автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Анализ, синтез и разработка самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями

РГ6 од

5 / !1ЙНСГС11ТУТ МЕХАНИКИ И МАШИНОВЕДЕНИЯ АКАДЕМИИ ПАУК РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

На правах рукописи

НАУРЫЗБАЕВ Рахпмжан Кажекевич

АНАЛИЗ, СИНТЕЗ И РАЗРАБОТКА САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ ШАРНИРНО-СТЕРЖНЕВЫХ МЕХАНИЗМОВ С ГИБКИМИ ЗВЕНЬЯМИ

05.02.18 —Теория механизмов н машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степенп доктора технических наук

Алматы-1993

Работа выполнена в Казахском ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте имени- В.И.Ленина

Научный консультант:

доктор технических наук, член-корреспондент международной инженерной академии, член-корреспондент инженерной академии Республики Казахстан,

.профессор Х.Р.КАЗЬКАНОВ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, член-корреспондент академии наук Республики Кыргызстан, профессор Д.Т. ДВОРНИКОВ, доктор.технических наук, академик Казахской академии сельскохозяйственных наук А.П. ГРИБАНОВСКИЙ, доктор технических наук, член-корреспондент инженерной академии Республики Казахстан, профессор М.М.ЫОЛДАБЕКОВ

I Защита диссертации состоится .... . ..1993г.

в. . . часов на заседании Специализированного совета Д.058.01.05 в институте механики и машиноведения по адресу: 480064, Алматы, пр.Абая, 31.

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке HAH.

(¿о

Автореферат разослан. . . v"T . . .1993г.

Ведущая организация:

Казахское научно-производственное объединение механизации и электрификации сельского хозяйства (НПО "Казсельхозмеханизации" г;Алматы)

Ученый секретарь Специализи- /гГ7~> /

рованного Совета Е.С.ТЕШРБЕКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Идея построения самоустанавливающихся механизмов имеет вековую историю. Первоначально эта идея закладывалась в научных трудах основоположников механики машин и связана с именами П.Л.Чебышёвз, Ф.Рело,-О.Мора, МДеви, Д.Сильвестра, Л.Бурместера, М.Грюблера, П.О.Сомова, Х.И.Гохмана и других. Родо-начальная идея построения самоустанавливающихся механизмов по существу превращена в стройную научную структурную теорию в работах классиков по теории механизмов и машин. Результаты фундаментальных классических исследований в области теории структуры механизмов связаны с именами А.ПДалышева, В.В.Добровольского, Л.В.Ассу-ра, И.И.Артоболевского, Г.Г.Баранова, С.Н.Кожевникова, Н.И.Колчи-на, 0.Г#0зола, У.я.Джолдасбокова и др.Различные аспекты фундаментальной классической теории структуры механизмов продоляают совершенствоваться и развиваться в научных трудах кргтаейших специалистов по теории механизмов и машин, а такяе их многочисленных учеников в наше время.

Актуальность проблемы развития идеи, создания, внедрения самоустанавливающихся механизмов с жесткими звеньями несомненна, т.к. их потребность в различных отраслях машиностроения весьма велика. Внедрение самоустанавливающихся механизмов с жесткими звеньями в практику машиностроения позволяет получить многократный выигрыш. Эти механизмы имеют большую нагрузочную способность, долговечность, высокий КПД, меньшие требования к точности. «,

В связи с изложенным дальнейшее развитие классической структурной теории самоустанавливающихся механизмов с жесткими звеньями и создание принципиально нового класса самоустанавливающихся шарнирно-стершевых механизмов с гибкими звеньями общего назначения является самостоятельно научно-технической, исследовательской проблемой современного практического машиностроения. Научно-тео-ретаческая а народнохозяйственная значимость названной проблемы побуждают диссертанта на ее решение.

Реферируемая .диссертация посвящена созданию методов отруктур-ног'о анализа и синтеза, проектирования,расчета кинематических, динамических характеристик и на этой основе разработке принципиально нового класса самоустанавливающихся механизмов.с гибкими звеньями, резко отличающихся , от традиционных механизмов с язсткп-ми звеньями более широкими функциональными возможностями, малой чувствительностью к неточностям изготовления, высокой нагрузочной

и компенсирующей способностью, низкой металлоемкостью, бесшумностью работы п бзззазориостьв конструкция. Механизмы достаточно дешевы, легки и технологичны в изготовлении, а самоа главное - пополнительные званья структуры предлагаемых механизмов обладают свойствами сашустанавливаемости.

Цель работы - разработка научно обоснованных методов анализа и синтеза самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями, отвечающих требованиям единообразия структурной классификации, методов их кинккатического, динамического исследования и проектирования, на основании этого соверзенствование существующих ж создание новых механизмов общего назначения, удовлетворяющих требованиям практического машиностроения.

Методы исследования. Разработка методов структурного анализа и синтеза самоустанавливающихся иаряирно-стеркневых механизмов с гибкими звеньями основана на структурной формуле А.П.Малышева и .. расширенном определении одного из основных понятий теории структуры механизмов структурной группы. Созданные методы структурного анализа и синтеза механизмов с гибкими звеньями выполнены на базе развития классической структурной теории механизмов с жесткими звеньями, основанной на структурной формуле П.Л.Чабышёва и понятии о структурной группе по Ассуру-Артоболевскому. Построение обобщенных и приближенных динамических моделей самоустанавливающихся механизмов с гибкими звеньями выполнены на основе современных методов теоретической и прикладной механики. Обобщенные математические модели самоустанавливающихся механизмов с гибкими звеньями в нелинейной постановке задачи получены на основе уравнения Лагран-аа второго рода. Численный анализ математических моделей самоустанавливающихся механизмов с гибкими звеньями выполнен методом Рунгв-Кутта с широким применением ЭВМ. Аналитическое решение математических моделей самоустанавливающихся механизмов с гибкими званьями выполнено с применением специальных Функций (эллиптических интегралов). Анализ динамики вынуЕденных колебаний самоустанавливающихся механизмов с. гибкими звеньями проведен с использованием метода-"теории возмущений" Н.Н.Боголюбова.

Научная новизна;

1. На основе развития классической структурной теории механизмов с Евстками звеньями создана общие методы структурного анализа а синтеза пространственных статически определимых (самоустанавливающихся) механизмов с жесткими званьями, цано расширенное определение структурной группы.

2. На основе расширенного определения структурной группы разра-

бога ни обдие классификации одяозвенных и многозвенных базовых статически определимых трупа - контуров пулевой подвижности для самоустанавливаюдихся механизмов с жесткими звеньями.

3. На основе формулы А.П.Малыаева определены условия закономерностей принципа образования базовых статически определи!,зле групп при структурном синтезе.

4. Развита общая структурная теория кинематических цепей механизмов с гибкими звеньями. На основе классификации однозвенных: статически определимых групп-контуров нулевой подвижности механизмов с яеетклми звеньями разработана общая классификация однозвен-ных групп-контуров нулевой подвижности механизмов с гибкими звеньями.

5. На основе формулы А.ПХалыизва определены условия закономерностей принципа образования базовых однозвенных групп-контуров нулевой подвиетости при структурном синтезе механизмов с гибкими звеньями.

6. На основе развития общей структурной теории кинематических цепей механизмов с гибки?,-л звзньямл разработаны методы анализа и синтеза принципиально новых самоустанавливающихся шарннрно-стер--невых механизмов с гибкими звеньямл общего назначения.

7. Новые методы структурного анализа и синтеза парнирно-стерп-невых механизмов с гибкими звеньями открыли широкие перспективу для создания п изобретения целого семейства принципиально новых, патентоспособных самоуста на вливаю'длхся механизмов обдэго назначения. 16 технических репениЗ, связанных с конструктивными а технологическими особенностями разрабатываемых механизмов', передач и

шин на базе этих исполнительных механизмов, признаны изобретениями.

8.Предлог.еяы новые самоустанавливающиеся иарпирно-стергнввы-з механизмы привода рабочих органов сельскохозяйственных мазил, зуб-чато-рычагкые механизмы, роторныо механизмы для гибкого соединения валов, механизмы стеклоочистителей транспортных средств, механизмы роботов и манипуляторов и др.

9. Разработали обобщенные динамические и математические модели предлагаемых механизмов, Математические модели нового класса механизмов описаны в нелинейной -постановке задач.

10. Разработай проблемно-ориентированный алгоритм численного гп-лизэ динамики исследуемых механизмов. Аналитически репзпы типовые задачи длнэ?"1ки и определены основные специфические, кинематические и динамические характеристики самэустапавлпзащзгеся пэрплрзо-стзряневых механизмов с гибкими звеньями.

II. Произведен анализ динамики вынужденных колебаний изучаемых механизмов с учетом характеристики двигателя. На основе теории возмущений Н.Н.Боголюбова построены приближенные решения уравнений движения этих механизмов. Анализ устойчивости движения самоустанавливающихся тарнирно-стержновшс механизмов с гибкими звеньями в стационарных режимах эксплуатации произведен в форме В.О.Кононенко с выполнением требований в форме Рауса-Гурвида.

Научная новизна предлагаемых механизмов,.устройств, машин, передач подтверждается авторскими свидетельствами на изобретения и пагентаьт.

Практическая ценность: -

1. Развитие классической структурной теории механизмов с жесткими звеньями, создание наиболее общих методов структурного анализа, синтеза пространственных механизмов с жесткими звеньями и на этой основе разработка Методов анализа и синтеза .самоуста на вливающихся механизмов с гибкими.звеньями не только существенны с научной точки зрения, но и имеют большое практическое значение. Предлагаемые общиа методы анализа и синтеза вносят существенный вклад в развитие общей классической структурной теории механизмов, являются более совершенным инструментом в конструкторской практике соз- ■ дания надежных и долговечных конструкций машин и механизмов.

2. Развитие классической структурной теории механизмов на основе расширенного понятия о структурной груше позволило ооздать классификацию одноконтурных однозвенных групп-нонтуров нулевой подвижности. Основная идея Л.В.Ассура об образовании механизма из плоских статически определимых груш распространена на пространственные механизмы..

.. 3. Предлагаемый метод развития.классической структурной теории механизмов позволил диссертанту провести структурный анализ большого разнообразия известных простых и сложных пространственных механизмов. ва конкретных примерах.

4. Развитие классической структурной теории механизмов позволило создать клаосификацию однозвенных.статически определимых групп-контуров с гибкими звеньями. Основная идея Л.В.Ассура об образовании механизма из плоских статически определимых групп распространена не только на пространственные механизмы с жеоткими звеньями, но и на механизмы с гибкими.звеньями.

5. Предложенный метод структурного анализа.и синтеза механизмов с.гибкими звеньями позволил диссертанту провести структурный анализ большого разнообразия известных простых и сложных механизмов на конкретных примерах.

6. На основе разработанных теоретических положений создан целый ряд схемных и конструктивных вариантов принципиально новых самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями. Рекомендованы к внедрению 4 аналитических обзора: "Перспективы применения новых исполнительных механизмов в машиностроении" , -"Перспективы применения новых конструкций гибких.муфт в машиностроении", "Пути рационального проектирования надежных испол-нительяых механизмов машин«деВ названных рекомендациях освещены конструктивные особенности, функциональные преимущества предлагаемых механизмов, указаны конкретные области их рационального использования. Освещены инженерные методы проектирования самоустанавливающихся механизмов с гибкими звеньями. Рекомендованы к внедрению

в конкретных областях техники, промышленности, сельском хозяйстве 40 информационных листков, о научно-техническом достижении.

7. Машины и устройства на базе предлагаемых механизмов достаточно дешевы, легки и технологичны в изготовлении, могут работать без смазки, устойчивы к действиям абразивных и агрессивных сред, надееты в эксплуатации, область их применения мо&ет быть существенно расширена. Работоспособность ряда устройств и машин проверена в лабораторных и хозяйственных условиях. При непосредственном участии диссертанта спроектирован опытный образец и проведены производственные испытания экспериментального рыхлителя-выравнивателя почвы (вибрационная борона а.с. СССР # 1056933). Диссертантом разработаны программа и методика лабораторных экспериментальных исследований динамки пространственного шарнирно-сторзневого механизма с двумя гибкими стержнями, проведен полный цикл лабораторных динамических исследований. ■ ......

8. В целях определения работоспособности новых самоустзнавли-вающяхся механизмов с гибкими звопЬямя, проверки теоретических и методических положений разработанных методов анализа и.синтеза проводились дополнительные экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных действующих моделях и опытно-промышленных образцах. Разработаны модели экспериментальных стендов: механизмов для гибкого соединения валов (муфты, гибкой крестовины); механизма привода нока га- .. пинки для стрияки аивотных; механизма манипулятора со слояннм движением исполнительного звена; механизма привода рабочих органов почвообрабатывающей машины».

Результаты экспериментальных, исследований показали, что применение новых самоустанавлиЕающихся шарнирно-стержневых механизмов

с гибкими звеньями в конструкциях реальных машин и механизмов обеспечивает снижение металлоемкости и повышение надежности,простоту конструкции, высокую адаптивность к вероятным нагрузкам,удобство в эксплуатации,что соответственно подтверждает технико-экономическую целесообразность их применения в различных областях машиностроения.

9. Результаты работы в виде рекламных проспектов, информационных листков, аналитических обзоров, научных отчетов, действующих моделей экспонировались на выставках НТТМ-88, посвященной 70-летию ВЛКСМ, выставках НТТМ-89, 90, 91, ВДНХ КазССР; ярмарке научно-технических идей и законченных разработок, проведенной Республиканским информационно-внедренческим центром "Жэрдем" на ВДНХ КазССР в .. 1989 г.; тематической выставка АН СССР "Математика и механика - народному хозяйству" в павильоне "Физика" ВДНХ СССР в 1989 г.; Всесоюзной межотраслевой выставке-ярмарке "Изобретения и научно-техниг ческий прогресс", проведенной ВОИРом на ВДНХ СССР в 1990 г.; два технических решения "Рнчакная компенсирующая муфта" и "Почвообрабатывающая машина" в 1991 г. приняты биркей "Интеллектуальной собственности" для коммерческой реализации.

.. За пропаганду фундаментальных и прикладных наук и содействие внедрению передовой науки и техники в народное хозяйство Оргкомитет по подготовке и проведению Дня советской науки на ВДНХ СССР наградил диссертанта золотой медалью "День советской науки" (постановление Ш 10 от II.12.1989 г. АН СССР и Министерства народного образования СССР). Результата исследований отмечены дипломами I, П степени ВДНХ СССР, КазССР и Почетными грамотами ЦК-ЛКСМ Казахстана, Министерства народного образования КазССР, Всесоюзного общества изобретателей и рационализаторов.

10. Разработанные коЕые методы анализа и синтеза механизмов внедрены в учебный процесс на кафедре ТМ и ТММ Казахского сельскохозяйственного института, на кафедре СМ и ТММ Казахского политехнического института, на кафедре ЛШ Бишкекского политехнического . института Республики Кыргызстан, на кафедре ТМ и РС Ленинградского института инженеров железнодоронного транспорта имени В.Н.Образцо-еэ, на кафедре ММ и ОК Сибирского металлургического института.и др. в виде-методических пособий, обзоров, информационных листков для учебно-исследовательской работы студентов.

.Практическая ценность диссертации подтверждается актами внедрения. Исследованные диссертантом самоустанавливающиеся шарнирно-стеркневые механизмы с. гибкими звеньями являются весьма перспективными исполнительными механизмами общего.назначения. Вышепривв-

денные их основные достоинства свидетельствуют о том, что их различные варианты будут с успехом конкурировать с традиционными механизмами и передачами с жесткими звеньями.

Реализация работы:

I..На основании рекомендации Республиканского экспертного совета при Госкомитете Республики Казахстан по экономике КазНИИНКИ изданы 4- аналитических обзора общим объемомМ псч.л., 4И информационных листков о научно-техническом достижении.

2. Основные теоретические результаты диссертационной работы.реализованы в виде пяти методических указаний общим объемом б пач. л., четырех научно-мзтоддических пособий общим объемом 6 пач.л., депонировано одно учебное пособие объемом 3 п.л.

3. технических решений,.связанных с конструктивными и тех-, дологическими особенностями разработанных машин, передач, механизмов на базе самоустанавлпвающихся шарнирно-стержневых механизмов о гибкими звеньями,-признаны изобретениями. /

Апробация работы. Основные результаты работл доложены на Ш Зональном паучно-методическогл совещании-семинаре по ТШ вузов Средней Азии и Казахстана (Фрунзе, 1985 г.), на Всесоюзной конференции по МЛ Северо-Кавказской и Закавказской зон (Телави, 1987г.), на Международном конгрессе в ГДР ( Еос-Ьок , 1387 г.), на Казахстанских межвузовских научных-конференциях по математике я механике (Алма-Ата, 1985, 1989 гг.), на Всесоюзных и республиканских научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов (Кок-четав, 1985 г., Кишинев, 1985 г.; Ереван, 1986 г., Кустакай,1983; Алма-Ата, 1985, 1989 гг., на Всесоюзном совещании-семинаре заведующих 'кафедрами и ведущих лекторов вузов страны (Калинин, 1989 г.), на Всесоюзной конференции по проблемам.машиностроения Казахстана на этапе перестройки (Павлодар, 1989 г.), на Зональном совещании-семинаре заведующих кафедрами и ведущих лекторов по ТШ вузов республик Прибалтики, Белоруссии и Калининградской области РСФСР , (Вплыгоо, 1980 г.), на Всесоюзной научно-практической конференции (Казань, 1991 г., Гянджа, 1991 г.), па моквузовской научно-практа-чоской.конференции (Икзвск, 1931 г., Ставрополь» 1991 г„, Фрунзо, 1990 г.), на 17 научно-методическом совещании-заведующих кафедрами, ведущих лекторов по ТШ вузов республик Средней Азии и Казахстана (Алма-Ата, 1991 г.), на Всесоюзной конфзрзнции "Мзханизш; . переменной структуры в технике" (Бишкек, 1991 г.), на.семинаре по ТГМ Ленинградского отделения семинара АН СССР (Ленинград, 1991 г.), на семинаре кафедры Т№ и ОК Сибирского металлургического шштиту-

та (Новокузнецк, 1992 г.), на научно-производственных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов инженерных факультетов Казахского сельскохозяйственного института в 19831992 гг. ежегодно, на семинаре кафедры СМ и ТШ Казахского политех-"' ничедкого института в 1988-1992 гг. ежегодно, на 8 Всемирном конгрессе по "Ш (Прага, 1991 г.).

. Публикации. По теме диссертации опубликовано 190 научных трудов, в том числе 5 методических указаний, 4' научно-методических пособия, 4 аналитических обзора, jQ авторских свидетельств на изобретение, депонировано I учебное пособие.

Структура и объем работы.' Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав и заключения. Основная часть диссертации изложена на 330 страницах машинописного текста, содержащих 333 иллю--отрации, 12 таблиц, список использованных источников, содержащий 234 позиции.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Общие методы структурного анализа и синтеза пространственных кинематических цепей самоустанавливающихся механизмов с жесткими звеньями, разработанные на основе развития классической структурной теории ассуровых кинематических цепей.

2. Общие методы структурного анализа и синтеза кинематических цепей механизмов с гибкими звеньями, рдзработанные на основе новых методов структурного анализа и синтеза кинематических цепей самоустанавливающихся пространственных механизмов с жесткими звеньями.

3. Методы структурного анализа, синтеза и классификации принципиально нового класса самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями общего назначения.

4. Методы кинематического, динамического анализа самоустанавлп-вающихся шарнирно-стержневых.механизмов с гибкими звеньями и методы расчета юс основных параметров.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ •

Во введении обоснована актуальность проблемы исследования, ' связанная с созданием принципиально нового класса самоустанавливающихся шарнирно-стеркневых механизмов с гибкими звеньями, и дана краткая 'характеристика реферируемой работы.

В современной теории механизмов и машин самоустанавливающиеся механизмы с кесткими звеньями известны как статически определимые механизмы, рациональные механизмы, механизмы без избыточных связей,

позднее самоустанаЕливающиеся механизмы, а сейчас все более преобладают такие названия, как адаптивные механизмы. Поэтому в первой главе дан краткий обзор.основных научных исследований (С.Н.Кожевникова, Л.Н.Решетова, О.Г.Озола, И.П.Спорыша), посвященных проблемам создания, внедрения, развития теории самоустанавливакцихся механизмов с жесткими звеньями. Диссертантом выдвигается идея создания принципиально нового, обособленного класса самоустанавливающихся шаряирно-стеркневых механизмов с гибкими звеньями.

На основании приведенного обзора сформулированы основные задачи программы научно-теоретических и экспериментальных исследований, которые подлежат решении:

- развитие классических методов структурного анализа и синтеза статически определимых механизмов о жесткими звеньями, разработка общей классификации пространственных базовых статически определимых однозвенных и многозвенных.групп-контуров нулевой подвикности, определение условий закономерностей процесса развития базовых статически определимых групп-контуров при структурном синтезе;

- развитие общей структурной теории кинематических цепей механизмов с гибкими звеньями, разработка общей классификации однозвен-ных групп-контуров механизмов с гибкими звеньями, определение условий закономерностей процесса развития базовых однозвенных груш-контуров механизмов с гибкими звеньями при структурном синтезе» создание на этой основе методов анализа я синтеза шарнлряо-стеретз-вых механизмов с гибкими звеньями;

- создание принципиально новых самоустанавливающихся иарнирно-старжневых механизмов с гибкими звеньями общего назначения;

- развитие методов исследования динамике самоустанавливэющпх-ся пзряярно-стергневнх механизмов с гибкими звеньяш, построение их обобщенных математических моделей, алгоритма аналитических выражений функций кинематических п динамических характеристик механизма, построение аналитического метода определения функций кинематических п динамических характеристик механизш е..прпменоняом ЭШ, построение приближенных аналитических.решений обобщенных математических моделей предлагаемых механизмов. - .

Стержневые механизм:-: с гибкими звеньями таят в саба огромные возмояностк по реализации передачи движений и сил самого различного характера. Сказанное подтверждает приводеннк!5 в этой яа глава обзор основных видов стрежневых механизмов о гибкими звенья?«:. В этих механизмах в качестве гибких звеньев, передающих движение от одного звена к другому, используются гибкие промеззуточные, стерк-

невые тела в вида ремней, цепей, пассиков, шнуров, нитей, стальных канатов, лент и другие. Механизмы с гибкими стержнями с постоянным передаточным отношением хорошо известны, получили широкое применение в технике. Теория таких механизмов весьма полно разработана в.работах В.А.Светлицкого, С.Н.Кожевникова,Л.И.Воробьева и других. Основные вопросы-теории плоских механизмов с гибкими . стержнями, с переменным передаточным отношением разработаны Ф.М.Ку-ровским. Им же разработана классификация этих механизмов по кинематическим и структурным признакам. Некоторые аспекты теории структуры механизмов с гибкими звеньями изучены в работах А.И.Малышева, В.В.Добровольского, И.И.Артоболевского, С.И.Кожевникова, Л.Н.Решз-това, А.Ф.Крайнева, Д.С.Зернова и других. В даботах зарубежных исследователей Р. ¿¿-(¿а., ¿»¿О, к.НвСл^Л/трассмотрены механизмы с гибкими звеньями различной сложности и решены некоторые задачи их структуры, кинематики, распределения нагрузки между гибкими звеньями. В настоящее время механизмам, кинематика которых связана с деформацией гибких стержневых элементов, уделяется все большее внимание. В монографии А.И.Добролюбова описаны механизмы, созданные на основе принципа дискретно-волнового движения гибких и упругих стержневых тел..Изобретение|и.С.Вобовичем]и другими исследователями (а.с. 744171) рычажного механизма для передачи и (.или)преобразования движения из одного вида в другой ознаменовало собой появление ноеого класса шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями общего назначения. . . .

На основании приведенного обзора для решения Еншаприведенных задач осуществлен выбор исходного объекта исследования. Исходными объектами исследования диссертанта являются недавно изобретенные (а.с. 714171) шарнирно-стерзшеЕые механизмы с гибкими званьями. Реальными аналогами этих механизмов являются механизмы с меткими стержнями, (шатунами). Схемы новых механизмов функционально воспроизводят практически все движения своих аналогов (см, рис.1-3). Совмещая в себе положительные свойства структуры основных видов стержневых механизмов с гибкими звеньями, исследуемые механизмы исходного объекта обладают рядом конструктивных преимуществ перед механизмами с жесткими стержнями (шатунами). Например, если в шарнирном четырехзвеннике с жесткими звеньями непараллельность осей вращательных пар не может быть компенсирована, зазорами между элементами этих пар, то его надо рассматривать как пространственный механизм с произвольным расположением осей вращательных пар. Число степеней свободы определяется по формуле А.П.Малышзва. Получается не

механизм, а ферма (.дважды статически неопределимая), и его звенья могут двигаться только за счет деформаций. Эти деформации вызывают дополнительные нагрузки на звенья, не связанные с передаваемой нагрузкой, снижается надежность и к.п.д. механизма. Необходимость избегать эти явления и вызвала в теории механизмов и машин развитие исследований, направленных на создание самоустанавливающихся механизмов с жесткими звеньями (без избыточных связей). Кривошипно-коромысловый механизм с двумя гибкими стержнями (рис.1), благодаря наличию в кинематической цепи гибких звеньев, не требует высокой точности изготовления и практически индеферентен к деформациям основания. Предварительное напряжение, создаваемое при сборе кинематической цепи механизма, обеспечивает неразрывный односторонний контакт элементов кинематических пар, то есть работает как беззазоряый. Это благоприятно сказывается на долговечности шарниров, резко снижается шум и вибрации во время работы механизма. -Использование гибких стержней, изготовленных из тонких стальных канатов, дает возможность упростить конструкцию,.снизить вес и материалоемкость механизма по сравнению с аналогом. Гибкие стержни попеременно передают движение ведомому звену, воспринимая только растягивающие усилия. Деформации гибких стержней необходимы для обеспечения подвижности кинематической цепи. Геометрические параметры кинематической цепи механизма долены быть подобраны так, чтобы достаточные перемещения исполнительных (жестких) звеньев достигались при малых относительных деформациях гибких стержней.' ....

В этой же главе достаточно полно освещены основные достоинства конструкции, особенности структуры, функциональные преимущества, рекомендуемые режимы эксплуатации, приведены исходные схемы, наглядно иллюстрированы в виде графиков статические, кинематические и песткостнне характеристики разнообразных механизмов исходного объекта исследования. Показаны примеры использования некоторых схвм. механязмов в конструкциях раальных машин. Отмечается, что работоспособность нескольких устройств и машин на базе' этих механизмов проверена в лабораторных и хозяйственных условиях. Приведен детальный обзор основных результатов и методики ранее.проведенных исследований. Основные результаты и методика ранее проведенных исследований наиболее полно освещены в научных трудах|И.О.Бобовича,)В.М. Костюченко, Р.К.Наурызбаева, И.А.Набиева, А.В.Верейкина, Л.А.Хаджиевой.. 8 -

Обзор основных работ подтверждает, что исследования по шарнир-но-стержневым механизмам с гибкими звеньями ведутся относительно

недавно. Несмотря на то, что в настоящее время накоплен заметный опыт проектирования подобных механизмов, круг изученности вопросов конструирования и расчета весьма ограничен. Результаты и методика ранее проведенных теоретических и экспериментальных исследований имели частный характер, нацелены на доказательство работоспособности конкретной схема механизма. Многие статьи по динамике направлены на изучение и создание методов расчета конкретной схемы механизма, имеют небольшие объемы, отличаются неполнотой изложения, содержат мало экспериментальных данных и численных примеров. Вопросы динамики исследуемых механизмов, изложенные в отдельных статьях, требуют систематизации и дальнейших теоретических, экспериментальных разработок. Между тем структура механизмов исходного объета исследования, как колебательная система, имеет ряд отличительных особенностей. Это в большинстве'случаев не позволяет непосредственно воспользоваться результатами ранее проведенных исследований по динамике при реальном проектировании. Практически отсутствуют исследования по методике определения единых математических моделей, по разработке обобщенных динамических моделей. Остаются неизученными вопросы структурного анализа и синтеза новых вариантов механизмов. Вопросы проектирования и конструирования комплекса возможных новых вариантов, подобных известным механизмам, ведутся в основном изобретательским путем без надлежащего научного обоснования* Таким образом, накопленный материал не позволяет сделать глубокое научное обобщение, судить о возможностях рационального применения этих механизмов в различных областях машиностроения.

Ка основании анализа большого числа схем шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями выявлены основные недостатки их структуры. Излишне повторяющиеся гибкие звенья при образовании ме-. ханлзма накладывают избыточные связи, которые в отличие от структурных, принято йазывать локальными связями. Локальные связи при -конструировании реальных механизмов вызывают ряд технических трудностей. Излишнее повторение ветвей каждого пз гибких звеньев в механизме вносит статическую неопределимость, и распределение нагрузки между ветвями гибких звеньев не гложет быть определено пз уравнения статики. В кинематической цепд механизма с избыточными локальными связями создается возмоаность появления внутреннего напряжения контура, что приводит к неравномерному распределению нагрузки, меацу гибкими стержнями. От числа локальных связей и их взаимодействия во многом.зависят эксплуатационные свойства я технологичность механизма. Необходимость избежать этя явления п вызвала раз-

витие диссертантом исследований, направленных на создание методов . анализа и синтеза механизмов с гибкими звеньями без избыточных связей (самоустанавливающихся).

Цель второй главы состоит в исследовании и развитии классической структурной теории кинематических цепей Ассура-Артоболевского с учетом многообразия базовых форм к количества звеньев, а также совокупности.кинематических пар, включенных в структурную формулу А.П.Малышева.

Лая краткий обзор основных работ по теории структуры механизмов. Анализируются научные труды в области теории структуры механизмов ПДЛебышёва, М.Грюблера, П.О.Сомова, Л.В.Ассура, А,П.Малышева, И.И.Артоболевского, В.В.Добровольского, С.Н.Кояевникова,. О.Г.Озола, Л.Н.Решетова, Л.Т.Дворникова, А.Н.Дровяикова, Н.С.Воробьева. Отмечается, что в последнее время интерес к структурному, анализу и синтезу возрастает, теория структуры кинематических цепей обогащается новыми методами. В природа существует множество испол- , нительпых механизмов, структура которых не укладывается в классическую теорию Ассура-Артоболевского, а потребности сегодняшнего практического машиностроения прямо подталкивают па поиски все новых и новых структур подобных механизмов.

Используя идею Л.В.Ассура об образовании плоских статически оп-рвделимых групп-контуров в применении к пространственным механизмам, моето создать новые более общие методы структурного анализа и синтеза самоустанавливающихся механизмов с жесткими звеньями. Если из системы, звенья которой совершают пространственное дЕинэлле, отделить группу, число степеней свободы которой при.наложенных на нее кинематическими парами .связях равно нулю, то оставшаяся система будет иметь то же число степеней свободы, что и базовая. Этот процесс можно продолжать до тех пор, пока не.останется элементарная базовая группа. Наименьшее число звеньев,.из которых будот состоять базовая группа нулевой подвижности, равноодному.Образование структурной схемы пространственного механизма на основании формулы А.П.Малышева монет быть представлено как последовательное присоединение групп-контуров, удовлетворяющих условию

ба- 5рх - 4рд - Зр3-2р4 - Р5 = О (I)

При П, = I условие (I) удовлетворяется.при следующих значениях.родов кинематических пар: Р^ = I, р5 = I, р2 = О» Р3 = = 0. Полученная элементарная базовая группа нулевой подвижности состоит из одного звена и двух кинематических пар. Из .этой базовой группы

можно.синтезировать сколь угодно сложные двухзвенные, трехзвенныа и т.д. многозвенные группы нулевой подвижности на основании простейшей структурной формулы ?! = Р5 = П>(ем1)' Для п- = I уравнение (I) удовлетворяется еще при двух комбинациях родов кинематических пар: р2 = 1,р4=1,рз = 2. Соответственно из этих базовых групп-можно синтезировать сколь угодно сложные многозвенные группы нулевой подвижности на основании структурных формул Р2 = р4 = И , а также рд = 2-П . Задаваясь значениями Л = I и имея в виду, что звено может быть двухпарным, трехпарным, четырехпзрным, пяткпарным и шестипарным, из условия (I) можно найти все возможные комбинации. Результаты решения уравнения (I) позволили разработать общую классификацию базовых однозЕенных групп-контуров нулевой подеияности (см.табл.1). Как видно, в основу классификации (табл.1) положена классификационная таблица контуров"И.И.Артоболевского. В таблице I-базовые группы подразделены на соответствующие классы и семейства. Кроме структурной схемы базовой группы нулевой подвижности приводятся структурные формулы их синтеза и в правом углу таблицы записано условие (I) по формуле А.П.Малышева. Любая из приведенных в таблице I базовых групп и их разнообразные новые модификации, полученные при синтезе базовых,при наслоении к начальному механизму позволят получить простые или сложные схемы пространственных механизмов. На рис.4, 5 в качестве примера показаны структурные схемы трехзвенных механизмов. Зо второй главе на большом числе конкретных примеров иллюстрируется практическая значимость новой теории базовых однозвенных пространственных кинематических цепей механизмов с жесткими звеньями. Дано расширенное определение термина "структурная группа": Структурной группой называется плоская, пространственная кинематическая цепь или жесткий замкнутый контур, которые после их присоединения крайними свободными элементами пар к стойке будут обладать нулевой степенью подвижности и не могут быть расчленены на самостоятельные кинематические цепи и жесткие замкнутые - контуры нулевой подвижности.

Цель третьей главы состоит в исследовании и развитии структурной теории кинематических цепей механизмов с гибкими звеньями.

Дан краткий обзор основных работ по теории структуры механизмов с гибкими звеньями. Анализируются научные.труды в области.теории структуры механизмов с гибкими звеньями Ф.М.Куровского, В.В. Добровольского, И.И.Артоболевского, С.Н.Кожевникова, Л.Н.Решетова, В.В.Леванидова, Э.Э.ЛаЕендела, В.М.Рагульскиса, И.П.Спорыша. Отмечается, что шаряирно-стержневыв механизмы с гибкими звеньями еще

Классификация базовых однозвенных кинематических цепей нулевой подвижности механизмов

с"жесткими звеньями и условия их структурного синтеза _ * т

Х&бЛ» X

1уО К/\ДСС КОНТУРА а и 1 Т1 »0 ю 1 г ей: 1 ^ со

II III \у У VI

0 П п ! ^ Л л

1 •2 Ьофь/б р5=6/1

^ог/1 ^ у ^л^^!5

1 ос^Ь- 3 0

3 т?4р Д 5 -Ь ю

Рис.1

Кривошипно-хоромыслоеый механизм

Кривошйпно-двухкорошсловый механизм

■1

Рис.3

Механизм передачи вращения'межцу параллельными валами

Рис.4.

Кулачковые ?1

механизмы

Рис.5

¡5

Рис.6

Механизм ременной передачи

,?5

I

■Д

Рис.8

'Механизм перематывающих шпуль

Рис.7

Кривошшно-ку яисный механизм

12- <]к лшщшШ

иШи.

д

¥

РИС.9 РТ^рттг

Механизм перемотки стальных лону

недостаточно изучены, о чем свидетельствует отсутствие достаточно глубоких исследований по классификации, структуре, построению и методам их анализа, синтеза. Вопросы структурного анализа и синтеза стержневых механизмов с гибкими звеньями к настоящему времени являются наименее разработанной частью теории. Отсутствие общих методов 'их анализа и синтеза, отвечающих требованиям единообразия структурной классификации, и является одной из глзеных причин недостаточной реализации возможностей шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями.

Научно-методические основы теории кинематических цепей с жесткими звеньями дают новое направление и открывают широкие перспективы .для создания общей теории структуры механизмов с гибкими звеньями.

По Л.Н.Решетову, подвижности механизмов с гибкими-стержневыми звеньями целесообразно определять по формуле А.П.Малыиева:

У/= 6-П - 5р{- 4ра- Зрз-2р4 - р5 . (2)

В (2) гибкое стержневое звено рассматривается не как звено, а как кинематическая пара, соединяющая жесткие звенья и имеющая всегда силовое замыкание. В такой постановке задачи для структурного анализа и синтеза.стержневых механизмов с гибкими звеньями применим предложенный Л.В.Лссуром общий метод расчленения механизма на ведущие зЕенья и цепи нулевой подвижности. Образование структурной схе-_кы стержневого механизма с гибкими звеньями на основании формулы А.П.Малыиева и рекомендации Л.Н.Решетова может быть представлено как последовательное присоединение групп по Л.В.Ассуру, удовлетворяющих условию (I).

При П = I условия (I) удовлетворяются при еле .дующих комбинациях родов двух кинематических пар:

а) р1 = I и р5 = I; б) Рз = I и р4 = I; в) Рз = 2 (3) Группа, удовлетворяющая условию (3,а), является однозвенной, имеет одну кинематическую пару пятого класса и одну нитевую кинематическую пару первого класса. В данном случае нитевая кинематическая пара первого класса является аналогом точечной геометрической кинематической пары. Закономерности структурного синтеза базовой группы определяются уравнением р^- = рд = П> . Группа, удовлетворяющая условию (3,6), является также однозвенной, имеет одну кинематическую пару четвертого класса и одну гибкую кинематическую пару второго класса. Парой второго класса может служить гибкая полоска (стальной лист) малой толщины, как по методике Л.Н.Решетова. Закономер-

ности структурного синтеза этой базовой группы определяются уравнением р2 = р4 = уь • Следующая группа (3,в) имеет одну кинематическую пару третьего класса и одну гибкую кинематическую пару также третьего класса. Гибкой парой третьего класса может служить упругий шарнир с тремя подвижноетями С.Н.Кожевникова, либо гибкие кинематические пары параллельного соединения нитевой и листовой пары по Л.Н.Решетову.

Задаваясь значениями п,-= I и имея в виду, что базисное жесткое, звено может быть трехпарным, четырехпарным, пятиларным, шестштарным, из условия (I) можно найти все возможные комбинации однозеонных групп нулевой подеижности с гибкими стержневыми кинематическими парами. Результаты решения уравнения.(I) позволили разработать классификационную таблицу групп-контуров нулевой подвижности'для стержневых механизмов с гибкими звеньями (см.табл.2). Как видно,-классификация, базовых групп-контуров нулевой подвижности для механизмов о гибкими звеньями разработана на основании таблицы I и расширенного определения термина "структурная группа". В таблице 2 базовые группы.подразделены на соответствующие классы и семейства. Кроме структурной схемы базовой группы приводятся структурные формулы их синтеза, а также основное условие (I) по А.П.Малышеву. Любая из приведенных в таблице 2 базовых групп и их разнообразные новые модификации, полученные при синтезе базовых при наслоении к начальному ме^ ханизму позволяют получить простые или сложные схемы шарнирно-стерж-невых механизмов с гибкими звеньями. В третьей главе на большом числе конкретных примеров иллюстрируется практическая значимость новой теории базовых одчозвенных кинематических цепей механизмов с гибкими стержневыми звеньями, а также см. рис.6-9. .•

На основании разработанной структурной теории дана характеристика принципиально нового класса самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями. .... «

•.В кинематической цепи.самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов (см. табл.2, и рис.10-16) гибкие звенья в сочетании с несшими звеньями образуют замкнутый предварительно напряженный контур. Устойчивое равновесие кинематической цепи относительно.начального положения механизма и отсутствие избыточных (локальных) связей обеспечивает самоустанавливаемость званьев. Самоустанавливающиеся шарнирно-стержневые.механизмы с гибкими звеньями - это, прежде.все-г: , механизмы без избыточных связей, удовлетворяющие условиям сбор-, ки механизма без принуждения (натяга) в начальном положении механизма, соответствующем минимуму потенциальной энергии замкнутого конту-

Классификация базовые оцнозвенньпс кинематических цепей нулевой подвижности механизмов с гибкими звеньями и условия их структурного синтеза Табл.2

ра. Начальное положение механизма соответствует условию уравнове--шивания моментов, воздействующих на ведущее звено со стороны гибких упруго-податливых звеньев контура. В начальном.положении механизма упругое сопротивление перемещению равно нулю. Освобожденный от внешних нагрузок, механизм всегда стремится к начальному равновесному положению, в котором контур имеет минимум потенциальной энергии относительно стойки. Весьма ценным свойством предлагаемых механизмов является самоустанавливаеыость звеньев, т.е. звенья под. воздействием нагрузки сами занимают положения, соответствующие фактическим погрешностям изготовления и монтажа. Эффект самоустанавли-ваемости звеньев механизма активизируется наличием упругого замкнутого контура. В отличие от сэмоустанавливающихся механизмов с жесткими звеньями.сборка и разборка предлагаемых механизмов без.принуждения (натяга) осуществляется лишь в положении механизма, соответствующем минимуму потенциальной энергии замкнутого контура, Новые . самоустанавливающиеся механизмы отличает низкая металлоемкость, бесшумность работы и.беззазорность конструкции. Структура механизма образуется из базового механизма (механизма первого класса) и присоединяемых к нему статически определимых структурных групп. Избыточные связи отсутствуют как в начальном механизме, так и в присоединяемых базовых структурных группах. Изложенный в этой главе метод развития структурной теории кинематических цепей с гибкими звеньями открывает реалыше возможности для изобретения и создания целого семейства принципиально новых патентоспособных самоустанавливающихся- механизмов, передач, устройств и машин.

В четвертой главе предложены и разработаны новые самоустаиав-ливающкеся шарнирно-стержневые механизмы привода рабочих органов сельскохозяйственных машин, зубчато-рычажные механизмы с большим передаточным числом, роторные механизмы для гибкого соединения валов, механизмы стеклоочистителей транспортных средств, механизмы роботов и манипуляторов и другие.

Изучены основные недостатки приводов известных почвообрабатывающих машин: фрезерного культиватора КФГ-3,6, комбинированных агрегатов КА-3,6, АКР-3,6 и,КФС-3,6. Отмечается, что эти машины имеют одинаковые механизмы привода. Основной конструктивный недосток'этих машин состоит в малой надежности механизма поредачи. Изыскания в этом направлении привели.к изобретению новой почвообрабатывающей машины (а.с. 1353332). Привод рабочих органов.машины включает новый; передаточный механизм с гибкими стержнями. Механизм обладает рядом существенных достоинств перед аналогом. . '

Описаны основные недостатки привода рабочих органов ротационных

косилок для скашивания трав. Отмечается, что оснотт недостатком ротационных косилок является низкая надежность приводных механизмов режущего аппарата. Изыскания в этом направлении.привели к изобретению нового ротационного режущего аппарата (а,с.1574189), механизм привода выполнен в виде комбинации зубчато-рычаяных (планетарных) параллелограммных механизмов с гибкими стержнями в замкнутом контуре..Механизм отличается высоким к.п.д.

Изобретение муфт с гибкими предварительно напряженными поводками (а.с. 1532742) ознаменовало собой появление нового класса исполнительных механизмов для соединения валов и передачи крутящего момента в машинах. Муфты реверсивны, не требуют высокой точности изготовления звеньев, бесшумны н работа, не требуют смазКи, не подвержены износу, при правильном выборе структуры они работают безотказно.

Изобретение редукторов (а.с. 1551896, 1650980) ознаменовало собой появление нового класса самоустанавливающихся зубчато-рычажных механизмов с гибкими стержнями в замкнутом контуре. Самоустанавли-ваемость звеньев передачи может увеличить несущую способность предлагаемых конструкций в несколько раз. Мехзнизмы отличаются большими передаточными числами.

НоЕые механизмы стеклоочистителей транспортных средств (а.с. 1569267, 1569268) отличаются простотой и беззазорностью конструкции, бесшумностью работы,.имеют широкие функциональные возможности.

Изобретения (а.с. 1616811, 1537513, 1521568 и др.) открывают широкие перспективы для создания манипуляторов с новыми производственными характеристиками. Манипуляторы могут воспроизводить простые и сложные, плоские и пространственные траектории, осуществлять передачу движения на большие расстояния. Конструкции.обладают улучшенными динамическими и точностными характеристиками. Привод исполнительных органов осуществляется от-одного .двигателя. Некоторые схемы разработанных механизмов приведены на рис.10-16. . В пятой главе, дается методика составления дифференциальных уравнений, движения, являющихся математической моделью предлагаемых механизмов с гибкими звеньями, описаны приемы построения решений этих уравнений как в общей постановке' задачи, так и применительно к конкретным схемам механизмов', изучены типовые (специфические) задачи динамики, обусловленные структурными особенностями кинематической цепи. -

Сформулированы основные допущения и обоснованы обобщенная динамическая и математическая модели механизма. Динамическая модель механизма представлена в виде системы с м сосредоточенными массами.

взаимодействующими между собой динамической нелинейной связью. Динамическую связь моделируют гибкие звенья (стержни) замкнутого предварительно напряженного контура кинематической цепи структуры механизма. В расчетной модели учитываются-инерционные свойства только жестких исполнительных звеньев структуры механизма. Рассеяние энер-. гии в опорах жестких звеньев, в шарнирах присоединения гибких стержней к жестким звеньям и в самих упруго-податливых гибких стержнях не учитывается.

. Изучается динамита устанавливающегося движения механизма при различных.частотах, вращения ведущего звана без учета как движущих моментов, так.и моментов сил сопротивления. Обобщенная динамическая модель механизма исследуется как консервативная система под действием, внутренних сил упругости динамических связей структуры кинематической -цепи. Обобщенная математическая модель механизма с Ц степенями свободы базируется на уравнении Лагранжа второго рода.

Описана система дифференциальных уравнений движения пространственного механизма с двумя гибкими.стержнями и общего положения. Показано, что при обращении схемы пространственного механизма общего положения на более простые модификации (схемы) механизмов о двумя гибкими стержнями из основной системы уравнений легко получаются соответствующие обращенным схемам и их уравнения движения. Получены уравнения движения кривешипно-ползунного, кривоиипно-кулисного, кри-вошипно-двухкоромыслового механизмов, механизма подъемных пружин, пространственного двухкривошипного механизма со сложным движением ведомого звена, кривошипно-ползунного механизма с шестью степенями свободы, механизма для передачи вращательного движения между параллельными валами, механизма зубчато-рычажной поредачи.

Дифференциальные уравнения движения исследуемых механизмов с гибкими звеньями является нелинейными. Для их численного решения с использованием ЭВМ разработан алгоритм динамического анализа. Рассмотрим последовательность динамического анализа по разработанному алгоритму. Алгоритм для кривошипно-ползунного миханязма с двумя гибкими стержнями включает: . .

1. Расчетную динамическую модель механизма (см.рис.}5), определяющую его структуру, размеры звеньев и количественные исходные данные. .

2. Уравнение движения (4) механизма и начальные условия численного решения <РисИ5): ^„ , ^

' тх + 2-с.гЧ. ьу) = 0 .

с1

В ходе анализа определяются:

1. Закономерности изменения обобщенных координат, скоростей, при необходимости, ускорений звеньев.

2. Закономерности изменения усилий в.гибких звеньях замкнутого напряденного контура кинематической цепи.

Закономерности изменения усилий в гибких звеньях замкнутого контура необходимы .для расчета их на прочность, для расчетов опор исполнительных звеньев, .для оценки нагруженностя кинематических пар к для проведения других расчетов при проектировании механизма. По разработанному алгоритму проведен динамический анализ разнообразных схем механизмов, результаты расчетов приведены наглядно в -виде графиков для широкого спектра изменения геометрических, кинематических и жесткостных.параметров.

.. В шестой главе освещается методика приближенного аналитического решения динамики установившегося свободного движения шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями.

Первая постановка задачи предполагает, что динамика свободного установившегося движения механизма с лг сосредоточенными массами приближенно может быть описана одним нелинейным дифференциальным уравнением (уравнением маятника) вида:

+ М(<0 (5)

В уравнении ( 5 ) М($) зависит от координаты <р . Причем не является заданной функцией времени, а оказывается циклической координатой. .

Аналитически в эллиптических интегралах первого рода описаны колебания ведущеи звена кривошипно-ползунного механизма, пространственного кривошипно-коромыслового механизма. Установлено, что.в такой постановке задачи колебания ведущего эвена механизма порождаются преимущественно переменностью приведенного момента инерции звеньев и периодически изменяющимся моментом упругого сопротивления перемещению замкнутого предварительно напряженного контура кинематической цепи. Ведомое звено (звенья) в таком режиме работы механизма совершает периодические колебания, однозначно определяемые положением координаты ведущего звена. Характеристикой жесткостных свойств замкнутого контура кинематической цепи служит жесткость, приведенная к ведущему звену, характеристика которого нелинейна. Принятая характеристика жесткости зависит от положения механизма и является периодической функцией обобщенной координаты ведущего звена. Эта жесткость и обусловливает момент упругого сопротивления перемещению ведущего звена свободного механизма относительно стойки,

являющегося восстанавливающим для всего подвижного контура. При реальном проектировании исследуемых механизмов усилия конструктора всегда будут направлены к тому, чтобы предельно уменьшить амплитуду колебаний ведомых звеньев, накладывающихся на основное их кинематическое движение. Поэтому приведенная выше постановка задачи не только правомерна, но и оправдывается конкретным режимом эксплуатации предлагаемых механизмов.

В работе приводится качественный анализ колебаний ведущего звена механизма с учетом инерции жестких звеньев. Качественный анализ дополняет приведенные выше численные решен:«] систем уравнений механизмов и частные решения в аналитической форме. Он полезен своей •наглядностью, позволяет получить полное представление о характере движения механизма. .

. Во второй постановке задачи поведение ведущего звена механизмов считается постоянной Уо=и50 . В исследуемых механизмах ведомое звано (звенья) связано с ведущим звеном функцией положения и упруго-динамической связью. Благодаря инерционности ведомое звено совершает малые-линейные колебания около своего основного колебательного-движения, определяемого функцией положения механизма. Влияние упругости замкнутого .контура на малые колебания ведомого звена характеризуется жесткостью, приведенной к ведомому звену. Этой жесткостью и будет обусловлен восстанавливающий момент при перемещениях ведомого звана, относительно ого основного текущего положения. Среднее значе-Ш1е этой жесткости л амплитуда ее изменения зависят от геометрических параметров замкнутого контура кинематической' цепи механизма. Обычно при практически реализуемых параметрах механизма постоянная составляющая жесткости значительно превышает переменную и колебания ведомого звена (звеньев)накладывающиеся на его основное движение, практически линейны. Собственная частота малых колебаний ведомого звена, в отлячиа от динамики ведущего звена приведения механизма, должна быть высокой и реальной. Механизм по этой составляющей колебаний всегда должен работать в устойчивом дорезонансном режиме. Последнее обеспечивается.в силу большой жесткости, приведенной к ведомому звену. В противном случае, не удалось бы надежно задать закон движения ведомого исполнительного звена в исследуемых механизмах и обеспечить его основное функциональное назначение. . .

На примере простейшего кривошипно-ползунного механизма продемонстрировано изучение линейных малых колебаний ведомого звена около еэ устойчивого основного движения.

Во второй постановке задачи колебания изучены на примерах.кривошипно-ползунного , крпвошипно-коромыслоЕого механизмов. Использова-

низ приближенных методов позволило получить не только важные прак™-тичвскиа выводы, но и позволило выяснить и обобщить наиболее интересные специфические аспекты о колебаниях около состояния устойчивого установившегося движения механизма.

В седьмой главе разработаны динамические модели различных плоских и пространственных шарнирно-стержнввых механизмов с гибкими звеньями, учитывающих статичеседю характеристику двигателя. Описана методика построения систем дифференциальных уравнений движения шарнирно-гстержневых механизмов с гибкими, звеньями, .содержащих малый параметр. На основе"теории возмущений" Н.Н.Боголюбова построены приближенные аналитические решения математических моде дай кривошип-но-ползунного, кривоппшног-кулисного, кривошипно-корошслового, кри-вошшно-двухкоромыслового, пространственного механизма общего положения, кривошипно-ползунного механизма со многими степенями свободы. Анализ устойчивости движения шарнирно-стержневых механизмов с гибкими.звеньями в стационарных режимах эксплуатации произведен в форме В.О.Кононенко с выполнением требований в форме Рауса-Гурви-ца. Изучение устойчивости стационарных режимов эксплуатации исследуемых механизмов приводит к линейным уравнениям с постоянными коэффициентами.

Изложенное продемонстрируем на примере кривошипно-ползунного механизма с двумя гибкими стержнями. Уравнение свободного движения этого механизма описано системой (4). Математическая модель движений, колебательной системы с учетом характеристики двигателя описана системой уравнений:

fmx + /я + с<* = C2.-m.si1■bf,

где c c - ДС^Д. ,

:-tn- масса ползуна, $ - момент инерции вращающихся масс. В (б) учтены: сила сопротивления колебательному движению, взятая в виде линейной функции скорости J3x ; момент сил сопротивления вращении ротора - в виде заданной функции . HCf) и движущий момент источника, энергии характеристика двигателя. Из второго уравнения системы (6) очевидно, что момент GgX-cos^5 является составной часть© нагрузки двигателя» Влияние колебаний будет тем сильнее, чем больше амплитуда колебаний ползуна. Наиболее активное взаимовлйя"-■ние колебательной системы механизма и двигателя необходимо ожидать в режимах, близких к.резонансным.

•Система (6) в форме, содержащей малый параметр, записана в ви-

гд9

У = 6 [ М, (?) + ^ (Х- Я- ¿3 ?). ооа «рз,

^'-у-'

- При.значении малого параметра 6=0 уравнения (7) описывают гармонические колебания и вращение ведущего звена механизма с постоянной частотой. ^-Поэтомупри О естественно ожидать колебания', близкие к гармоничеоким, и частоту ведущего.звена механизма, близкую к постоянной, то есть медленно изменяющуюся. . -.По методике Боголюбова-Кононенко в уравнениях (7) 'введем замену переменных:

^ДсозСР+оО, ^»-Жа = (8)

Новые переменные А,оС, а)** будут медленно изменяющимися функциями времени £ . Они определяют наиболее существенные параметры движения динамической системы. 4 - амплитуду колебаний, о<1 - угол сдвига фаз между координатой У ведущего звена и координатой ¡р 'ведомого звена-ползуна, О)* - частоту возмущающей силы или угловую скорость вращения ведущего звена - кривошипного вала. . .

Следуя методу теории возмущений Н.Н.Боголюбова, получаем значения амплитуды колебаний

Ъ С-Г^&о

а ~ ' (9)

ч

(Ю)

- .Колебания ведомого звена механизма протекают по гармоническому закону \ю

а-совС^+Л), (п)

Зависимости (9)-(П) достаточно просты и удобны для практических. равчотов. Они включают в себя геометрические и динамические характеристики структуры исследуемого механизма. Величина амплитуды колебаний ползуна зависит от продольной жесткости С гибких- стержней, размера радиуса I4 кривошипа, величины относительного начального натяжения &0 гибких стержней, от выбора размера с! замкнуто-

го контура кинематической цепи,сосредоточенной массы т. ползуна и других конкретных параметров динамической модели.Количественные характеристики резонансных кривых,также как величина реализуемой амплитуды,ширина возможной области неосуществимых стационарных режимов.положения границ этой области механизма зависят от выбора сочетания геометрических,жесткостных и инерционных параметров "динамической модели.

В восьмой главе описаны результаты экспериментальных исследований самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями.Главная цель экспериментальных исследований заключается в проверке работоспособности новых самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями.Кроме того, целью экспериментальных исследований является проверка основных теоретических и методических положений новых методов анализа и синтеза предлагаемых исполнительных механизмов общего назначения.

Основные научные.результаты и выводы. Поставлена и решена актуальная научно-техническая проблема современного практического машиностроения,состоящая в разработке единой структурно(5,кинематической, динамической теории проектирования,расчета и на этоР основе создания принципиально нового класса самоустан«иливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями ойщего назначег-ния.Выполненная работа развивает общие положения классической структурной теории механизмов и отражает новое научное направление в теории самоустанавлнвающихся механизмовегибкими звеньями общего назначения.

Проведенные исследования позволяют сделать .следующие основные выводы:

1.На основе расширенного п?езстайлеиия структурной группы разработана общая классификация однозвенных базовых статически определимых групп-контуров нулевой подвижности механизмов с жесткими звеньями.С использованием формулы А.П.Малышева определены условия закономерностей процесса образования базовых статически определимых групп при их структурном синтезе.

2.Развита общая структурная теория кинематических цепей механизмов с гибкими звеньями.На основе классификации однозвенных статически определимых групп-контуров нулевой подвижности механизмов с жесткими звеньями разработана общая классификация однозвенных групп-контуров механизмов с гибкими звеньями.Определены

условия закономерностей процесса образования базовых однозвенных групп-контуров при структурном синтезе.На основе развития общей структурной теории кинематических цепей механизмов с гибкими звеньями разработаны методы анализа и синтеза принципиально новых самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями.

3.Самоустанавливамщиеся шарнирно-стержневие механизмы с гибкими звеньями являются механизмами общего назначения.В кинематической цепи предлагаемых механизмов гибкие звенья в сочетании с жесткими звеньями образуют замкнутый предваритапьно напряженный контур. Устойчивое равновесие кинематической цепи относительно начального положения механизма (положения сборки механизма) и отсутствие избыточных связей обеспечивает самоустанавливаемость ее звеньев.

4.На основе разработанных теоретических положений создан целый ряд схемных и конструктивных вариантов самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями.Предложены новые самоустанавливающиеся шарнирно-стержневые механизмы привода рабочих органов сельскохозяйственных машин,зубчато-рычажные механизмы,роторные механизмы для гибкого соединения валов,механизмы стеклоочистителей транспортных средств,механизмы роботов и манипуляторов и др. 16 технических решений,связанных с конструктивными и "технологическими особенностями разрабатываемых механизмов, передач,машин на базе этих исполнительных механизмов,признаны изобретениями.

5.Наличие в кинематической цепи исследуемых механизмов упругого замкнутого контура обуславливает не только общие структурные свойства,присущие механизмам предлагаемой группы,а также определяет методы и специфику исследования их динамики на холостом ходу и под нагрузкой.На основе обобщенной математической модели механизма создана методика построений иполучены дифференциальные уравнения свободного движения разнообразных схем простых и сложных плоских и пространственных шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями в нелинейной постановке задачи.Для анализа решений систем нелинейных дифференциальных уравнений свободного движения механизмов разработан проблемно-ориентированный алгоритм.Численный анализ динамики проведен для большого круга разнообразных схем

механизмов с широким прпвличением ЭВМ ЕС-1022.

6.Разработаны динамические модели различных простых л сложных, плоских и пространственных шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями.учитывающих характеристику источника энергии (двигателя) .Создана методика построения систем дифференциальных уравнений движения предлагаемых механизмов,содержающих малый параметр. Построены математические модели различных простых и сложных,плоских и пространственных шарнирно-стеркневых механизмов с гибкими звеньями.На основе "теории возмущений" Н.Н.Боголюбова построены приближенные аналитические решения их математических моделей. Анализ динамики вынужденных колебаний на математических моделях механизмов выполнен с учетом характеристики двигателя.

7.Анализ устойчивости движения шарнирно-стеркневых механизмов с гибкими звеньями б стационарных режимах эксалуатации произведен в форме В.О.Кононенко с выполнением требований в форме Рауса-Гурвица.Анализ устойчивости стационарных режимов эксплуатации исследуемых механизмов приводит к линейным уравнениям с постоянными коэффициентами.Стационарные колебания ведомого звена (звеньев) предлагаемых механизмов протекают по гармоническому закону с постоянной частотой сО ,совпадающей со скоростью вращения вала двигателя.Для расчета стационарных режимов колебаний шарнир-но-стержневых механизмов с гибкими звеньями получены простые и удобные зависимости.

Результаты экспериментальных исследований показали,что применение новых самоустанавливающихся шарнирно-стеркневых механизмов с гибкими звеньями в конструкциях реальных машин и механизмов обеспечивает снижение металлоемкости и повышение надежности,простоту конструкции,высокую адаптивность к вероятным нагрузкам, удобство в эксплуатации,что соответственно подтверждает технико-экономическую целесообразность их применения в различных областях машиностроения.

Основные публикации по теме диссертации:

1.Наурызбаев Р.К. Пути рационального проектирования наложных исполнительных механизмов машин. -Сер:Машиностроение. -Алма-Ата: КаэНИЖИ, 1391, - 60с.

2.Кааыхан0Б Х.Р.,Наурызбаев Р.К. Перспективы применения новых исполнительных механизмов в машиностроении.- Алма-Ата: 1СпзНП!'НТЕ1,1Ш9, - 42 с.

3. Наурызбаео Р.К., Арпабеков М.И. Перспективы применения новых конструкций гибких .муфт в машиностроении. - Алма-Ата : КАЗ. НШМТИ, 1989 г. - 24 с.

4. Казиханов Х.Р., Наурызбаев Р.К. Развитие теории структуры механизмов. - Алма-Ата : КазПТИ, 1989 гЛ - 30 с.

5. Казиханов X.Р., Наурызбаев Р.К. Развитие теории структуры механизмов с гибкими связями. - Алма-Ата : КазПТИ, 1989 - 27с.

6. Каурызбаев Р,К. ,и(.Т.Тоганбаев, 1,1.И.Арпабеков. Пути повышения надежности и.долговечности машин и их исполнительных механизмов. -Сед:Машиностроение. -Алма-Ата:КазН1'ИКИ,199< - 40с.

'7. Каурызбаев Р.К. Структур а, кинематика и динамика механизмов с гибкими связями в замкнутом предварительно напряженном контуре. - Ачка-Ата: деп. в спр. - тф. фонде КазННИНТИ, ,72791, 1989 г. - С. 1-67. УИМ »10 (415).

8. Наурызбаев Р. 1С. Динамика пространственного механизма общего положения с гибкими шатунами // Исследования по теории функций и дифференциальным уравнениям. - Алма-Ата: КаэГУ,1985. - С.156 - 160.

9. Каурызбаев Р.К. К исследованию динамических уравнений движения механизмов с начальными напряжениями // Вестник АН КазССР, В1КИТИ, }:■> 8081 - в; Дел. - 1986. - С.I - 15.

10. Каурызбаев Р.К. К динамике механизмов с начальными напряжениями. Госплан КазССР. КазНИИНТИ, 1? 1783. Деп. - М.., 1987. -№ II (193). - С. 1-5.

11. Наурызбаев Р.К. Структурный анализ механизмов с гибкими связями в замкнутом предварительно напряженном контуре. - Алма-Ата: Деп. в спр.- инф. фонде КазНИИНТИ, 2790, 1989. - С.1-24. УИМ:? 10 (415).

12. Каурызбаев Р.К. Принципы построения механизмов с гибкими связями // Тез. док. IX респ. межвуз. науч. конф. по математике и механике. Часть 'Л. Теоретическая и прикладная механика. - Алма-Ата: КазГУ, 1989 г. - С.160.

13. Казыханов Х.Р», Наурызбаев Р.К. Новые методы структурного синтеза механизмов // В сб. Задачи реализации перестройки высшего образования в стране // КПЙ. Тел. дрк. Всесоюзного совещания- семинара по ТММ. - Калинин, 1989 г. - С.50.

14. Казыханов Х.Р., Наурызбаев Р.К. Общие методы структурного синтеза механизмов // Тез. докл. Зонального науч.-методического совещания - семинара по ТММ вузов республики Прибалтики, Белоруссии и Калининградской области РСФСР. Вильнюс, I990.-C.IG.

15. Наурызбаев Р.К. Повышение надежности муфты // Машиностроитель. №1. - П.: Щшиностроение,1990. - С.38 (соавтор Арпабе-ков М.И.).

16. Наурызбаев Р.К. ЬЬнипуляторы // Машиностроитель.-№3.-М.: Машиностроение, 1990. - G.I3-I4 (соавтор Тоганбаев М.Т-.).

17. Казыханов Х.Р., Наурызбаев Р.К. Анализ и синтез' самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями $4 Мат. науч.-методического совещания по ТММ вузов республик Средней Азии и Казахстана. - Алма-Ата, 1991. - С.20.

18. Наурызбаев Р.К. Повышение надежности зубчато-рычажной передачи // Машиностроитель» №1. -М.:Ыашиносгроение,1991.-С.£0.

19. Казыханов Х.Р., Наурызбаев Р.К. Динамика самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями // Шт. Всесоюзной конференции " Механизмы переменной структуры в технике".- Бишкек, 1991. -С.98,

20. Наурызбаев Р.К. Стеклоочистители // Машиностроитель. Машиностроение, 1991. - С.32-33 (соавтор Тоганбаев М.Т.).

21. Наурызбаев Р.К. Динамика роторных механизмов для гибкого соединения ведов // Вестник Сельскохозяйственной науки Казахстана. -№12. - Алма-Ата, 1991. - C.I0I-I05 (соавтор АрпабековМ.И).

22. A.C. 13^3332 (СССР). Почвообрабатывающая машина.-Опубл. в БИ, 1987, »43 / Наурызбаев Р.К.., Бон А.Э. 1

23. A.C. » I52I588 (СССР). Манипулятор. - Опубл. в БИ, 1989.-№42 / Наурызбаев Р.К., Тоганбаев М.Т.

'24. A.c. I5375I3 (СССР). Манипулятор.-Опубл. в БИ, 1999.-ЯЗ/ Наурызбаев Р.К., Тоганбаев М.Т.

25. A.c. 1532742 (СССР). Рычажная компенсирующая муфта. -Опубл. в БИ, 1989. - №48 / Наурызбаев Р.К., Тоганбаев М.Т.,Ар-пабеков М.И.

26. A.c. I55I696 (СССР). Зубчато-рычажная передача. - Опубл.■ в Б.И., 1990 - №11 / Наурызбаев Р.К., Бон А.Э.

27. A.c. I574I89 (СССР). Ротационный режущий аппарат. -Опуб. d Б.И., 1990.- №24 /Наурызбаев Р.К., Бон А.Э.

28. A.c. 1569267 (СССР). Стеклоочиститель транспортного сред-

ства. - Опубл. в Б.И., 1990. -№21 /Наурызбаев Ги

f!

К. ДоганбаевМ.Т-