автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Разработка комбинаторного метода структурного синтеза средств малой путевой механизации

На прапах рукописи

МОНАСТЫРЕЙ Евгений Анатольевич

р[5 ОД УДК 621.01

?.3 • '

РАЗРАБОТКА КОМБИНАТОРНОГО МЕТОДА

СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА СРЕДСТВ МАЛОЙ ПУТЕВОЙ МЕХАНИЗАЦИИ

Специальность 05.22.06 — Железнодорожный путь 05.02.18 — Теория механизмов и машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997

Работа выполнена на кафедре «Теория механизмов и робототехнические системы» Петербургского государственного университета путей сообщения.

Научный руководитель —

заслуженный изобретатель РСФСР, доктор технических наук, профессор СУХИХ Роберт Дмитриевич

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор ЯКОВЛЕВ Всеволод Федорович; кандидат технических наук, доцент ХРУСТАЛ ЕВ Роллам Сергеевич

Ведущее предприятие — АО «КЗТМ».

Защита состоится «. /Р. » июня 1997 г. в час мин на заседании диссертационного совета К 114.03.06 при Петер' Университете путей сообщения

проспект, 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан «. Уб » мая 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ■ Е. С. СВИНЦОВ

Санкт-Петербург, Московский

Подписано к печати 14.05.97. Формат 60х84'/1б- Бумага для множ. апп. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100. Заказ 564.

РТГ1 ПГУПС. СПб, М хжовскпй пр., 9.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Урсшень эффективности и надежности функционирования железных дорог, а также безопасность движения поездов определяется качеством производства работ по содержанию и ремонту пути и, соответственно, качеством используемого при этом оборудования. Осуществляемый переход на высокопрочные рельсы тяжелых типов, железобетонные шпалы не исключил повреждения рельсов. Отклонение же от режимов термообработки, повышение жесткости пути и динамического воздействия на него подвижного состава, рост скоростей движения и нагрузок на ось некоторые повреждения интенсифицировал. При этом трудоемкость работ, выполняемых с использованием средств малой путевой механизации, велика, а технические характеристики имеющегося оборудования не соответствуют современным требованиям, работа с высокопрочными рельсами сильно затруднена, а порой и невозможна. Совершенствование механизированного путевого инструмента (МПИ) сдерживается ограниченностью теоретических разработок и проблемами в методике расчета, проектирования и конструирования таких механизмов.

Процесс создания любой машины начинается с разработки его структурной схемы, качество которой является залогом качества новой машины. Недостатки же существующего МПИ. зачастую обусловлены просчетами, допущенными при выборе соответствующей структурной схемы.'Исследований в области структурного синтеза МПИ крайне мало. Нередко структурная схема нового механизма принимается по аналогии с уже имеющимися, что не гарантирует получение качественного результата. Существующие методы структурного синтеза не всегда приемлемы при проектировании МПИ и имеют существенные недостатки (сложность, недостаточная наглядность и пр.). В сеязи с этим разработка и исследование нового метода структурного синтеза, весьма эффективного при проектировании средств малой путеЕой механизации, является актуальной научно-технической задачей в области повышения качества производства работ при текущЪм содержании и ремонте элементов железнодорожного пути, а также на городском электрическом транспорте.

Целью диссертации является повышение уровня механизации производства работ при сооружении, восстановлении, ремонтах и текущем содержании железнодорожного пути за счет создания механизиро-

ьанных путевых инструментов с улучшенными показателями качества путем разработки комбинаторного метода синтеза рациональных структурных схем.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: ' систематизации показателей качества, предъявляемых к МПИ; выбора оценочных критериев структурных схем МПИ, наиболее полно отвечающих системе показателей качества;

разработки новых направлений комбинаторного структурного синтеза МПИ, компьютеризация известных положений;

уточнения методик расчета и конструирования МПИ рациональных исполнений;

синтеза новых структурных схем различных МПИ и оценка их качества'.

Научная новизна. Дополнен и развит комбинаторный метод структурного синтеза механизированного путевого инструмента, определен комплекс критериев рациональности, позволяющий производить оценку и отбор структурных схем механизмов, уточнены методики расчета рельсорезных, рельсосЕерлильных станкоЕ и электрошпа-лоподбоек, разработаны три программы (в частности программа по определению избыточных связей и подвижностей в механизме), облегчающие пользование комбинаторным методом структурного синтеза.

Практическая ценность работы. На основании результатов работы. проведено уточнение методики создания и проектирования МПИ, позволяющее поеысить их технико-эксплуатационные характеристики, разработана новая конструкция рельсорезного ножоеочного станка и две конструкции рельсосверлильных станков

Апробация работы. Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседаниях кафедр "Теория механизмов и робототехнические системы", "Строительные и дорожные машины и оборудование". Основные результаты диссертации обсуждались на семинарах и научно-технических конференциях в Петербургском Государственном университете Путей Сообщения в 1093-1997 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений, содержит 163 страницы машинописного текста, 56 рисунков, 3 таблицы, 47 наименований литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дается общая характеристика работы. , , В первой главе рассматриваются особенности работы железнодорожного транспорта в современных условиях, анализируются проблемы в области механизации работ по текущему содержанию и ремонту элементов железнодорожного пути, формулируются задачи диссертационной работы.

Специалисты департаментов МПС совместно с учеными отрасли выделяют следующие главные цели стратегии научно,, - технической политики в новых условиях работы железнодорожного транспорта: обеспечение перевозок в предъявляемых объемах; ... . повышение безопасности движения;

обеспечение устойчивого финансового положения отрасли; создание ресурсосберегающих технологий и технических средств нового поколения;

повышение уровня содержания эксплуатируемой техники, ее оздоровление и восстановление.

Реализация этих целей требует повышения уровня механизации текущего содержания и ремонта верхнего строение пути (ВСП). для чего железной дороге необходимы комплексы новых высококачественных, экономичных, удобных в обращении и, по возможности, недорогих машин и механизмов. Кроме этого целесообразна модернизация существующего оборудования для обслуживания ВСП. Первоочередными работами при этом обслуживании являются выправка пути.подбивкой шпал или подсыпкой, смена шпал, рельсов, скреплений, рихтовка и перешивка пути, регулировка зазоров и пр. Основные массовые и трудоемкие операции непосредственно на месте производства работ -разрезка рельсов, сверление в них отверстий, комплекс операций по замене шпал и др. Работа усложняется тем, что для обеспечения высокой работоспособности элементов ВСП предусмотрены мероприятия по их упрочнению: использование тяжелых типов рельсов, использование закаленных рельсов. увеличение количества шпал на 1 км и пр. Эти мероприятия затрудняют, а порой и исключают применение имеющихся технических средств.

Особенности производства работ по обслуживанию верхнего строения пути, необходимость предоставления "окон" для работ .требуют применения высокопроизводительного оборудования. Условия ра-

боты стеснены и таковы, что часто возникает необходимость экстренного их прекращения и удаления с пути всех технических средств для пропусков поездов. Поэтому эти технические средства должны быть достаточно легкими. Удаленность места производства работ от технических баз, потребность в специальных источниках -питания и большой перечень работ для качественного обслуживания' железнодорожного пути обуславливают требования транспортабельности и универсальности оборудования, а также его еысокой надежности. Конструкции и параметры МПИ должны соответствовать Правилам Технической Эксплуатации железных дорог, инструкции по обеспечению безопасности движения поездов при производстве путевых работ и пр.

Для обеспечения производственно-технологических требований, предъявляемых к МПИ необходимо разработать научнообоснованную, инженерную методику расчета и конструирования механизированных путевых инструментов.

Обеспечение желаемого уровня качества обуславливает выявление критериев сравнения и оценки технических средств, Еыбор рациональных и оптимальных их типов.

Во второй главе систематизируются и уточняются показатели качества и оптимальности строения МПИ.

При создании современных высококачественных ЩИ необходимо точное знание способов конструктивной реализации требований к ним, обеспечения желаемых показателей качества.

Создание МПИ начинается с разработки комплекса эксплуатационно - технологических требований (на основе реализуемого механизмом технологического процесса), представляющего собой перечень как качественных, так и количественных условий, которые необходимо выполнить в наиболее полном виде. Эти условия следует перевести в количественные характеристики создаваемого оборудования (производительность, мощность двигателя, масса, долговечность инструмента и др.) - показатели его качества.

Большое количество этих показателей (ГОСТ 15.001-73), сложность их взаимозависимостей, отсутствие достаточной гарантии полноты охвата, а также надежных способов их расчета затрудняет построение стройной системы оценки качества машин и механизмов. Предлагается следующая иерархическая классификация показатёлей качества машин и механизмов, состоящая из семи групп комплексных показателей.

- о -

показатели назначения: производительность; мощность; грузоподъемность; энергоемкость; точность; габаритны« размеры; масса; быстродействие; инерционность; КПД; жесткость; износостойкость; вибростойкость; стойкость к воздействиям внешней среды (термостойкость, влагостойкость и пр.); уравновешенность; прочность; простота устройства и управления и др.;

показатели технологичности.- простота и целесообразность конструкции; удельная материалоемкость; трудоемкость изготовления; трудоемкость сборки и пригонки; способ получения заготовки; коэффициент использования оснастки; ремонтная технологичность; технологичность изготовления; технологичность контроля и пр.;

социальные показатели: эстетичность; безопасность и удобство эксплуатации; эргономичность; зкологичность и др.;

экономические показатели: годоеой экономический эффект у потребителя; себестоимость проектирования, подготовки производства и изготовления; срок окупаемости и пр.;

показатели надежности: ресурс; безотказность; долговечность; ремонтопригодность, сохраняемость и др.;

показатели стандартизации и унификации: коэффициент унификации; коэффициент унификации конструктивных элементов; коэффициент стандартизации изделия; коэффициент повторяемости; коэффициент взаимозаменяемости и пр.;

показатели патентно - правовой защиты: показатели патентной защиты; показатели патентной чистоты и др.

Эта классификация может служить основой для начала работы по созданию высококачественных объектов техники

Следующая важная проблема создания машины или механизма -это установление и разработка (при необходимости) прямых или косвенных зависимостей между отмеченными выше, показателями качества оборудования и характеристиками его строения, структуры. Составление структурной схемы МГШ предполагает ее оптимизацию по комплексу критериев, принятых на основе этих прямых или косвенных зависимостей.

Основные качества механизмов, машин и систем машин закладываются в них на самых первых стадиях проектирования, когда выбирают структурную схему и главные кинематические параметры, а также основные конструктивные размеры. , Удачность технического решения изначально определяется совершенством его структурной схемы.

Несовершенство схемы невозможно устранить никакими приемами ни ка одном из последующих этапов создания и эксплуатации оборудования.

Таким образом, этап разработки принимаемой к исполнению структурной схемы механизма является наиболее ответственным, а качество структурной схемы во многом определяет качество всего механизма.

. Для того, чтобы упростить процесс отбора лучшего варианта, исключить принятие необоснованного решения, а также для возможного улучшения известных структурных схем предлагается использовать две группы оценочных критериев (признаков рациональности) строения механизма.- Интерес, в первую очередь, представляют такие критерии, которые,:с одной стороны достаточно полно отражают свойства структурной схемы, а с другой стороны выражаются явно и желательно просточерез параметры исследуемой структурной схемы. К первой группе относятся критерии, которые следует применять для оценки структурной схемы уустройства, механизма в целом. Вторая группа включает критерии, которые следует применять преаде всего при выборе передач и редукторов машины.

Критерии первой группы (с краткими комментариями): статическая определимость (отсутствие избыточных связей и избыточных подвижностей). выполнение механизмов статически определимыми позволяет: уменьшить требования к точности изготовления деталей и, как следствие, трудоемкость изготовления; удешевить производство; повысить надежность механизмов; упросить конструкцию; увеличить прочность и пр. Самоустанавливающимся механизмам посвящено значительное количество работ ученых (Решетова Л.Н., Озола О.Г. и др.);

автокомпексация износных зазоров в кинематических парах, предусматривающая специальное безлюфтовое выполнение кинематических пар за счет конусной (или другой) формы выполнения охватывающих' и (или) охватываемых элементов и силового замыкания (в качестве замыкающей силы часто работает сила веса элементов). Это обеспечивает постоянную автоматическую компенсацию износа путем соответствующего смещения элементов для постоянного их контактирования. При необходимости замыкающие силы развиваются дополнительными упругими элементами.

критерий уравновешенности, при которой детали машины, его исполнительное устройство, инструмент разгружаются от ряда сил, в

том числе динамических;

критерий расширения цапф, выполнение механизмов эксцентриковыми, при котором в некоторых случаях при малых размерах звеньев кинематической схемы ввиду особой их конфигураций' удается передавать значительные нагрузки, уменьшаются углы передачи движения, повышается КПД, снижаются пульсации, шум, улучшается плавность хода и др. показатели передач. Метод расширения цапф заключается в том, что элемент кинематической пары звена увеличивается до таких размеров,' которые позволяют расположить другу» кинематическую пару внутри этого элемента. Поскольку при таком преобразовании остается без изменения положение центров вращательных - пар, то размеры звеньев механизма сохраняются, т.е. кинематические функции механизма остаются без изменения;

полифункциональность, под которой в ее широком смысле следует понимать совмещение, перераспределение и разделение функций между различными функциональными блоками машины (системой управления, приводом, исполнительным устройством и пр.).

самонастраиваемость, которая предполагает способность адаптации механизма к внешним условиям, что обуславливает его тесную связь с первым оценочным критерием - самоустановкой звеньев механизма без.избыточных связей.

Вторач группа оценочных критериев (с краткими комментариями): многопоточность - этот критерий подразумевает передачу энергии от ведущего звена к ведомому через несколько кинематических цепей. При этом в случае использования устройств выравнивания сил в каждом потоке энергия распределяется по этим потокам, нагрузка на .звенья соответственно уменьшается, что обуславливает уменьшение всего механизма;

соосность, которая подразумевает, что при проектировании различных передач оси вращения ведущих, ведомых и некоторых промежуточных звеньев следует располагать на одной прямой (например, соосные компоновки планетарных и волновых передач). При этом существенно уменьшается один из размеров• передачи при некотором увеличении другого, уменьшается объем передачи, улучшаются возможности компоновки привода;

симметричность, при которой компенсируется действие на детали машин некоторых сил, проще реализуется уравновешенность и пр. ;

замкнутость реализуется о целью компенсации действия на детали передач радиальных сил (охват венцов блоков сателлитов планетарных и паразитных колес соосных компоновок передач внутреннего зацепления и др. дополнительными зубчатыми венцами сверху и снизу). При этом передачи могут быть выполнены меньшими по размерам;

коаксиальность, которая предполагает расположение осей вращения промежуточных колес многоступенчатых _ передач Е.округ оси вращения ведущего звена, расположение звеньев механизма "друг в друге". При этом может быть минимизирован объем передачи'.

Эти оценочные критерии можно использовать как при синтезе структурных схем (4 глава), так и при анализе известных механизмов.

Далее в этой главе приводится краткий обзор исследований в области структурного синтеза МПИ и анализ компоновок механизмов на предмет соответствия требуемым «.показателям, качества.

Обычно при создании новых машин и механизмов используется принцип аналогии с относительно редкими случаями удачных решений. Вместе с тем в последнее десятилетие ео всем мире явственно обозначилась ■ тенденция объективного роста сложности создаваемой техники, обусловленного увеличением числа состояний, которые эта техника может принимать е процессе ее эксплуатации. Очевидно, что по мере роста сложности новой техники время на отыскание проект-но-конструкторских решений и объем информации, перерабатываемой в процессе этого отыскания, существенно возрастают. Это расширяет потребность в системном подходе к организации процесса проектирования .

Большой вклад в теорию структурного синтеза в этом направлении внесли ученые Л.Н.Ассур, И.И.Артоболевский, Г.А.Блох и др. Современные методы проектирования механизмов должны обеспечивать решение двух основных системо-технических задач: генерация новой проектной информации и упорядочение процесса проектирования. Этим требованиям удовлетворяет впервые предложенный проф. Сухих Р.Д. комбинаторный метод структурного синтеза механизмов, дальнейшей разработке которого посвящена третья глава настоящей диссертации.

Согласно этому методу- общее количество различных кинематических образований ( от кинематических пар и соединений до кинематических цепей, механизмов) с учетом различной последователь-

ности расположения их составных частей (компонентов) находится как число перестановок из 1*к элементов по И:

К = (1*к)и, (1)

где 1 - число осей ориентации (1-3;;

к - число разновидностей составных частей (кинематических пар, звеньев и пр.);

У - характеристика кинематического образования, например, подвижность.

Так, в частности, механизмы подачи МГИ (рельсорезных, рель-сошлифовальных,.рельсосверлильных и др. станков) с использованием кинематических звеньев в виде рычагов, ползунов, винтов (гаек) выполняются одноподвижными. Наиболее простые (начальные) однопод-вижные механизмы подачи - двухзвенники (стойка и подвижное звено, образующие одну из одноподвижных кинематических пар трех типов: "в" - вращательную, "п" - поступательную, "ш" - винтовую, кг= 3). Ориентируя эти кинематические пары по трем (1=3) координатным осям декартовой системы координат, получим К*= (к2*1)м= (3*3)9 структурных вариантов механизмов подачи: вх,ву,вг,пх,пу,п2,шх( шу,шг.

Механизмы возвратно - поступательного движения исполнительного устройства (ножовочного полотна, шлифовального диска, строгального резца и пр.) выполняются также одноподвижными. Наиболее просто возвратно-поступательные перемещения реализуются с помощью рычажно - ползунных механизмов (РПМ). Одноподвижные РПМ выполняются двухзвенными, четырехзвеннымн, шестизвенными и т.д. Количество двухзвенников в случае использования простых одноподвижных кинематических пар "в" и "п": .

К2РП = (3*2)1= 6 (Вх,Ву,В2,Пх,Пу,П2), Количество возможных вариантов четырехзвенников ^ез ориентации по осям:

К4рп= (1*2 )4= 16 - это 4в, 4п, Звп, 2впв, вп2в, пЗв, 2в2п, в2пв, впвп, п2вп, пвпв,.2п2в, вЗп, пв2п, 2пвп, Зпв.

Возвращаясь к начальным механизмам подачи, используя их 9 вариантов с помощью 16 исходных рычажно - ползунных механизмов движения получаем 144 возможных варианта структурных схем соответствующих МПИ. Применительно к рельсорезным ножовочным станкам (РНС) с учетом условий производства работ практически реализуемыми будут следующие 12 вариантов: " ~

(вх) Звп; !.вх) 2в2п; (вх)£епе; (в2) Звп; (в2) 2в2п; (е2)2бпб; (пу) Звп; (пу) 2е2п; (пу)2епв; (шу) Звп; (шу) 2в2п; (шу)2впв. Эти структурные схемы представляются наиболее перспективными для последующего уточненного исследования и реализации. На рнс.1 изображены некоторые варианты структурных схем РНС без избыточных связей.

Синтезируемые варианты множеств структурных схем предлагается определять с использованием структурной формулы Сомова - Малышева:

V/ = М*ПП- (Ы-1)*Р1- (Ы-2)*Р2- (N-3) *рз~ (Ы-4)-*р4- (М-5)*р5, (2) гдё № - подвижность механизма; N - семейство механизма; пп=п-1 - число подвижных звеньев; Р1 - число кинематических пар 1-ой подвижности, взяв за основу количество звеньев п в механизме. Принимая подвижность будущего механизма V/ (чаще всего 1) и задаваясь числом звеньев п соотношение (2) преобразуется в систему пяти (N=2...6) уравнений (5), которую решают относительно (определяют количество и подвижность кинематических пар нового механизма). Если заранее известно семейство механизма N. то решение нужно искать в одном из этих уравнений: N=2 Ш=2*пп - Р1; N=3 №=3*пп -'£*Р1 - Ра;

N=4 №=4*пп - 3*Р1 - 2*ро - рз; (3)

N=5 М=5*пп " 4*Р1 - 3*Р2 - "*РЗ ~ Р4! N=6 'И=6*Пп - 5*Р1 - 4*ро - 3*рз - 2*Р4 - Р5; Синтезируемый механизм не будет иметь избыточных связей при N = 6.

Число вариантов решения значительно уменьшится, если задать число контуров нового механизма. Как известно

Ь =Р - п„ и р = I + пп, (4)

где р - число кинематических пар; пп - число подвижных звеньев;

I - число контуров в замкнутой кинематической цепи. В частности для одноконтурных (1=1) механизмов, например, при пп=3, N=6 получаем соотношения:

! 1 = 6*3 - 5*р1 - 4*ро - У*рз " 2*р4 - Р5; | Р1+ Р?+ РЗ+ Р4+ Р5 = 1 + Решением этой системы являются следующие кинематические цепи:

Р1Р1Р1Р4;~,ЙР1РгРз; Р1Р2Р2РЙ. - _г •.___!ч ч -.1,

Если учесть последовательность расположения кикематачес^юГ-'пар, то число вариантов решения можно определить по формуле:.

Арт = р (р-1) (р-2) ... (р-т+2), (6)

где т - число кинематических пар разной подвижности;, р - общее количество кинематических пар. 'у \ В рассматриваемом примере по второму варианту (Р1Р1Р2РЭ) имеем: А43 = 4*3 = 12. Это варианты:

Р1Р1Р2РЗ; Р1Р2РЗР1*. Р2Р1Р1РЗ! РЭР1Р1Р2-. Р1Р1РЗР2; Р1РЭР1Р2; Р2Р1РЗР1; РЗР1Р2Р1; , Р1Р2Р1РЗ; Р1РЗР2Р1; Р2РЭР1Р1; . РЗР2Р1Р1 • С учетом различной ориентации кинематических пар число вариантов определяется следующим образом:

Ар1 = 1Р* Арш , (7)

где Арт - число вариантов1 механизма без учета ориентации; 1 - число осей ориентации (1...3);, р - общее количество кинематических пар. В случае различного выполнения кинематических пар одной и той же подвижности число вариантов проектируемого механизма увеличивается многократно. Здесь имеет место следующее соотношение:

о к Р2 РЗ Р4 Р5 1 Ар = а *Ь *с *с1 *е *АР, (8)

где а, :Ь, с, <1, е - количество разновидностей кинематических пар соответственно Цервой, второй, третьей, четвертой и пятой подвижности, используемых при синтезе; АРА - число вариантов механизма с учетом различной ориентации

кинематических пар; Р1<д=1...5) - число кинематических пар соответствующей под: важности.

Итак, общее количество технически возможных вариантов проектируемого механизма с учетом приведенных ограничений находится:

-Л ■

О Р1 Р2 РЗ Р4 Р5 Р

А = а *Ь *с *с! *е *1 *[р(р-1) (р-й)... (р-тп+2)). (.9)

В качестве примера рассмотрим ,синтез рычажно - ползунного четырехзЕенного механизма. Пусть N=6, , п=4 (пп=3). Решая систему (5), получим три гзрианта набора кинематических пар (см. выше). Выберем второе решение (Р1Р1Р2Р3) и определим общее количество вариантов механизмов по формуле (9).

Пусть а=2 (кинематические пары типа в и п.), Ь=2 (кинематические пары типа вв и еп), с=1 (.Зв), .1=1, р=4, ш=3 (pi.ps и рз).

А° = 22*21*1'1*14*[4*3: = 4*2*12 = 96.

■ Ограничим количество решений, задавшись входным движением типа в, а еыходным - типа п, и получим:

а) в 2в Зв п

б) в вп Зв п

в) е Зв 2е п

г) в Зв еп п

На рис.2 показана реализация этих четырех вариантов в виде механизмов движения ножовочного полотна рельсорезного станка. Эти структурные схемы не имеют избыточных связей, так как первоначально мы выбрали шестое семейстЕО (N=6) проектируемого механизма.

Естественно, что перебирать множество всех вариантов имеет смысл в том случае, если V конструктора нет четких ограничений и критериев выбора. Однако в любом случае знание большего числа вариантов позеолит при наличии критериев выбрать не случайный или "очевидный", а возможно лучший вариант.

Комбинаторный подход используется также при синтезе механизмов методом наслоения на начальные механизмы разной подвижности (Мкм>1, Иям<1) кинематических, образований разных подвижностей (Уко>0, 'л'ко<0). При этом можно получать как одноподвижные механизмы, так и механизмы любой другой подеижности V/ = №нм + шко. Этот метод эффективен при синтезе многоконтурных механизмов, устранение избыточных связей которых необходимо осуществлять покон-турно, так как контуры могут иметь разное семейство.

Применение комбинаторного метода намного упрощает и обогащает структурный синтез. Полученные-данные о виде и количестве возможных вариантов далее подвергаются процедуре отбора наилучшего варианта. Для этого рекомендуется использовать отмеченные ранее

оценочные критерии структурных схем.

Реализация критерия самоустанавливаемости или отсутствия избыточных связей может быть автоматизирована. Для этого разработаны 2 компьютерные программы (язык РАБСАи "К0М1" и "К0М2". Первая находит все самоустанавливающиеся варианты без учета избыточных подвижностей, вторая анализирует структурную схему на избыточные связи и местные подвижности и находит их.значения раздельно. Программы работают в диалоговом режиме, когда пользователь выбирает одну из операций меню: ■ -

1. - ввод данных и подсчет числа избыточных связей;

2 - печать вариантов без избыточных связей на дисплей;

3 - печать вариантов без избыточных двязей на принтер;

4 - выход из программы-

Аналогично двум предыдущим построена структура программы "КОМЗ", предназначенной для получения всех вариантов манипуляторов исполнительных органов МПИ (или кинематических цепей), исходя из заданного количества звеньев и разновидностей кинематических пар (в, п и ш). Предусмотрена также ориентация по осям выбранного варианта манипулятора. Все эти программные продукты облегчают использование предложенного метода структурного синтеза и могут быть расширены и стать частью целого пакета программ, что в современных условиях очень Еатао.

Четвертая глава диссертации посвящена реализации теоретических разработок (в том числе разработанного программного обеспечения, комплекса оценочных критериев структурных схем и способов комбинаторного расчета вариантов решения) в методиках синтеза, расчета и конструирования МШ. Используя этот материал были получены структурные схемы различных МПИ, в том числе их механизмов движения, механизмов подачи, механизмов рельсового захвата и пр.

Так в -механизме движения РНС типа РМ вместо червячного ре-дукторного мотора с архимедовым червяком и бронзовым или пластмассовым венцом червячного колеса, имеющего низкий КПД, предлагается компоновка цилиндрического двухступенчатого соосного редуктора с первой ступенью внешнего и второй ступенью внутреннего зацепления, с несколькими блоками двухвенцовых промежуточных паразитных колес, расположенных симметрично относительно центральных колес (входного - с внешними зубьями, выходного - с внутренними),., с двумя дополнительными зубчатыми венцами, замыкающими Еенцьцщп

ВАРИАНТ. МЕХАНИЗМ ДВИЖЕНИЯ РИС ТИПА РМ

б)

РАСЧЕТ СДМОУСТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ ВАРИАНТОВ ПРОГРАММОЙ "КОМ!"

Р5 РЗ Р5" Р5 РЗ Р1 Р1

Р5 Р5 РЗ Р4 Р4 Р1 Р1

РЗ Р5 Р5 РЗ Р2 Р2 Р1

Р5 Р5 Р5 Р4 РЗ Р2 Р1

Р5 Р5 Р4 Р4 Р4 Р2 Р1

РЗ РЗ РЗ РЗ РЗ РЗ Р1

РЗ РЗ Р4 Р4 РЗ РЗ Р1

РЗ Р4 Р4 Р4 Р4 РЗ Р1

Р4 Р4 Р4 Р4 Р4 Р4 Р1

РЗ РЗ Р5. Р4 Р2 Р2 Р2

РЗ РЗ Р5 РЗ РЗ Р2 Р2

Р5 РЗ Р4 Р4 РЗ Р2 Р2

РЗ Р4 Р4 Р4 Р4 Р2; Р2

РЗ РЗ Р4 РЗ РЗ РЗ Р2

Р5 Р4 Р4 Р4 РЗ РЗ Р2

Р4 Р4 Р4 Р4 Р4 РЗ Р2

Р5 Р5 РЗ РЗ РЗ РЗ РЗ

Р5 Р4 Р4 РЗ РЗ РЗ РЗ

Р4 Р4 Р4 Р4 РЗ РЗ РЗ

НАБОРЫ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАР ДНЯ ПОЛУЧЕНИЯ ^ САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИХСЕ ВАРИАНТОВ МЕХАНИЗМА

разитных колес снаружи и изнутри (рис.3,а). Эта компоновка соос-ная, многопоточная, симметричная, замкнутая, коаксиальная. Само-

устанавливаемость передаточного, обеспечить путем специального мне

механизма в данном случае можно гоподЕгаяшго выполнения зубчатых

кинематических пар. Подвижности одной| ветви кинематической цепи контура 0-1-2-3-0 V/ = 3*пп-2*Рг1*Р2 = 3*3-2*3-1*2=1; число избыточных связей я = м-6*пп+5*р1+4*р,2 = 1-6*3+5*3+4*2 = 6. Возможные варианты самоустанавливания доказаны на рис.3,б. Имеет место широкое поле выбора рационального варианта, который устанавливается с учетом большого количества факторов: отсутствие возможности самопроизвольных движений, технолоричности и др., при привлечении конструкторов и технологов завода( - изготовителя.

Улучшить характеристики кривошипно-ползунного механизма РНС можно выполнив его эксцентриковым (см.рис.1). При этом уменьшается неравномерность движения ножовочного полотна, потери энергии и пр., что благонриятно сказывается на работе станка. Существенно увеличить возможности РНС мйжет ру'чное или механическое изменение длины кривошипа в соответствии с изменением приведенного момента сил полезного сопротивления перемещению ножовочного полотна. Предлагается использовать также ряд других модификаций механизмов движения ичмеханизмов подачи РНС. Из полученных структурных схем в качестве наиболее перспективной выбрана компоновка РНС РМ-5ГМ с гидромеханическим регулируемым устройством подачи, реализующая большое количество критериев рациональности (рис.4)..

С использованием метода комбинаторного синтеза; в работе получено большое количество вариантов структурных схем рельсорезных станков с абразивным отрезным диском (РАС), которые предложены работникам завода - изготовителя.

Далее в работе приведены синтезированные структурные схемы рельсосверлильных станков (РСС) с совмещенным и независимым механизмом движения, с регулируемой скоростью подачи и пр. Для сверления отверстий в; рельсах отверстий под штыри рельсовых соединителей предлагается использовать модификацию ручной рёльсосверлил-ки РС-7 (рис. 5) со сменным (верхним или нижнем! 'зажимом и с соотношением передаточных чисел двух Еетвей цепных передач, обеспечивающих уменьшение силы на приеоднЬй ру'ксяти, а для сверления отверстий под рельсовые соединители - РСС СТР-1 (рис. 6). Структурные схемы этих РСС имеют существенные преимущества по сравне-

■M

Ii I

17Г

V

777

Рис.5

Рис.6

JaE.

cifT

db

f

ЖГ-

Ф

кию с известными аналогами. В частности в станке СТР-1 реализован совмещенный замкнутый винто-зубчатый механизм подачи с автоматическим возвратом в исходное положение после окончания сверления и др., что позволяет уменьшить массу, габариты, автоматизировать рабочий процесс.

В работе получены также новые структурные схемы электрошпа-лоподбоек (ЯП), в которых последовательно реализовывались выше перечисленные критерии рациональности (рис.7).

При проектировании рельсообрабатывающего оборудования и другого МПИ имеет место существенная взаимосвязь характеристик и параметров обрабатываемого рельса, рельсообрабатывающего инструмента, механизмов подачи и движения инструмента, двигателя и др. элементов станка. При этом нет мелочей, и любое слабое звено в указанной цепи, будь то узел крепления инструмента в станке или рельсовый зажим, обязательно приводят к ухудшению работы всего станка вплоть до невозможности обрабатывать высокопрочные рельсы. В работе комбинаторный подход используется также при синтезе механизмов рельсового захвата и механлнизмов закрепления ножовочного полотна. Винтовой рельсовый зажим по рис.4 является самоустанав-ливаюиимся, быстродействующим и реализован в РНС РМ-5ГМ.

На основании принятой структурной схемы при проектировании механизма разрабатывается принципиальная расчетная схема устройства с выводом основных формул и соотношений. В диссертации для каждого из рассмотренных видов МПИ (РНС, РАС, PCC и ЭШП) разработан и уточнен порядок расчета и конструирования, . приведен комплекс кинематических и динамических исследований, что позволило заводу - изготовителю реализовать ряд предложений.

Пятая глава диссертационной работы посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию предложенных МПй.

Качество структурной схемы оценивают несколькими способами:

1. путем сравнения новой структурной схемы с аналогами по количественным показателям (используется крайне редко); . .,

2. путем экспертного сравнения новой структурной схемы с аналогами по ряду качественных показателей (критериев рациональ ности);

3. другими экспертными методами. . ,

Первый способ имеет существенные затруднения в плане существования таких показателей, которые бы выражались явно и желатель-

но просто через количественные параметры исследуемой структурной схемы. Однако, структурные схемы с использованием разработок ученого В.Ф.Красникова представляется возможным сравнивать по показателю относительной надежности, которая зависит от надежности кинематических пар и связей. При этом надежность незамкнутой кинематической цепи равна произведению надежностей кинематических пар Ь'И-1 и связей В общем случае при р парах

Р • р-1 На= П И1* П сЗ £ 1. 1=1 1=1 3=1+1

В частном случае, когда Ь1=Ь2... =ЬР=И и <Э21=с1з2=. -. =с1р, р-1=1 На=Ьр.

Надежность одноподвидных пар как правило выше, чем двухподвижных, а трехподвижных ниже, чем двухподвижных и т.д. Ь{р1)>Ь(рг)>Ь(рз)> Ь(Р4)>Ь(Р5). При сравнении структурных схем можно принять ГКрг) = =Ь2(Р1); Ь(РЗ>=ЬЭСР1) и т.д.

Надежность структуры с замкнутой кинематической цепью, образованной ш параллельными цепями:

нц=1- (ьь1«!) (1-ь2«2) ... и-АЧ,) = 1- (1-ьЧ.)т,

где Ьк«к (к=1,2,...,т) - надежность структуры к-ой параллельной

кинематической цепи. В частном случае, когда ¡I1 =Ь2 =...=Ик =Ь и щ = а» =...= «к =1 Нц=1-(1-Шга .

По второму способу сравнение структурных схем предлагается производить с использованием принятых критериев рациональности, путем присвоения каждому из этих критериев весового коэффициента, величина которого назначается с учетом мнений специалистов.

Комплексное сравнение структурных схем пр'едлаг'аётся производить следующим образом: сначала определяется структурная надежность Н1 кинематической цепи , а затем ее величина умножается на коэффициенты, соответствующие реализуемым данной структурной схемой критериям рациональности:

Чем больше С4, тем выше качество исследуемой структурной схемы. В

- si -

таблице 1 приведены "коипфициенты качества" некоторых рассматриваемых структурных схем.

Таблица 1

N п/п Название механизма Критерии радиональ ности, реализуемые структурной схемой Козф. надежности стр. схемы "Коэффициент качества" Ci

1 РМ-3 - 0.9320 0.9320

о РМ5ГМ (рис.4) 1, 5, 6, 9, 10 0.9993 3.0866'

3 РС-1 - 0.0606 0.9606

4 РС-7 (рис.5) 5, 3, 10 0.9971 1.5794

5 СТР-1 (рис.6) 5, 8, 9, 10 . 0.9980 1.8969

6 10Е4В 8, 9 0.9321 1.3422

7 ЭШП-б 1 0.9900 1.4850

8 ЗШП по рис.,7 1, 3, 5, 8, 9 0.9900 2.5875

1 - статическая определимость; 3.- уравновешенность; 5 - полифункциональность; 6 - сашнастраиваемость; ' 7 - многопоточность; 8 - соосность: 9 - симметричность; 10 - замкнутость.

Проведенные экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях со станками РМ-5ГМ, СТР-1, РС-7, изготовленными по предложенным структурным схемам показали, что их механические характеристики, технические показатели и качество производства работ находятся на высоком уровне. Опытные образцы РНС РМ-5ГМ и СТР-1 соответствуют лучшим отечественным и зарубежным образцам, что подтверждает проведенные теоретические исследования.

Общие выводы.

1. Широкое использование на железных дорогах страны железобетонных шпал, легированных и термообработанных рельсов увеличило срок службы пути, но не исключило процессы повреждения, некоторые из которых интенсифицировались. Значительная часть работ по текущему содержанию и ремонту пути (до 30%) выполняется о использованием рельсорезных и рельсосверлильних станков, цталоподбоек, костылезабивщиков и др. механизированных путевых инструментов (МПЮ.

2. Исследование и сравнение существующих средств малой путевой механизации (станков РМ-3, 1084В и др.) показало их невысокое

качество и определило как перспективное модернизацию имеющегося и создание ноеого отечественного оборудования.

3. Анализ проблемы показал существенную взаимосвязь качества Есего механизма с качеством его структурной схемы. Качество структурных схем предложено оценивать, наряду с общепринятыми требованиями, по комплексу предложенных оценочных критериев.

4. По результатам теоретических исследований предлагается производить синтез рациональных структурных схем МПИ комбинаторным методом. Данный метод позволяет учитывая исходные данные (наборы кинематических пар, кинематических соединений и др.), генерировать практически исчерпывающее множество вариантов решения поставленной задачи, в состав которого входят варианты, частично или полностью отвечающие комплексу критериев рациональности структурных схем, что существенно облегчает задачи конструирования. Соискателем разработаны новые направления комбинаторного синтеза.

5. Комбинаторный метод структурного синтеза частично реализован на компьютере , что подтверждается использованием ряда прикладных программ по расчету и устранению избыточных связей и программы синтеза вариантов кинематических цепей исходя из выбранного числа звеньев и набора кинематических пар.

6. Синтезированные комбинаторным методом структурные схемы, в наибольшей мере отвечающие комплексу оценочных критериев, приняты для дальнейшей проработки с учетом мнения заводских специалистов : рельсорезный ножовочный станок по схеме РМ-5ГМ, рельсос-верлильный станок по схеме С'ГР-1, ручная рельсосверлилка по схеме РС-7, злектрошпалоподбойки по схемам на рис. V.

7. С целью практической реализации предложений разработаны методики расчета, проектирования и конструирования отмеченных выше МПИ, проведен комплекс кинематических и динамических исследований, подтвердивших работоспособность и Еысокие рабочие характеристики предложений.

8. Рациональность механизмов подтверждается проведенными аналитическими исследованиями, позволяющими каждой структурной схеме механизма ставить в соответствие "коэффициент качества", и лабораторными и производственными экспериментами с рельсообраба-тывающими станками РМ-5ГМ, СТР-1, РС-7.

9.--Выполненные исследования и проведенные испытания отме-

ченных образцов fcffijl позволяют сделать вывод о прогнозируемом высоком экономическом эффекте от реализации предложений; и возможности направления испытанных станков в серийное производство.

Публикации по теме диссертации.

Научные положения, включаемые в диссертацию, отражены в следующих публикациях:

1. Монастырев Е.А., Сухих Р.Д. Синтез механизмов и манипуляторов железнодорожного транспорта. Часть И. Структура незамкнутых манипуляционных кинематических цепей. Метод, указ. - С-Пб.: ПГУПС, 1994. -32 с.

2. Монастырев Е.А., Сухих Р.Д. Синтез механизмов и манипуляторов железнодорожного транспорта. Часть 12. Структура механизмов с гидравлическими, пневматическими и другими специальными связями. Метод, указ. -С-Пб.: ПГУПС, 1995.

3. Монастырев Е.А., Сухих Р.Д. Синтез механизмов и манипуляторов железнодорожного транспорта. Часть 13. Структура механизмов с магнитными, электромагнитными и специальными связями. Метод, указ. -С-Пб.: ПГУПС, 1996.

4. Монастырев Е.А., Сухих Р.Д. Оптимизация структурных схем механизмов путевых и строительных машин // Тезисы и доклады 2-й межвузовской конференции / Санкт-Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 1994. - с. 89-91.

5. Монастырев Е.А., Сухих Р.Д. Признаки рациональности компоновок приводов путевого механизированного инструмента // Тезисы докладов 54-й научно-технической конференции с участием студентов, молодых специалистов и ученых / Санкт-Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 1994. - с.19.

6. Монастырев Е.А. Оптимизация структуры железнодорожных машин // Тезисы докладов 55-й научно-технической конференции с участием студентов, аспирантов и ученых / Санкт-Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 1995. - с.27-28.

7. Монастырев Е.А. Построение системы показателей качества механизированных путевых инструментов // Тезисы докладов 56-й научно-технической конференции с участием студентов, аспирантов и ученых / Санкт-Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 1996. -с.30-31.

8. Монастырев Е.А. Рациональные схемно-конструктивные и ком-

поновочные решения механизированного путевого инструмента // Тезисы докладов 57-й научно-технической конференции с участием студентов, молодых специатастов и ученых / Санкт-Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 1997. - с.32.

9. Монастырев Е.А., Третьяков Д.В. Определение зон обслуживания манипуляторов//Сб. науч. тр./ПГУПС, каф. "ТМ и РТС", 1996. Вып.! -с.34-42

10. Монастырев Е.А., Сухих Р. Д. Структурный синтез механизмов по заданному числу звеньев//Сб. науч. тр./ПГУПС, каф. "ТМ и РТС", 1997.-Вып.2 -с.

11. Монастырев Е.А., Сухих Р.Д., Ермаков В.Д., Елагин М.Ю. Разработка рациональных конструкций рельсовых зажимов механизированного путевого инструмента//Сб. науч. тр./ПГУПС, каф. "ТМ и РТС", 1997.-Вып.2 -с.