автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Кривошипно-коромысловые механизмы переменной структуры

АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ КЫРГЫЗСТАН ИНСТИТУТ 1ШШ0ВЕДЕНИЯ

на правах рукописи

АШТОВ АЛМАШК- ШНЗАНОВИЧ

КРИВОШПНО - КСРОШСЛОШЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ

Специальность: 05.02.18 "Теория механизмов и машин"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЕЕКЕК 1993

Работа выполнена в Институте машиноведения Академии наук Республики Кыргызстан.

Научный руководитель:

Академик Международной инженерной академии, доктор технических наук, профессор С.Абдраиыов.

Официальные оппоненты:

Член-корреспондент Инженерной академии, доктор технических наук, профессор М.Т.Мамасаидов;

Кандидат технических наук К.Д.ТУрсунов.

Ведущее предприятие - Кыргызский технический университет.

Защита состоится "____1993 г. в_^час

на заседании специализированного совета Д; 05.93.04 при Институте машиноведения Академии наук Республики Кыргызстан, 720055, г.Бишкек, ул.Скрябина, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в ^архиве Института машиноведения АН Республики Кыргызстан._

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим"направлять по адресу: 720055, г.Бишкек, ул.Скрябина, 23, Институт машиноведения АН Республики Кыргызстан.

Автореферат разослан __"_____1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д. 05.93.04 , к.т.н. Т.Т.Каримбаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРЛСТЛКА РАБОТЫ

_Актуальность.темы: Повысить эффективность работы машин

или оборудования можно путем совершенствования конструкции его отдельных узлов и механизмов, но совершенство может быть только до определенных пределов. Следовательно, для дальнейшего увеличения эффективности машин необходимо использование новых механизмов, работающих на других принципах.

К таким механизмам мржно отнести механизмы переменной структуры (Щ1С). МПС позволяет обеспечить различные законы движение ведомого звена при неизменном характере движения ведущего. Следует отметить, что изменение закона движения ведомого звена обеспечивается путем изменения структуры механизма.

К проблемам создания и совершенствования I.TIC посвящены работы В.В.Добровольского, Н.В.Еремеева, С.Н.Кожевникова, Е.Я.Антонюка, У.А.Джолдасбекова, М.Н.Молдабекова, Я.З.Байгун-чекова, А.М.Ярунова и других ученых.

Большой вклад в исследование и в развитие этих механизмов внесли ученые Института машиноведения Академии наук Республики Кыргызстан О.Д.Алимов, В.К.Манкосов, А.В.Фролов, С.Абдраиыов и другие.

Непосредственно — !ШС занимаются в лаборатории Прессовых комплексов Института машиноведения.~При участии специалистов этой лаборатории была создана и вьщуцена промышленная серия безмуфтовых прессов - автоматов типа '"Уста".

Результаты исследований, проведенных в последнее время, показали, что область применения МПС очень велика. Они могут быть использованы как в прессостроении, так и в общем машиностроении, в горном деле, в строительстве, в бытовых ручных инструментах и в других отраслях народного хозяйства, поэтому исследование МПС является актуальной задачей.

Тема диссертационной работы связана с планом научно-исследовательских работ Института машиноведения АН Республики Кыргызстан. Tejía диссертационной работы утверждена на заседании ученого совета Института машиноведения.

__Цель_£аЙоти:_ Целью работы является исследование шарнир-

но-четырехзвенных МПС, а также реализация их в машинах.

В соответствии с целью работы необходимо решение следующих основных задач:

- исследование и выявление условий существования шарнира но-четырехзвенных ШС;

- разработка методики геометрического анализа шарнирно-четырехзвенных ШС ;

- проверка кинематических свойств шарнирно-четырехзвен-ных ШС в реальных конструкциях.

_'_3етодь'_исслеаования^_ Теоретические исследования выполнены на основе общих методов теории механизмов и машин. Кинематический анализ механизмов осуществляется аналитическими и численными методами с использованием ЭВМ. Достоверность выводов и рекомендация, теоретических исследования подтверждается результатами экспериментов, проведенных на макетном образце ударного ШС.

_На^чная_новизна_2аботы2_

- произведен геометрический анализ шарнирно-четырехзвен-ных ШС;

- выявлено 8 груш шарнирно-четырехзвенных ШС;

- проанализированы теоремы Абдраимова о шарнирно-четырехзвенных ШС и на основе этого анализа выявлены схемы МПС, имеющих особые положения, в которых возможно управление движением их звеньев;

- определено, что изменения структуры механизма возможна не только при изменении параметра одного из звеньев, но и при соответствующем управлении движением отдельных звеньев в особом положении механизма.

Л1Е§ктическгш_ценность_и_р^

К практической ценности работы относятся:

- рекомендация о том, что,управляя именно в особых положениях механизма,можно получить самые разнообразные механизмы, например, только из параллелограммных механизмов получено несколько новых механизмов (получены положительные решения на патенты);

- разработка конструкции макетного образца ударного ШС с электрическим приводом;

Основные результаты работ реализованы при создании конструкции опытных образцов ручного электрического, ручного механического перфораторов и ручного электрического молота, которые переданы на изготовление промышленной партии.

_Апробация_работш_ результаты диссертационной работы

обсуждались на Всесоюзных совещаниях и конференциях: "Безмуфтовке прессы с механизмами переменной структуры" (г.Фрунзе, 1989 г.),"Состояние и перспективы совершенствование автоматизированного ^узнечно-прессового машиностроения" (г.Воронеж, 1990 г.), "1У Научно-методическое совещание заведующих кафедрами, ведущих лекторов по теории механизмов и машин ВУЗов республик Средней Азии и Казахстана" (г.Алма-Ата, 1991 г.) "Прогрессивная технология и оборудование объемной и листовой штамповки" (г.Омск, 1991 г.), "Механизмы переменной структуры в технике" (г.Вшкек, 1991 г.) и на заседаниях НТС Института машиноведения IS89-I993 гг.

По результатам выполненных исследований опубликовано б работ, получено 3 положительных рещения на выдачу патентов на изобретения.

Научные консультации проводились к.т.н. Дяуматаевым М.С. и к.т.н. Каримбаевым Т.Т.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, 4 приложений и содержит 125 страниц машинописного текста, 76 рисунков и библиография» из 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность' темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

__В первой главе__ показано, что при различных соотношениях длин звеньев имеется всего 75 возможных схем шарнирно-четырехэвенных механизмов, которые разделены на три гида: кривошипно-коромысловые, двухкривошипные и двухкоромысловые. При этом имеются 28 схем кривошипно-коромысловых механизмов, 18 схем двухкривошипных механизмов и 29 схем двухкоромксловых механизмов.

Анализ всех полученных схем позволил выявить некоторые закономерности преобразования при изменении длины одной из сторон шарнирно-четьгрехзвенного механизма, а именно, стойки. Под термином "стойка" понижается звено, принятое за неподвижное, его параметры, как правило, неизменны. Поэтому более правильно называть это звено, длина которого будет изменятся, - "основанием" механизма.

Исходя из этого, получены 44 схемы шарнирно-четырехзвен-ных механизмов, которые разделены на восемь групп, при восьми различных соотношениях длин звеньев:

1. в ■= с = с1 5. Б > С < (I

2. с .< в = с1 6. в < с = (1

3. в » й < с 7. в < с1 < с

4. • с < в < с! >8. в' < с < <1

В связи с этим академиком МИА С.Абдраимовым сформулированы 4 теоремы о шарнирно-четырехзвенных МПС, устанавливающие закономерности преобразования одного вида механизма в другой при изменении длины одного из звеньев, а именно " основания" / I /.

Анализ теорем Абдраимова позволил определить пределы существования каждого вида шарнирно-четырехзвенного механизма при различных соотношениях, т.е. трех постоянных по длине звеньев в зависимости от варьируемой длины основания. Результаты анализа обобщены в виде таблицы, показывающей классификацию шарнирно-четырехзвенных МПС (табл.ГГ.Где по группам можно легко изучать закономерности движения ведущих и ведомых звеньев в различных режимах работы при требуемых параметрах длин звеньев.

Классификация шарнирно-четырехзвенных МПС

Таблица I.

Соотношение длин звеньев • при а - варьируемой Группа I, Сумма длин наименьшего и наибольшего звеньев мень-• ше, чем сумма длин остальных двух звеньев, или обе суммы одинаковы Группа 2. Первая сумма больше второй Всего механизмов

Область существовании механизмов

Двухкривошипный механизм Кривошипно-коро-мысловый механизм Двухкоромысловый механизм Двухкоромысловый механизм

I 2 3 4 5 ■ • б 7

I. в = с = d о« а й в в<а<в»с^ 2

2. с < в = с) о « а £ с с<а<в^-с в*с!-с<е<в*с*с1 3

3. вч (1<г о<а«в + с!-с в*с)-с<а<в»с-с)

а » с с<а<в*с*й 4

4. с< в< с) о<а«с*в-с| с+в-(1<а*с*д-в

в+с!-с<а<в^+с 4

5. в = с < d о < а * в + с^ а.с!

й<а<в»с^ 4

6. в < с » 6 о с в<в . в<а«о+4-в 3

7. в < с о< а < в +¿-0 в* в+(1-с*а<в»с-й

сЬс-в<а<в-»с<-й 4

8. в < с< d 0«а«84с-с1

4

_Во_БТ020й_главе_НБ основе теорем Абдраимова разработана методика геометрического анализа шарнирно-четырехзвенных МПС, в результате которого выявлено 8 групп шарнирно-четырехзвенных ШС, вклпчаицих 18 схем с особыми положениями (см.рис.1).

I. в = С = (1

Л Л

с,в

1.1 а = с

3. в = ё < с

4.' с

< в = с!

в а

< в < с^

2.1 а = в + с - 6

2.2 а = в +' с! - с

3.1 а = в + (1 - с

3.2 а а в + с - с!

4.1 а » с + в - с1

4.2 а = с + с! - в

4.3 а я в + (1 - с

5. в « с < Л

6. в < с * J

7. в < с! < с

С,(1

а,в

о—ю

и

5.1 а = в + с - с!

5.2 а ж. в + d - с

6.1 а ж в + с - с1

6.2 а = с + <1 - в

7.1 а = в + с! - с

7.2 а » в + с - с!

7.3 а * ё + с - в

8. в < с <

3.1 а =т в + с - (1

8.2 а = в + 6 - с

8.3 а = с + - в

Рис.1 Особые положения шарнирно-четырехзвенных ШС 8

Анализ этих механизмов позволил выявить ряд новых механизмов, устройств и машин, в которых возможно использование этих механизмов с особыми положениями /2,3,4,5,6/.

С помощью ШС можно, не разрывая кинематическую цепь а также без силового замыкания каких-либо элементов, изменять закон движения ведомого звена.

Одной из первых областей применения найденных механизмов были исполнительные органы прессов, причем как с верхним, так и с нижним приводом. Эти механизмы нашли применение и в исполнительных органах комбинированных пресс-ножниц.

Область применения шарнирно-четырехзвенных механизмов с особыми положениями может быть значительно шире,например, предлагается механизм двойного шарнирного параллелограмма, удовлетворяющий условию 1.1. а*с (рис.1). Механизм двойного шарнирного параллелограмма содержит кривошипы 1,2,3,4 соответственно" закрепленные на ведущем 5 и ведомом б валах /7/. Ведущий 5, и ведомый б валы связаны между собой шатунами:? -регулируемой длины и жестким шатуном 8. Упругий элемент 9 установлен на стойке 10 (см.рис.2).

Рис.2. Механизм двойного шарнирного параллелограмма.

По направлению вращения, от исходного ведомого вала, на расстоянии Uf (180°), установлен на стойке упругий элемент, который оперативно взаимодействует с одним из кривошипов данного вала. Упругий элемент помогает изменить направление вращения ведомого вала при достижении расстояния if - в обратное направление. Ведущий вал вращается только в одном направлении (против часовой стрелки). При этом, шатун, выполненный в виде эвена — регулируемой длины, обеспечивает обратное вращение ведомого вала, уменьшая свою длицу, а жесткий шатун в свою очередь обеспечивает жесткость механизма, и переход от парш^Г ~лелограмма в антипараллелограмы.

При достижении исходного положения ведомый вал будет снова вращаться по направление вращения ведущего вала, так как оба •шатуна обеспечивают жесткость механизма. В результате чего, механизм работает как кривошипно-коромысловкй механизм, обеспечивая при этом качательцую зону в пределе от 0 до .57* .

Механизмы двойного шарнирного параллелограмма предназначены для передачи вращательного движения от одного вала к другому. Разработана оригинальная конструкция, где все звенья механизма выполнены в виде круговых звеньев, т.е. в виде эксцентриков /8/. Такое выполнение конструкции достигается тем что е механизме двойного шарнирного параллелограмма кривошипы выполнены в виде круговых звеньев разного диаметра (рис.3.).

Рис.3. Механизм двойного шарнирного параллелограмма

Меньший кривошип 2 имеет эксцентричную наружную поверхность и эксцентричное глухое отверстие, ка которых установлены шатуны 3,4, выполненные в виде эксцентричных шайб разного диаметра. Меньший шатун 3 имеет отверстие для взаимодействия с большим кривошипом 5. На этом кривошипе выполнено эксцентричное глухое отверстие на стороне, обращенной к меньшему кривошипу 2. На дне отверстия большего кривошипа эксцентрично закреплен палец 6. Предназначенный дл« взаимодействия с внутренней поверхностью отверстия меньшего шатуна 3. Шатуны одновременно взаимодействуют с обоими кривошипами.

Предлагается третий"" вид механизма, удовлетворяющий условию (1.1) где также за счет особых положений получено новое

А

Л-А

Л

функциональное свойство механизма / 9 /. Этот механизм работает следующим образом (Рис.4):

Рис. 4 Механизм двойного шарнирного параллелограмма При совершении .движения ведущим кривошипом 2 по часовой :трелке, вращательное движение через меньший шатун 3 передает-:я на палец 8 и через больший шатун 4 на ведомый кривошип б. Ери этом движение ведущего кривошипа 2 и ведомого кривошипа б !удет одинаковым. Механизм работает только в одном направлена (по часовой стрелке). Любое изменение направления движения едущего или ведомого звеньев с помощью дугообразного паза 5, ыполненного на меньшем шатуне 3, приведет к самозаклиниванию еханизма.

В дальнейшем шарнирно-четырехзвенные МПС с особься положениями были использованы при создании ударных машин, в частности: ручного и электропер$оратора и молотков.

_ В третьей_глав£ рассмотрены вопросы, связанные с созданием ударных механизмов, где использованы кинематические свойства шарнирно-четырехзвенных МПС.

Проведен анализ кинематических параметров кривошипно-коромкслового ударного МПС. Анализ производился общеизвестными методами с использованием ЭК-!. Изучены закономерности движения коромысла (бойка). Предложена методика выбора кинематических параметров ударного МПС.

На рис.5 представлена кинематическая схема ударного МПС. Ударный механизм, представляющий собой кривошипно-коромысловый МПС,состоит из корцуса I, кривошипа "в", шатуна "с" и коромысла "сГ. Один конец коромысла шарнирно связан с опорой I, а на другом конце закреплена ударная масса 2 (боек), которая взаимодействует с инструментом 3, установленным в корпусе I.

Принцип работы ударного МПС основан на кинематических свойствах МПС в особом положении. Механизм работает следующим образом: при вращении кривошипа "в" движение через шатун "с" передается к коромыслу с бойком 2. Ударная масса 2 (боек) на каждый оборот кривошипа "в" наносит удар по инструменту 3. При рабочем ходе направления вращения кривошипа "в" и коромысла "сР противоположны. После нанесения удара ударная масса 2 вместе с коромыслом совершает кечательное движение в

обратную сторону.

В этом случае на характер движения коромысла "Л " оказывают влияние не только кинематические связи, но и ударная масса 2, движущаяся по инерции после нанесения удара по инструменту 3. При атом направление движения коромысла "с) " совпадает с направлением движения кривошипа "в".

В предлагаемом механизме энергии удара ударной массы может быть очень большой за счет высокой скорости ударной массц» Это обусловлено тем, что угловая скорость коромысла "6 " (бойка) увеличивается с приближением к положению, в котором происходит- удар. Причем в завершающей фазе рабочего хода ударной массы 2 (бойка) ее угловая скорость в несколько раз больше угловой скорости кривошипа "в".

Можно отметить, еще один момент, положительно характеризующий данный механизм. Это то, что конечная фаза обратного хода механизма проходит при замедленном движении коромысла "¿п, т.е. ударной массы 2 (бойка), что способствует уменьшению динамических явлений и, в конечном счете - уменьшению размеров деталей ударного механизма.

Рис.5 Кинематическая схема ударного МПС

В процессе экспериментальных исследований на практике показана возможность использования кривопшпно-коромысдовых МПС в качестве ударных механизмов, и получены закономерности движения коромысла (бойка).

Рис.6 Диаграмма движения коромысла (бойка). 1-угловая скорость /|'|/ бойка, 2-нулевая линия диаграммы, ''' где: -¿р - время разгона бойка;

■¿я - время удара бойка по

инструменту; ¿е.*- время обратного хода бойка;

¿ч - время одного цикла; время отскока.

На рис.7 показана конструктивная схема ударного МПС (макетный образец).

Рис.7 Конструктивная схема ударного 1.ЯС

1-корпус,~2-кривошип, 3-шатун, 4-коромысло, 5-боек, 6,9,12-болты, 7-крышка, 8,11-подаипники, 10-фланец, 13-электродвкгатеа 14-муфта, Xб—штифт, 17-ручка, 18-переходник, 19-инструмент.

выводы

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Произведен геометрический анализ шарнирно-четырех-звенных ШС.

2. Установлено, что возможны 75 схем шарнирно-четырехзвен-ных механизмов, из которых 44 не повторяющихся. Эти механизмы делятся на восемь груш.

3. Проанализированы теоремы Абдраимова о шарнирно-четырех-зненных МПС, и на основе этого анализа выявлены схемы МПС, имеющие особые положения, в которых возможно управление движением их звеньев.

4. Проведенные исследования показывают, что шарнирно-четы-рехзвенные МПС с особыми положениями являются очень перспективными с точки зрения расширения функциональных возможностей механизмов, что и используется при создании новых машин с МПС.

5. Установлено, что управляя звеньями в особых положениях механизма, можно получать самые разнообразные механизмы, например, только из параллелограммных механизмов, за счет управления звеньями в особых положениях получено несколько новых механизмов (получены положительные решения на патенты).

6. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что изменение структуры механизма возможно не только при изменении параметра одного из звеньев, но и при соответствующем управлении движением отдельных звеньев в особом положении механизма.

7. Спроектирован и изготовлен макетный образец ударного МПС.

8. Экспериментально обоснована возможность использования шарнирно-четырехзвенных МПС в качестве ударных механизмов.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Абдраимов С., Джуматаев М.С., Абытов А.А.,Шарнирно-четырехзвенные механизмы переменной структуры. В кн. Материалы совещания по безмуфтовым прессам с механизмами переменной структуры. Зрунзе, 1989, с.33-41.

2. Джуматаев М.С., Джанкорозов К., Абытов A.A., Каримов А. Преобразование движения шарнирно-рычажных механизмов переменной структуры. В кн. Состояние и перспективы совершенствования автоматизированного кузнечно-прессового машиностроения. Воронеж, 1990, с.24.

3. Абдраимов С., Дяукатаев U.C., Абытов A.A. Закономерности преобразования шарнирно-четырехзвенных механизмов переменной структуры. В кн. Материалы 1У научно-методического совещания заведующих кафедрами, ведущих лекторов по Теории механизмов и машин ВУЗов республик Средней Азии и Казахстана, Алма-Ата, 1991, с.32.

4. Д^отгатаев К.С., Абытов A.A. Применение механизмов переменной структуры в прессах. Тезисы докладов научно-технического совещания. "Прогрессивная технология и оборудование объемной и листовой штамповки г.Омск, 1991, с.15.

5. Джуматаев М.С., Абытов A.A., Исследование движения звеньев механизмов переменной структуры. В кн. Материалы всесоюзной конференции "Механизмы переменной структуры в технике", Бишкек, 1991». с.41-44.

6. Абдраимов С., Джуматаев U.C., Абытов A.A. Механизм двойного шарнирного параллелограмма. В кн. Материалы всесоюзной конференции '•Механизмы переменной структуры в технике", Бишкек, 1991, с.60-62.

-- 7. Абдраимов С., Джуматаев М.С., Абытов A.A., Алтынов Б.Д. Механизм двойного шарнирного параллелограмма. Положительное решение по заявке J? .4940248/28/044538. Решение о выдаче патента на изобретение от 13.02.92 г.

_ 8. Абдраимов С., Джуматаев М.С., Абытов A.A. Алтынов Б.Д. Механизм двойного шарнирного параллелограмма. Положительное решение по заявке JT; 4954382/28/041933. Решение о выдаче патента на изобретение от 03.03.92 г.

9. Абдраимов С.', Джуматаев М.С., Абытов A.A., Алтынов Б.Д. Механизм двойного шарнирного параллелограмма. Положительное решение по заявке ff 4937796/28/028018. Решение о Еыдаче патента на изобретение от 7-С2.92 г.

Подписано ш пяиати 3 OS- ФормаT_£j£JL£^6f

Печать офсетная. Объем_^к_п.л. За«- & $ - Тир. ЮО

г. Бишкек, ул. Коммунистическая, 68. Типография КСХИ