Обоснование методов структурного синтеза, кинематического и кинетостатического анализа механизмов второго семейства

Фомин, Алексей Сергеевич

Теория механизмов и машин

автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Обоснование методов структурного синтеза, кинематического и кинетостатического анализа механизмов второго семейства

кандидата технических наук: Фомин, Алексей Сергеевич
город: Новокузнецк
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.02.18

Диссертация по машиностроению и машиноведению на тему «Обоснование методов структурного синтеза, кинематического и кинетостатического анализа механизмов второго семейства»

Автореферат диссертации по теме "Обоснование методов структурного синтеза, кинематического и кинетостатического анализа механизмов второго семейства"

На правах рукописи

Фомин Алексей Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА, КИНЕМАТИЧЕСКОГО И КИНЕТОСТАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА МЕХАНИЗМОВ ВТОРОГО СЕМЕЙСТВА

Специальность 05.02.18 - Теория механизмов и машин

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I 8 ФЕВ 2013

Омск-2013

005050108

Работа выполнена на кафедре теории механизмов и машин и основ конструирования Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» (г.Новокузнецк)

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Дворников Леонид Трофимович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Лритыкин Федор Николаевич

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Редреев Григорий Васильевич

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Защита состоится «15» марта 2013 года в 14.00 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.178.06 при ФГБОУ ВПО «Омский

государственный технический университет» по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, корпус 6, ауд. 340.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями) просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ОмГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.178.06.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»

Автореферат разослан «14» февраля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.178.06, кандидат технических наук, профессор

В.Н. Бельков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Ведущей отраслью промышленного развития государства является машиностроение. В последние годы в Российской Федерации проблеме развития машиностроения уделяется особое внимание, поставлены задачи о его коренной модернизации на основе внедрения инновационных подходов. Решение этих важных задач возможно только при использовании результатов новейших научных исследований и, в первую очередь, в теории машин, одним из основных разделов которой является синтез структур механизмов, позволяющих решать поставленные практикой технологические задачи.

Настоящая работа посвящена решению задач синтеза структур, кинематического и силового исследования механизмов, отнесенных академиком И.И.Артоболевским ко второму семейству, которые, имея перспективы широкого применения в технике, до настоящего времени оставались практически не исследованными. Такие механизмы имеют возможность функционирования в различных ограниченных пространствах, обладают тем важным качеством, что могут создаваться с меньшим числом звеньев по сравнению с механизмами, работающими в неограниченном декартовом пространстве.

В диссертационной работе впервые изучается существование и особенности функционирования механизмов второго семейства, формулируются и решаются задачи, связанные с их созданием и исследованием. Особое внимание уделяется задаче структурного синтеза ассуровых и неассуровых механизмов, доказывается существование семи подсемейств внутри второго семейства^ обосновываются виды и подвиды механизмов, разбираются пространства функционирования механизмов, определяются приемы их кинематического и силового анализа, обосновываются принципиально новые схемы механизмов второго семейства, защищенные патентами Российской Федерации.

Создание методики образования и алгоритмов исследования механизмов второго семейства, ранее практически не исследованных, дает не только новый научный результат, но и, имея ввиду, что такие механизмы, как наиболее простые из пространственных по структуре, могут находить широкое применение в практике машиностроения, можно утверждать, что задача их полного исследования является весьма актуальной.

Целью настоящего исследования является разработка методов структурного синтеза, приемов кинематического и силового анализа механизмов второго семейства и применение разработанных методов на примере созданных и исследованных конструкций.

Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Обосновать существование и выявить особенности работы механизмов второго семейства, как механизмов, на движение звеньев которых накладывается два общих условия связи.

2. Найти пространства функционирования механизмов второго семейства с учетом четырех относительных возможных движений в них, доказать существование отличающихся по структуре подсемейств, видов и подвидов механизмов.

3. Разработать алгоритмы и методы структурного синтеза ассуровых и неассуровых механизмов второго семейства.

4. Выявить особенности кинематического и силового анализа механизмов

второго семейства.

5. Подтвердить реальными техническими решениями возможность применения в технике механизмов второго семейства.

6. Выполнить кинематическое и силовое исследование «Механизма для воспроизведения пространственных кривых».

Объектом исследования являются механизмы второго семейства.

Предметом исследования является структура, кинематика и кинетостатика механизмов второго семейства.

Методы исследования основаны на принципах теории структурного синтеза кинематических цепей при использовании универсальной структурной системы; на методах аналитического исследования кинематики и силового анализа механизмов; приемах конструирования деталей машин.

Достоверность результатов работы обеспечивается

- тем, что проведенные исследования основываются на классических положениях теории механизмов и машин;

- использованием разработанных алгоритмов при нахождении всего многообразия структурных схем механизмов второго семейства, как ранее известных, так и принципиально новых;

- разработкой новых механизмов второго семейства, оригинальность которых защищена патентами Российской Федерации.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Исследования В.В. Добровольского и И.И. Артоболевского показали, что пространственные механизмы в зависимости от числа общих наложенных на них связей могут различаться по семействам и существенно отличаться друг от друга. Наиболее предпочтительными из них по числу используемых звеньев являются механизмы второго семейства, что определяет задачи их исследования как первоочередных.

2. На движение звеньев механизмов второго семейства в трехмерном декартовом пространстве накладываются два общих условия связи, при этом различные по сложности звенья могут входить в одно-, двух- и трехподвижные кинематические пары. В связи с этим пространства функционирования, отличающиеся по структуре подсемейства, виды и подвиды механизмов второго семейства требуют специального исследования.

3. Использование в технике механизмов второго семейства представляется весьма перспективным, а потому поиск алгоритмов их кинематического и силового исследования уже на стадии общего рассмотрения возможных схем механизмов является весьма актуальным.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, обработке результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, разработке методов структурного синтеза, кинематического и кинетостатиче-ского анализа, создании новых механизмов второго семейства, написании тезисов докладов, материалов и трудов, а также статей по теме диссертационной работы.

Работа выполнена в рамках научных и научно-технических программ: 2009-2010 гг. - в соответствии с планами работ НИР ФГБОУ ВПО «СибГИУ»

(проект 1.8Н); 2010-2011 гг. - в рамках стипендии Президента РФ для обучения за рубежом (кафедра технической механики, факультет машиностроения, Вуп-пертальский университет, г. Вупперталь, Германия); 2012-2014 гг. - в рамках государственного задания ФГБОУ ВПО «СибГИУ» на выполнение НИР (регистрационный № 7.2290.2011); 2013 г. - в рамках государственного задания ФГБОУ ВПО «СибГИУ» на выполнение НИР (регистрационный № 11.7190.2013).

Научная новизна работы заключается в

1. Формировании основных задач научного изучения механизмов второго семейства, которые до настоящего времени практически не исследовались.

2. Обосновании принципа деления механизмов второго семейства на подсемейства, пространства функционирования, на виды и подвиды.

3. Разработке методов и алгоритмов поиска отличающихся структур механизмов второго семейства;

4. Создании обобщенных моделей кинематического и силового анализа механизмов второго семейства с двумя общими условиями связи, наложенными на движение их звеньев.

Практическая значимость результатов исследования показана на конкретных примерах синтеза механизмов, обладающих широкими возможностями обеспечения заданных траекторий и законов движения рабочих органов.

Теоретические положения работы и результаты исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «СибГИУ» (г.Новокузнецк) по курсам «Теория механизмов и машин», «Спецглавы теории машин», «Методические основы расчета сложных конструкций», «Структура реальных механических систем», «История техники и технологий», а также был и использованы при выполнении научно-исследовательских работ студентами и аспирантами института машиностроения и транспорта ФГБОУ ВПО «СибГИУ».

Проведены опытно-промышленные испытания запатентованного «Механизма для воспроизведения пространственных кривых». Кинематическая схема и методика ее расчета применены при проектировании трехроторной мельницы для установки УСП-С-04.55М, входящей в состав опытной технологической линии по сушке, помолу и классификации сырьевых материалов, смонтированной в г. Златоусте (Челябинская обл.). Разработанная кинематическая схема также была использована при конструировании роторного измельчителя технологической линии по переработке полимерного вторсырья на предприятии ООО «Форм Пласт» (г.Новокузнецк).

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: ХШ-ХУП Всероссийских научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, ФГБОУ ВПО «СибГИУ», г.Новокузнецк, 2004-2009 гг.; III Международном форуме по стратегическим технологиям Ш08Т-2008, ФГБОУ ВПО «НГТУ», г.Новосибирск, 2008 г.; 42-й научно-практической конференции молодых ученых компании ЕУЛАг, ОАО «ЗСМК», г.Новокузнецк, 2008 г.; III учебно-методической конференции ФГБОУ ВПО «СибГИУ», г.Новокузнецк, 2009 г.; XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии - 2009», ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ», г.Томск, 2009 г.; Всероссийских научных форумах Российской Академии Естествознания, г.Москва, 2010 и 2012 гг.; XXI и XXIII Научно-

практических конференциях по проблемам механики и машиностроения, ФГБОУ ВПО «СибГИУ», г.Новокузнецк, 2010 и 2012 гг.; открытом семинаре на кафедре технической механики Вуппертальского Университета, г.Вупперталь, Германия, 2011 г.; открытом семинаре на кафедре машиностроения Болонского Университета, г.Болонья, Италия, 2011 г.; V Международной конференции «Проблемы механики современных машин», ФГБОУ ВПО «ВСГУТУ», г.Улан-Удэ, 2012 г.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пунктам 1 - «Методы кинематического и динамического анализа (в том числе математического моделирования, анимационного и экспериментального исследований) механизмов» и 2 - «Синтез (в том числе автоматизированное проектирование) структурных и кинематических схем механизмов и обобщенных структурных схем машин, оптимизация параметров» паспорта специальности 05.02.18 - «Теория механизмов и машин».

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, из них 2 научных статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 4 патента РФ на изобретения и полезные модели, 14 публикаций в материалах Международных и Всероссийских конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, заключения, библиографического списка из 127 наименований и приложений. Общий объем работы вместе с приложениями составляет 169 страниц, содержит 11 таблиц и 106 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна полученных результатов и их практическая значимость.

В первой главе проводится анализ фундаментальных исследований в области теории структуры механических систем, начатых во второй половине XIX века трудами П.Л. Чебышева, Ф. Рело, М. Грюблера, Х.И. Гохмана, О.П. Сомова и позволивших выделить теорию машин в самостоятельную науку со своими предметом и методами исследования.

В течение XX века благодаря исследованиям Л.В. Ассура, А.П. Малышева, В.В. Добровольского, Н.И. Колчина, И.И. Артоболевского, С.Н. Кожевникова, О .Г. Озола, Л.Н. Решетова и других ученых теория структуры механизмов была развита до ее прямого использования в практике машиностроения.

Анализ трудов перечисленных исследователей показал, что к началу XXI века были выявлены принципы построения кинематических цепей, определены основы их классификации и разработаны методы их исследования.

Структурная формула плоских механизмов, выведенная П.Л. Чебышевым в 1869 г., имеющая вид

Т¥ = Зп — 2р5, (1)

где IV - подвижность цепи, п - число подвижных звеньев, р5 - число однопод-вижных кинематических пар, была развита А.П. Малышевым в 1923 г. в формулу

IV = 6п-5р5 -4/?4 -Зр3 —2р2 — р1 (2)

(3)

для пространственных механизмов, где р5, р4, р3, р2 и р! - одно-, двух-, трех-, четырех- и пятиподвижные кинематические пары, а в 1936 году В.В. Добровольским была выведена универсальная структурная формула для всего многообразия механизмов в виде

к-т = 1

Г¥т=(6-ш)п- X (к-т)рк ,

к = 5

где т - число общих связей, накладываемых на механизм.

Последняя формула позволила И.И. Артоболевскому впервые обосновать классификацию механизмов по семействам в зависимости от параметра т, который может принимать значения 0, 1, 2, 3 или 4. Для механизмов нулевого семейства т=0 и формула (3) для них полностью повторяет формулу (2) А.П. Малышева.

На движение звеньев механизмов первого семейства накладывается одна общая связь (т= 1), а их структурная формула подвижности имеет вид

1У1=5п-4р5-Ър1-2р3-р1. (4)

Для механизмов второго семейства параметр т принимается равным двум (»з-2) и формула подвижности записывается как

№2=4п-Зр5-2р4-р3. (5)

Движение звеньев механизмов третьего семейства ограничивается тремя общими наложенными связями (т=3)

1Г3 =3п-2р5-р4. (6)

Если на движения звеньев накладываются четыре общих связи (от=4), то такие механизмы относят к четвертому семейству и их подвижность определяется формулой В.В. Добровольского

№4=2п-р5. (?)

Согласно классификации И.И. Артоболевского между механизмами разных семейств имеются принципиальные отличия не только в принципах их построения, но и в методах их исследования. К настоящему времени в большей или меньшей степени исследованными и широко используемыми в практике являются простейшие механизмы нулевого семейства, плоские и сферические механизмы третьего семейства, клиновые и винтовые механизмы четвертого семейства. Что же касается механизмов первого и второго семейств, то они фактически являются неисследованными.

Так, все сведения о механизмах второго семейства, содержащиеся в работах В.В. Добровольского и И.И. Артоболевского, касаются лишь нескольких кинематических схем, три из которых приведены на рисунке 1.

Пространственный рычажно-винтовой механизм

Винто-рычажный механизм для перемещения коромысла

Рисунок 1. Известные механизмы второго семейства

Пространственный рычажно-винтовой механизм

Опыт последних лет и анализ технических возможностей таких механизмов дает основания утверждать, что их практическое применение в технике может иметь весьма широкие перспективы. Основываясь на изложенном, настоящая диссертационная работа посвящена разработке начал общей теории структуры механизмов второго семейства.

Во второй главе диссертации проводятся исследования условий существования механизмов второго семейства. Прежде всего, обратим внимание на то, что такие механизмы, являясь пространственными, могут создаваться из наименьшего числа звеньев. Если обратиться к созданию групп нулевой подвижности (ГНП) с использованием лишь одноподвижных кинематических пар (р5), то по (3) при Жт=0 можно вывести соотношение

р^/п=(6-т)/(5-т),

откуда следует, что при т=2 число звеньев, образующих ГНП, окажется равным 3, в то время как для т=1 и т=0 числа звеньев ГНП равны соответственно 4 и 5. Простейшими механизмами (с добавлением ведущего звена и с учетом неподвижного звена - стойки) тогда будут: во втором семействе - пятизвенный, в первом семействе - шестизвенный, а в нулевом семействе - семизвенный. При применении в составе механизмов кинематических пар других классов, разница в числе использованных звеньев остается в пользу механизмов второго семейства. Это доказывает выгодность их применения с позиции практики, а значит, целесообразным является определение их кинематических цепей и конструирование самих механизмов.

Систематическое исследование строения (структуры) механизмов второго семейства было начато с установления возможных подсемейств механизмов, анализа пространств их функционирования, и с рассмотрения полного состава кинематических пар, которые в таких механизмах могут быть применены.

Внутри второго семейства оказалось возможным выделить принципиально отличающиеся друг от друга подсемейства механизмов в зависимости от того, какие по классам кинематические пары в них используются. С учетом формулы (5) в механизмах второго семейства могут использоваться пары только трех классов - пятого (р5), четвертого (р4) и третьего (рз). Поэтому всего во втором семействе было выделено семь подсемейств. Структурно они описываются формулами

1) первое подсемейство ^2(1) = —3/?5 -2Рц -рз ;

2) второе подсемейство Ж2(2) =4п-3р5-2р4;

3) третье подсемейство ^2(3) = 4«-Зр5 -р3;

4) четвертое подсемейство ^2(4) = 4и-3р5;

5) пятое подсемейство РГ2(5) =4и - 2р4 - р3;

6) шестое подсемейство IV2(6) = 4п-2р4;

7) седьмое подсемейство ^2(7) = 4п - р3.

Обязательным условием для всех семи подсемейств является наличие ненулевых значений чисел кинематических пар в правых частях их уравнений. Из приведенных формул подсемейств видно, что они описывают принципиально разные структуры, которые требуют своих подходов к их построению и исследованию.

Механизмы второго семейства, как и всех других семейств, могут создаваться в различных пространствах функционирования. В полном декартовом пространстве - ВПВПВП (вращательное В и поступательное П движения относительно всех трех осей координат) могут иметь движения лишь звенья механизмов нулевого семейства, описываемых формулой (2) А.П. Малышева и являющихся самоустанавливающимися.

Так как на движения звеньев механизмов второго семейства накладываются два общих условия связи (т=2), которые могут быть различными, а именно в виде ПП, ПВ, ВВ или ВП, то пространствами функционирования таких механизмов могут быть следующие четыре ВПВВ, ВППВ, ВППП и ВПВП, которые показаны на рисунке 2.

Пространство ВПВВ Пространство ВППВ Пространство ВППП Пространство ВПВП Рисунок 2. Пространства функционирования механизмов второго семейства

Отметим, что в каждом из показанных пространств присутствуют движения ВП - вращательное (В) и поступательное (ГТ) движения относительно одной из координатных осей. Третьим и четвертым относительным движением являются ВВ, ПВ или ПП относительно других осей и ВП относительно второй оси. Очевидно, что механизмы, построенные в четырех показанных пространствах, имеют также принципиальные отличия друг от друга не только по структуре' но и по методам их исследования.

Помимо отмеченного выше, кинематические пары пятого, четвертого и третьего классов, используемые в механизмах второго семейства, отличаются по составу относительных движений в них. Так, кинематические пары третьего класса могут обеспечивать пять комплексов относительных движений (ВВВ, ПВВ, ППВ, ВПВ и ВПП), четвертого класса - четыре (ВВ, ПВ, ПП и ВП) и пятого - два (В и П).

Специально выполненное исследование позволило выявить все возможные из перечисленных кинематических пар, которые впервые полностью приведены в таблице 1. При этом показанные пары выполнены удерживающими (двухстороннего действия).

Таблица 1. Полный состав удерживающих кинематических пар Ш, IV и V классов

Следующим отличием структур механизмов является деление их на виды в зависимости от параметра т универсальной структурной системы профессора Л.Т. Дворникова

Г£р=г+(г-1>г_, +(т—2)пг_2 +...+Щ +...+2«, +«, +п0, (8)

[п=1+птЛ +пт_2 +...+ГЦ +...+№, +1\ +п0, который определяет сложность базисного звена цепи - от двухпарного (т=2), трехпарного (т=3) и т.д. до наиболее сложного. В (8) под и, понимается число звеньев, добавляющих в цепь по г" кинематических пар.

Внутри видов механизмы могут различаться по подвидам в зависимости от используемых И/. Так, III вид механизмов (т=3) содержит два подвида, описываемые формулами

1)р5 + /74 + />з=3 + 2и2+и1; 2) р5+р4 + рз=3 + П1.

В IV виде механизмов (т=4) можно выделить четыре отличающихся подвида. Их структурные формулы записываются следующим образом

1) р5 + р4+р3=4+3и3 + 2и2+и1; 2)/55+р4+рз=4 + Зи3+и1;

3) Р5 + Р4+Р3=4 + 2И2 + «1; 4) Р5+Р4 + Р3=4 + П1.

Таким образом, полный системный синтез структур механизмов второго семейства возможен при условии четкого разделения их на семь подсемейств, изучения их функционирования в четырех различных пространствах, разделении их на виды и подвиды в зависимости от сложности базисного звена и при учете всего многообразия кинематических пар третьего, четвертого и пятого классов.

Третья глава диссертации посвящена разработке универсального метода структурного синтеза механизмов второго семейства, приемов их кинематического и силового анализа.

Механизмы второго семейства могут создаваться как ассуровы, так и как неассуровы. Первые образуются путем наслоения групп, обладающих нулевой подвижностью, на механизмы первого класса по Ассуру (простой кривошип или простой ползун). Существование ассуровых механизмов возможно только в

первом, втором, третьем и четвертом подсемействах. Неассуровы механизмы организуются таким образом, что в них ведущее звено соединяется со стойкой через двух- или трехподвижные кинематические пары. Синтез структур таких механизмов возможен только в двух подсемействах - пятом и седьмом.

Прежде всего, обратимся к задаче структурного анализа известных вполне работоспособных механизмов с целью установления, к какому семейству они относятся. Расписывая универсальную структурную формулу (3) В.В. Добровольского и группируя члены, можно найти, что параметр т, определяющий принадлежность механизма к тому или иному семейству, определяется зависимостью

т_Иг„-6п + 5рч + Арл+ЗрГ{ + 2р7 + р,

Р5 + Р4 + Рз + Р2 + РГп ' (9)

Определив далее в исследуемом механизме число звеньев п, числа используемых кинематических пар р5, р4, ръ, р2ири можно по (9) найти, к какому семейству он относится. Так, приведенные на рисунке 1 механизмы И.И.Артоболевского, содержат в своем составе четыре подвижных звена (п=4) и пять кинематических пар пятого класса (р5=5), что при Ш=\ дает по формуле

(9) т—2, т.е. определяет их отношение к механизмам второго семейства.

Более сложной является задача структурного синтеза таких механизмов Воспользуемся для этих целей универсальной структурной системой Л.Т.Дворникова, которая для механизмов второго семейства запишется в виде

Ръ +Рл +Рз =Т+(Т-1Ч.1 +(Т~2)ПГ_2 +...+Щ +...+2И2+И; +п0,

■ л=1+иг_, +пТ_2 +...+/у +...+П2 Щ +По, (10)

1Г2=4п-Зр5~2р4-р3,

где третьим уравнением может быть уравнение одного из семи подсемейств механизмов.

Чтобы воспользоваться системой (10), необходимо, прежде всего, определиться с базисным звеном механизма, то есть задаться значением т. Все многообразие механизмов второго семейства определяется значениями т от 2 до Гтах, которое выбирается из логических соображений. Для многих задач система

(10) может давать результат без каких-либо дополнительных условий. Так, в случае, если самым сложным звеном цепи выбирается двухпарное, т.е. т=2 то система (10) преобразуется к виду

Р5+РА+РЪ=2+г\<

■п=1+п„ (11)

[Щ = 4п-3р5-2р4 -р3.

Подставляя в первое уравнение л, из второго, и, далее, представляя п как (Р5+Рл+Рз~\) В третье уравнение системы (11) при условии, что 0^2=1, получим

¿?5+2р4+Зр3 =5. (12)

Уравнение (12) удовлетворяется при следующих пяти решениях

1)^5=0,^4=1,^3=1, П= 1; 4)р5=3,р4=1,р3=0, п=3;

2)£>5-1,^4=2,^3=0, «=2; 5) р5=5,р4=0,р3=0, и=4.

3)Л=2, ^4=0,^з=1, п=2;

Построенные по найденным решениям схемы механизмов показаны на рисунке 3.

//////ум _

ТТНЇ

Рисунок 3. Механизмы второго семейства с т=2

Чтобы решать задачи синтеза структур в самом общем случае, преобразуем систему (10). Выразим из второго уравнения системы щ

«!=«-1 - "г-1 - "г-2-•••-"/--■

(13)

а третье уравнение решим относительно р5

4п-ЕГ2-2р4-р3 (14)

Р 5--2 '

и, подставив уравнения (13) и (14) в первое уравнение системы (10), получим П-1У1 + рл + 2рз _(х_1}_(т_2>т [ _Гт_3>г 2 _..._0, _ 1М _..._2п3 -п2 + «0 = 0. (15)

Система уравнений (13), (14) и (15)

"я-Ж2+Р4+2р3

^-Гг-У-Гг-г;«,.! -(т-3)пт_2-...-(і-\)п, -,..-2Из -«2 +«о =0,

Р5~ 3 '

может быть использована при поиске всего многообразия структур кинематических цепей второго семейства. Для разных подсемейств система (16), будет отличаться. Для первого подсемейства, в котором обязательно применение пар р5, р4 и рг, система (16) при ¡}=0 (для групп нулевой подвижности), т=3 и п0=0 (отсутствие в цепи звеньев, не добавляющих кинематических пар) запишется в виде

п+р +2р

4 3-2-^=0,

л, =и-1-и2,

(17)

Р5 =

Ап-2р -р

Задавая числа звеньев п, по (17) можно определять как числа кинематических пар Р5, Ра, Рз, так и числа звеньев щ и п2, добавляющих в цепь по одной и по две кинематических пары. В таблице 2 приведены все решения для групп нулевой подвижности первого подвида с числом звеньев п от 3 до 5.

По найденным решениям из таблицы 2, могут быть построены группы нулевой подвижности, которые при дальнейшем наслоении на ведущее звено будут образовывать механизмы с Ж2(1)=1. На рисунке 4 показана схема механизма с виртуальными парами, содержащего в своем составе группу №1 из таблицы 2. На рисунке 5 показана схема механизма с

виртуальными парами, в состав которого одновременно входят группы №1 и

Таблица 2. Полный состав решений для 3-, 4- и 5-тизвенных групп первого подсемейства _III вида первого подвида

№ п/п Число звеньев группы, л Решения, описывающие организацию групп из «у и рх

1 3 Рз=1, р4=4, ри= 1, л=3, «,=1, «,=1

2 3 Рз=2, р4=2, р5=2, «=3, /і|=1, /г2=1

3 4 ¿7з=1, р4=3, р,=3, «=4, п,=2, «2=1

4 4 Рз=2, р4=1, Р5=4, и=4, «1=2, л7=1

5 4 Рз=1, р4=6, Рг=1, и=4, «1=1, «2=2

6 4 Рз=2, р4=4, р5=2, и=4, «і=1, «,=2

7 4 Рз=3, р4=2, р,=3, «=4, «і=1, «2=2

8 5 Рз=1, £>4=8, р,=1, «=5, «1=1, «2=3

9 5 Рз=2, р4=6, р5=2, и=5, «і=1, «,=3

10 5 Рз=3, р4=4, р5=3, «=5, «і=1, гп=3

11 5 Рз=4, р4=2, р5=4, «=5, «1=1, п2=3

12 5 Рз=1, р4=5, р,=3, «=5, «1=2, «2=2

13 5 Рз=2, р4=3, р.,=4, «=5, «і=2, «7=2

14 5 Рз=3, р4=1, р,=5, «=5, «і=2, «7=2

15 5 Рэ=1, Р4=2, р.,=5, «=5, «і=3, «7=1

Рисунок 4. Схема 5-звенного механизма первого подсемейства III вида первого подвида

Рисунок 5. Схема 10-звенного механизма первого подсемейства III вида первого подвида

Смысл виртуальной пары заключается в том, что на ее место может быть поставлена либо пара^, либо р4, либо р3 (в зависимости от полученного решения). Затем на место кинематической пары определенного класса вводится выбранная пара с конкретным комплексом движений. Например, если это пара третьего класса, то на место виртуальной пары может быть поставлена ВВВ, ПВВ, ППВ, ВПВ или ВПП. При этом в ассуровых механизмах пара, соединяющая ведущее звено со стойкой, принимается паройръ.

Во втором подвиде III вида могут применяться только звенья щ, добавляющие по одной кинематической паре каждое. Из системы (17) при «2=0 получим два решения: 1)л=1,/74=2,й=1, я=2; 2)р5=3,р4=1,Л=1, п=3. На рисунке 6 показан четырехзвенный механизм первого подсемейства III вида второго подвида, образованный наслоением двухзвенной группы на ведущее звено. Таким образом, могут быть найдены все структуры механизмов первого подсемейства с любым заданным т.

Рисунок 6. Схема 4-звенного механизма первого подсемейства III вида второго подвида

Для механизмов остальных подсемейств задача структурного синтеза решается также с применением системы (16). Однако третьим уравнением в ней должно быть уравнение выбранного подсемейства.

Следует отметить, что в пятом и седьмом подсемействах могут создаваться только неассуровы механизмы с входной двух- или трехподвижной кинематической парой. В этом случае в системе (16) должна быть учтена подвижность Ж2= 1. В шестом подсемействе создание механизма (Ц2(б)=1) невозможно, так как в формуле этого подсемейства коэффициенты перед п и р4 четные. Здесь могут быть определены цепи, обладающие только нулевой подвижностью (Щ(6)=0) или кратной двум (Ж2(б)=2, -2,...).

Таким образом, механизмы второго семейства могут создаваться не только как ассуровы, но и как неассуровы, когда входные кинематические пары обеспечивают две или более подвижности.

Механизмы второго семейства могут быть разрешены кинематически и кинетостатически. Кинематические уравнения, описывающие движение звеньев таких механизмов отличаются в зависимости от пространства функционирования конкретного механизма. Для каждого механизма второго семейства может быть составлено четыре уравнения движения.

Для пространства ВПВВ такими уравнениями являются зависимости углов поворота вокруг всех трех осей декартовых координат - (рх(0, <ру($, (р2(0, и одно уравнение смещения вдоль одной из осей - Бх(0 (рисунок Та). Механизмы, работающие в пространстве ВППВ, описываются уравнениями угла поворота и смещения относительно одной общей оси - <рх(0, Б/0, а также уравнениями угла

с) ВППП

с[) ВПВП

Рисунок 7. Отличие кинематических зависимостей от пространств функционирования механизмов второго семейства

Пространство ВППП определяется тремя уравнениями смещений вдоль трех осей декартовой системы координат - Яур), 8$), и уравнением угла

поворота вокруг одной из осей - <рх(1) (рисунок 7с). В пространстве ВПВП движение звеньев механизмов происходит относительно двух из осей декартовой системы координат, поэтому уравнениями кинематики являются - а Л) 5 Н) <РУ0), Бу(0 (рисунок 7с1). 'Ь

Дифференцируя уравнения углов поворота и смещений для каждого из четырех пространств можно получать угловые и линейные скорости и ускоре-

Все механизмы второго семейства также вполне разрешимы кинетостати-чески. Для каждого звена механизмов второго семейства можно составить четыре уравнения равновесия, которые в зависимости от пространства функционирования конкретного механизма будут различными. На рисунках 8 а, Ъ, с, с1

показаны все кинетостатические ситуации, возможные во втором семействе.

х(ВП)

г(Щ

Х(ВП)

Гу

•С=> ж У(ВП)

—те

м.

х(ВП)

Мг

х(ВП) М*

а) ВПВВ Ь) ВППВ с) ВППП ф ВПВП

Рисунок 8. К исследованию кинетостатики механизмов второго семейства

Таким образом, в зависимости от поставленных задач могут создаваться различные механизмы второго семейства с заданным базисным звеном г, отличающиеся по числу звеньев и, включающие разные по сложности звенья п, и организованные разными видами кинематических пар р5, рА и р3. Несмотря на принципиальные отличия в структуре этих механизмов, они являются полностью кинематически и кинетостатически разрешимыми.

В четвертой главе приводится обоснование практической реализации выполненного исследования. Разработанные подходы к структурному синтезу механизмов второго семейства, приведенные в главах 2 и 3, могут быть применены при создании реальных механизмов второго семейства, выполняющих различные технологические задачи.

В процессе исследования, были разработаны и запатентованы принципиально новые механизмы: «Механизм для воспроизведения пространственных кривых», патент РФ № 2309051 (рисунок 9а); «Пространственный четырехзвенный механизм с винтовой парой и роликом, движущимся в прорези», патент РФ № 94515 (рисунок 96); «Механизм для обработки сложных внутренних Рисунок 9. Разработанные механизмы поверхностей» (рисунок 9с),

второго семейства патент РФ № 118921; «Про-

странственный кривошипно-шатунный механизм второго семейства», патент РФ № 2422703 (рисунок 9(1). Особое внимание в диссертации было уделено исследованию механизма для воспроизведения пространственных кривых. Задачами исследования являлись определение траектории движения элемента Я, соединенного с гайкой 3 за одно целое. Траектория движения определялась путем сложения переносного движения точки В в составе шатуна 2, движущегося плоскопараллельно, и относительного винтового движения гайки 3 с элементом Я относительно шатуна (рисунок 10). Положение элемента Я в любой момент времени будет определяется радиусом-вектором гк, являющимся суммой векторов гв И Гцл-

Представим звенья механизма векторами /",, 1г, /~4 и 10Ю1, где 12=АВ=х + т, а точка В есть точка пересечения геометрических осей звеньев 2 и 4, х - переменное смещение точки В относительно А, а т — постоянный по величине вектор, определяемый из неизменяемого треугольника С02В. Тогда уравнение замкнутости контура 0,АВ020] запишется как

Рисунок 10. Кинематика механизма с учетом угл0в наклона звеньев к осям координат, показанных на рисунке 10, проекции суммы векторов на оси Хи Г дают систему

Г^соя^ +(х + т)со$(р2 - 14ят(<р2+а) = 1ОЮ2зт<р0, \1^1П(рх + (х + т)ьт <р2 + 1асоз( <р2 + а) = 1ОЮ2соз(р0, откуда становится возможным найти зависимости изменения переменного смещения х и угла (¡>г наклона звена 2 к оси 0\Х.

Положение точки В при ее смещении по шатуну определяется радиусом-вектором гв=1]+12=11+х + т, величину которого можно найти из выражения г = ЬсояЗ + 12со$у = 1хсо$((рх -<р) + (х + т)соя(<р-<р2), где угол (р определяется

Таблица 3. Анализ траектории движения элемента R

Время t, сек Корд. XR, ММ Корд. Y к, мм Корд. ZR, мм

0,0 31,6 -241,6 336,4

0,8 -6,9 -294,8 310,2

1,6 -26,0 -252,3 319,2

2,4 -34,7 -280,0 272,1

3,2 29,5 -311,2 183,7

4,0 -32,3 -302,8 148,5

4,8 28,1 -287,3 221,2

5,6 3,5 -309,6 273,7

6,4 39,2 -250,4 335,8

7,2 -40,0 -266,2 318,3

углами cpi и (рг, связанными формулой А _ /jimpj +(x + m)sinq>2 г l]cos(pï+(x + m)cos(p1 С целью определения изменения радиуса-вектора rR во времени была использована программа «T-FLEX CAD». Результаты расчета приведены в таблице 3, а построенная по ним траектория движения элемента R показана на модели исследуемого механизма, приведенного на рисунке 11.

Изменяя размеры звеньев и параметры резьбы винтовой пары можно решать обратную задачу, а именно, нахождение параметров механизма, обеспечивающих требуемое движение элемента Я.

Особое внимание в работе было обращено к задаче кинетостатического исследования механизма, которое проводилось с целью определения реакций в кинематических парах: Я01, Я]2, Я2Ъ, Я34, Я02. В каждой кинематической паре пятого класса механизма второго семейства неизвестными являются три составляющих реакций, в паре четвертого класса - две составляющих, в паре третьего - одна. С целью нахождения реакций в кинематических парах, в механизме была выделена группа нулевой подвижности, как система статически определимая. На рисунке 12 показаны все приложенные к группе внешние силы, реакции в кинематических парах и силы инерции звеньев.

Рисунок 11. Траектория движения элемента Я

Рисунок 12. К кинетостатике пространственной трехзвенной группы нулевой подвижности

Внешней силой является сила сопротивления приложенная к элементу Я. Звено 3 механизма (гайка) имеет пространственное движение, в координатах х,у иг. На этом основании сила представляется тремя проекциями на оси координат Рсу и ^сг).

Всего кинематических пар в группе четыре. Так как в каждой паре пятого класса возникает по три реакции, то общее число неизвестных становится равным 12. Чтобы определить все неизвестные нужно составить для каждого звена механизма четыре уравнения равновесия. Состав таких уравнений определяется пространством функционирования рассматриваемого механизма. Так как он работает в пространстве ВППВ, то уравнениями равновесия будут

Т.МХк = 0, 2МУк = 0, ЪРук = 0, Т.Ргк = 0. (18)

После исследования группы нулевой подвижности проводится исследование ведущего звена. Для определения трех реакций в паре, соединяющей ведущее звено со стойкой, и нахождения уравновешивающего момента на ведущем звене применяются уравнения (18).

Разработанные методы синтеза структур позволяют создавать новые механизмы второго семейства для выполнения различных технологических операций. Какими бы сложными по структуре не были создаваемые механизмы, они всегда могут быть исследованы по классическим методам теории механизмов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложенное академиком И.И. Артоболевским деление всего многообразия механизмов на семейства по числу общих связей, накладываемых на кинематическую цепь, явилось важным научным основанием к систематизации методов анализа и синтеза механизмов различного применения.

2. К началу XX века достаточно глубоко были исследованы механизмы третьего семейства - плоские и сферические, простейшие механизмы нулевого семейства и некоторые виды механизмов четвертого семейства (клиновые и винтовые). Что же касается механизмов второго семейства, то можно утверждать, что до настоящего исследования они фактически не изучались.

3. Особенности механизмов второго семейства, на движение звеньев которых накладываются два общих условия связи, заключаются в том, что они могут функционировать в четырех ограниченных пространствах ВПВВ, ВППВ, ВППП и ВПВП, могут создаваться как ассуровыми, так и неассуровыми, а соединение звеньев в них достигается лишь через одноподвижные, двухподвиж-ные и трехподвижные кинематические пары.

4. Выполненное исследование позволяет установить, что механизмы второго семейства могут различаться между собой по пространствам их функционирования, по подсемействам, в зависимости от состава используемых кинематических пар, по видам, в зависимости от сложности базисного звена цепи, по подвидам, в зависимости от звеньев, добавляющих разное число кинематических пар.

5. Все отличающиеся по перечисленным условиям механизмы второго семейства подчиняются разработанным методам их структурного синтеза в соответствии с теорией профессора Л.В. Ассура, а при использовании в них специально разработанных удерживающих кинематических пар дают возможность создавать уникальные механизмы, что доказывается рядом патентов на изобретения и полезные модели.

6. Механизмы второго семейства, являясь механизмами пространственными с наименьшим числом подвижных звеньев в них, вполне разрешаемы и кинематически, и кинетостатически, что доказывается не только общими обоснованиями, но и конкретными примерами.

7. Результаты выполненного исследования могут явиться основанием к развитию общей теории механизмов второго семейства и могут быть применены к исследованию механизмов первого семейства.

Полнота изложения материалов диссертации в публикациях. Основные положения диссертации полностью отражены в 21 работе, в том числе в 2 работах в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 2 патентах РФ на изобретения, 2 патентах РФ на полезные модели:

1. Фомин A.C. Кинематический анализ механизма для обработки сложных внутренних поверхностей / A.C. Фомин, JI.T. Дворников // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2012. -№ 1. - С. 742. Фомин A.C. Анализ пространств функционирования механизмов второго семейства / A.C. Фомин // Современные проблемы науки и образования. -2012. - № 6; URL: http://www.science-education.ru/106-7546

3. Пат. № 2309051 С1 РФ, МПК В 43 L 11/00. Механизм для воспроизведения пространственных кривых / Дворников Л.Т., Фомин АС - № 2005141747; заяв. 30.12.2005; опубл. 27.10.2007, Бюл. № 30 - 4 с • 1 ил

4. Пат. № 2422703 С1 РФ, МПК F 16 Н 21/18, F 16 Н 25/20. Пространственный кривошипно-шатунный механизм второго семейства / Дворников JIТ Фомин A.C. - № 2010107714; заяв. 02.03.2010; опубл. 27.06.2011, Бюл. №18-5 е.; 1 ил.

5 .Пат. № 94515 U1 РФ, МПК В 43 L 11/00. Пространственный четырех-звенный механизм с винтовой парой и роликом, движущимся в прорези / Дворников Л.Т., Фомин A.C. - № 2010100100; заяв. 11.01.2010; опубл 27 05 2010 Бюл. № 15-1 е.; 1 ил.

6. Пат. № 118921 U1 РФ, МПК В 43 L 11/00. Механизм для обработки сложных внутренних поверхностей / Дворников JI.T., Фомин АС - № 2011152128; заяв. 20.12.2011; опубл. 10.08.2012, Бюл. № 22-2 е.; 1 ил.

7. Фомин A.C. Механизмы второго семейства. Основы теории / A.C. Фомин // Проблемы механики современных машин: материалы V Международной конференции. - Улан-Удэ: Восточно-Сибирский государственный университет технологии и управления, 2012. Т 1. - С. 173-177.

8. Фомин A.C. Создание и анализ физической модели механизма для обработки сложных внутренних поверхностей деталей машин с использованием САПР T-FLEX / A.C. Фомин // Международный сборник научных трудов / Под ред. А.Н. Емелюшина. - Орск: Изд-во Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ОГУ. - 2012. - С. 206 - 208.

9. Фомин A.C. К вопросу синтеза механизмов второго семейства первого подсемейства / A.C. Фомин // Международный журнал экспериментального образования.-2010.-№ 8. - С. 159- 160.

10. Фомин A.C. К вопросу о применении кинематических пар в механизмах второго семейства / A.C. Фомин // Материалы XV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современная техника и технологии СТТ-2009». - Томск: изд-во Томского политехнического университета, 2009. Tl. - 547 с. - С. 358 - 359.

11. Фомин A.C. The Second Genus Machines and the Methods of their Structural Synthesis / A.C. Фомин // Материалы III Международного форума по стратегическим технологиям IFOST-2008. - Новосибирск: изд-во Новосибирского государственного технического университета, 2008. - 539 с. - С. 409 - 410.

12. Фомин A.C. Образование неассуровых механизмов второго семейства A.C. Фомин // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Под ред. Л.П. Мышляева. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, Ч. 3. Естеств и техн науки, 2011.-вып. 15. - С. 245 - 247.

13. Фомин A.C. О делении механизмов второго семейства по видам и подвидам / A.C. Фомин // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Тру-

ды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Под ред. Л.П. Мышляева. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, Ч. 3. Ес-теств. и техн. науки, 2010. — вып. 14. — С. 323 — 327.

14. Фомин A.C. Понятие механизмов второго семейства и их отличие от механизмов других семейств / A.C. Фомин // Материалы третьей методической конференции / Под ред. Л.Т. Дворникова и И.А. Жукова. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, 2009. - С. 54 - 59.

15. Фомин A.C. К вопросу об образовании ассуровых и неассуровых механизмов второго семейства / A.C. Фомин // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Под ред. Л.П. Мышляева. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, Ч. 3. Техн. науки, 2009. - вып. 13. - С. 264 - 268.

16. Фомин A.C. Методы структурного синтеза механизмов второго семейства / A.C. Фомин // Тезисы Сорок второй научно - технической конференции молодых специалистов компании EVRAZ / Новокузнецк: Западносибирский металлургический комбинат. - 2009. - С. 89 - 90.

17. Фомин A.C. Анализ групп Ассура для механизмов второго семейства третьего подсемейства / A.C. Фомин // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Под ред. Л.П. Мышляева. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, Ч. 4. Техн. науки, 2008. - вып. 12. - С.189 - 193.

18. Дворников Л.Т. Механизмы второго семейства. Их особенности и методы структурного синтеза / Л.Т. Дворников, A.C. Фомин // МАШИНОСТРОЕНИЕ. -2008.-№ 18.-С. 52-64.

19. Фомин A.C. Структурный синтез механизмов второго семейства седьмого подсемейства / A.C. Фомин // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Под ред. Л.П. Мышляева. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, Ч. 4. Техн. науки, 2008. - вып. 12. - С. 150 - 152.

20. Фомин A.C. Поиск взаимосвязи минимального числа звеньев с максимальным значением т / A.C. Фомин // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Под ред. С.М. Кулакова. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, Ч. 2. Техн. науки, 2006. - вып. 10. - С. 241 - 243.

21. Фомин A.C. Поиск структур механизмов второго семейства / A.C. Фомин // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Под ред. С.М. Кулакова. - Новокузнецк: Изд-во СибГИУ, Ч. 2. Техн. науки, 2005. - вып. 9. - С. 294 - 298.

Изд. лиц. № 01439 от 05.04.2000. Подписано в печать 11.02.2013 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ № 67.

Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42. Типография ИЦ СибГИУ

Текст работы Фомин, Алексей Сергеевич, диссертация по теме Теория механизмов и машин

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

На правах рукописи

Фомин Алексей Сергеевич

Специальность 05.02.18 - Теория механизмов и машин Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Дворников Л.Т.

Новокузнецк - 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 4

1 АНАЛИЗ КЛАССИФИКАЦИОННЫХ ПРИЗНАКОВ ДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ........................................................... 11

1.1 Основные понятия теории структуры механизмов.................... 11

1.2 Известные исследования подвижности механизмов от П.Л. Че-бышева до В.В. Добровольского.............................................. 16

1.3 Семейства механизмов по И.И. Артоболевскому..................... 24

1.4 Универсальная структурная система профессора Л.Т. Дворникова. Деление кинематических цепей на виды................................ 30

1.5 Особенности механизмов второго семейства. Постановка задач исследования....................................................................... 33

2 ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВОПОЛАГАЮЩИХ УСЛОВИЙ СУЩЕСТВОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ ВТОРОГО СЕМЕЙСТВА..... 41

2.1 Анализ пространств функционирования механизмов второго семейства............................................................................... 41

2.2 Обоснование видов кинематических пар, которые могут быть применены при синтезе механизмов второго семейства................. 48

2.3 Определение полного состава подсемейств, видов и подвидов механизмов второго семейства................................................ 58

2.4 Выводы по главе 2............................................................ 62

3 РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОГО МЕТОДА СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА, ПРИЕМОВ КИНЕМАТИЧЕСКОГО И КИ-НЕТОСТАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА МЕХАНИЗМОВ ВТОРОГО СЕМЕЙСТВА................................................................ 64

3.1 Создание алгоритмов структурного синтеза ассуровых механизмов второго семейства...................................................... 64

3.1.1 Структурный синтез механизмов с двухпарным базисным звеном (г=2)............................................................................ 64

3.1.2 Особенности синтеза структур механизмов первого подсемейства с т>3........................................................................... 67

3.1.3 Алгоритм нахождения структур механизмов второго подсе-

мейства с т>3..............................................................................................................................................75

3.1.4 Структурный синтез механизмов третьего подсемейства с т>3.. 78

3.1.5 Синтез структур механизмов четвертого подсемейства с г>3.... 82

3.2 Разработка методов структурного синтеза неассуровых механизмов второго семейства............................................................................................................85

3.2.1 Поиск структур механизмов пятого подсемейства....................................85

3.2.2 Структурное исследование шестого подсемейства..................................94

3.2.3 Структурный синтез неассуровых кинематических цепей седьмого подсемейства..............................................................................................................................97

3.3 Обоснование приемов кинематического и силового анализа механизмов второго семейства......................................................................................................100

3.3.1 Отличие кинематических ситуаций в зависимости от пространств функционирования механизмов........................................................................100

3.3.2 Особенности силового анализа механизмов по пространствам

их функционирования........................................................................................................................105

3.4 Выводы по главе 3........................................................................................................................109

4 ОБОСНОВАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА. КИНЕМАТИЧЕСКОЕ И СИЛОВОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ

КРИВЫХ......................................................................................................................................................110

4.1 Синтез новых механизмов второго семейства......................................................110

4.2 Кинематическое и силовое исследование «Механизма для воспроизведения пространственных кривых»..................................................................122

4.3 Выводы по главе 4........................................................................................................................130

Основные выводы..........................................................................................................................................132

Библиография....................................................................................................................................................133

Приложение 1....................................................................................................................................................147

Приложение 2....................................................................................................................................................163

Приложение 3....................................................................................................................................................166

ВВЕДЕНИЕ

Ведущей отраслью промышленного развития государства является машиностроение. В последние годы в Российской Федерации проблеме развития машиностроения уделяется особое внимание, поставлены задачи о его коренной модернизации на основе внедрения инновационных подходов. Решение этих важных задач возможно только при использовании результатов новейших научных исследований и, в первую очередь, в теории машин, одним из основных разделов которой является синтез структур механизмов, позволяющих решить, поставленные практикой, технологические задачи.

Настоящая работа посвящена решению задач синтеза структур, кинематического и силового исследования механизмов, отнесенных академиком Артоболевским И.И. ко второму семейству, которые, имея перспективы широкого применения в технике, до настоящего времени оставались практически не исследованными. Такие механизмы имеют возможность функционирования в различных ограниченных пространствах, обладают тем важным качеством, что могут создаваться с меньшим числом звеньев по сравнению с механизмами, работающими в неограниченном декартовом пространстве.

В диссертационной работе впервые изучается существование и особенности функционирования механизмов второго семейства, формулируются и решаются задачи, связанные с их созданием и исследованием. Особое внимание уделяется задаче структурного синтеза ассуровых и неассуровых механизмов, доказывается существование семи подсемейств внутри второго семейства, обосновываются виды и подвиды механизмов, разбираются пространства функционирования механизмов, определяются приемы их кинематического и силового анализа, обосновываются принципиально новые схемы механизмов второго семейства, защищенные патентами Российской Федерации.

Создание методики образования и алгоритмов исследования механизмов второго семейства, ранее практически не исследованных, дает не

только новый научный результат, но и, имея ввиду, что такие механизмы, как наиболее простые из пространственных по структуре (создаваемые с наименьшим числом звеньев), могущих находить широкое применение в практике машиностроения, можно утверждать, что задача их полного исследования является весьма актуальной.

Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

4. Выявить особенности кинематического и силового анализа механизмов второго семейства.

Объектом исследования являются механизмы второго семейства.

Предметом исследования является структура, кинематика и кинетостатика механизмов второго семейства.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, обработке результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, разработке методов структурного синтеза, кинематического и кинетостатического анализа, создании новых механизмов второго семейства, написании тезисов докладов, материалов и трудов, а также статей по теме диссертационной работы.

Работа выполнена в рамках научных и научно-технических программ: 2009-2010 гг. - в соответствии с планами работ НИР ФГБОУ ВПО «СибГИУ» (проект 1.8Н «Разработка теории исследования сложных пространственных механизмов второго семейства»); 2010-2011 гг. - в рамках стипендии Президента Российской Федерации для обучения за рубежом (кафедра технической механики, факультет машиностроения, Вуппертальский университет, г. Вупперталь, Германия); 2012-2014 гг. - в рамках государственного задания ФГБОУ ВПО «СибГИУ» на выполнение НИР (проект «Разработка теории структурного синтеза механических систем для исследования и создания сложных машин, включая горные», регистрационный № 7.2290.2011); 2013 г. - в рамках государственного задания ФГБОУ ВПО «СибГИУ» на выполнение НИР (проект «Развитие теории исследования кинематики и силового анализа сложных пространственных механизмов второго семейства», регистрационный № 11.7190.2013).

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Исследования В.В. Добровольского и И.И. Артоболевского показали,

что пространственные механизмы в зависимости от числа общих

наложенных на них связей могут различаться по семействам и существенно

отличаться друг от друга. Наиболее предпочтительными из них по числу

используемых звеньев являются механизмы второго семейства, что определяет задачи их исследования как первоочередных.

Достоверность результатов работы обеспечивается

- тем, что проведенные исследования основываются на классических положениях теории механизмов и машин;

Научная новизна работы заключается в

3. Разработке методов и алгоритмов поиска отличающихся структур механизмов второго семейства;

Теоретические положения работы и результаты исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «СибГИУ» (г.Новокузнецк) по курсам «Теория механизмов и машин», «Спецглавы теории машин», «Методические основы расчета сложных конструкций», «Структура реальных механических систем», «История техники и технологий», а также были использованы при выполнении научно-исследовательских работ студентами и аспирантами института машиностроения и транспорта ФГБОУ ВПО «СибГИУ».

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: XIII-XVII Всероссийских научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный

индустриальный университет», г.Новокузнецк, 2004-2009 гг.; III

Международном форуме по стратегическим технологиям 1Р08Т-2008, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», г.Новосибирск, 2008 г.; 42-й научно-практической конференции молодых ученых компании ЕУКА7, ОАО «Западно-Сибирский Металлургический комбинат», г.Новокузнецк, 2008 г.; III учебно-методической конференции ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», г.Новокузнецк, 2009 г.; XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии - 2009», ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г.Томск, 2009 г.; Всероссийских научных форумах Российской Академии Естествознания, г.Москва, 2010 и 2012 гг.; XXI и XXIII Научно-практических конференциях по проблемам механики и машиностроения, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет», г.Новокузнецк, 2010 и 2012 гг.; Открытом семинаре на кафедре технической механики Вуппертальского Университета, г.Вупперталь, Германия, 2011 г.; Открытом семинаре на кафедре машиностроения Болонского Университета, г.Болонья, Италия, 2011 г.; V Международной конференции «Проблемы механики современных машин», Восточно-сибирский государственный университет технологий и управления, г.Улан-Удэ, 2012.

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, из них 2

научных статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 4 патента РФ на изобретения и полезные модели, 14 публикаций в материалах Международных и Всероссийских конференций.

Работа выполнялась при кафедре теории механизмов и машин и основ конструирования Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет», г.Новокузнецк под научным руководством заслуженного деятеля науки Российской Федерации, доктора технических наук, профессора Л.Т. Дворникова.

В приложении приведены копии патентов Российской Федерации на разработанные механизмы, справки и акты внедрения, справки об апробации диссертационной работы в Вуппертальском университете (г. Вупперталь, Германия), Болонском университете (г. Болонья, Италия) и их перевод на русский язык.

Автор работы выражает глубокую благодарность научному руководител

Похожие работы

Машиностроение и машиноведение
05.02.00