) и количеству замкнутых изменяемых контуров (а). Максимально возможное число замкнутых изменяемых контуров определяется количеством замыкающих звеньев т. Звенья ао не могут быть использованы в качестве замыкающих, т.к. цепь оказывается разомкнутой, поэтому их предлагается на рассматривать. В работе классифицируются цепи до т = 6 и п = 8. Более сложные цепи менее применимы на практике из-за трудности их изготовления. Поэтому в работе их классификация не приведена. Ограниченность их применения обусловлена также и большим количеством избыточных связей. Появление избыточных связей создало проблему их устранения. Такие попытки предприняты в работе. Предложено кинематические пары пятого класса заменять квазивысокими классами пар четвертого и третьего классов. Теперь из всего многообразия схем можно выбрать наиболее приемлемые механизмы, подбираемые по числу выходов цепи.

Разработанные методы кинематического исследования механизмов показали их работоспособность. В работе предложены аналитический и графоаналитические методы кинематического анализа. Ранее не представлялось сложным построить планы скоростей для механизмов четвертого семейства без замкнутых изменяемых контуров. Теперь приведены методы для построения планов скоростей и ускорений для любых механизмов четвертого семейства .

Результатом работы явилось создание редуктора поступательного движения (патент № 2 082 047 от 20.06.97 г.) и разработки схемы бура вращательного длинноходового (БВД-1). Создание таких схем стало возможным только с применением универсальной структурной системы. Ранее построить такие механизмы можно было лишь случайно.