автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.18, диссертация на тему:Структурный анализ и синтез механизмов переменной структуры

ИНЖЕНЕРНАЯ АКАДЕМИЯ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ

ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ HAH KP

На правах рукописи АБДРАИМОВ Эмиль Самудинович

УДК 621.01

СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ МЕХАНИЗМОВ ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ

Специальность 05.02.18 — «Теория механизмов и машин»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек 1996

ОА

у:;- г 7

Инженерная Академия Кыргызской Республики Институт Машиноведения НАН КР

на правах рукописи

Абдранмов Эмиль Самудиношп

структурный лнализ и сиггез

КЕХАНКЗМОВ ПЕРЕШШОЙ СТРУКТУРЫ .

Специальность 05.02.18-"Теория механизмов и машин"

Автореферат

диссертации нз соискание ученой степени кандидата технических наук

Бишкек 1996

- г -

РаСота выполнена в Инженерной Академии Кыргызской Республики и Институте машиноведения HAH KP

Научный руководитель: Академик Международной Инженерной

Академии,доктор технических наук, С.У.ДЖОДЦАСБЕКОВ

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Молдабеков М.М.

д.т.н., Темирб'еков Е.С.

Ведутся организация: кафедра прикладной механики

Казахского Государственного Национального Университета им. Аль-Фараби

Залита состоится 27 февраля 1997 г. в 14.00 ч. на заседаю», специализированного совета Д 05.94.23 при Инженерной Академии i Институте машиноведения Национальной Академии Наук Кыргызской Республики, г.Бишкек, ул.Скрябина, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института машиноведения HAH Кыргызстан республики.

Еаши отзыва на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим налразлять по адресу: 720055, г.Бишкек, ул.Скрябина, 23, Институт машиноведения HAH KP, Спецсовет.

Автореферат разослан_ /.Г, Р •/ 199gr.

Учеши секретарь специализированного совета Д 05.94.23 к.т.н.

Р.А.Ыендекее!

Актуальность темы. Широко распространенные в различных отраслях промышленности рычажные механизмы имеют в основе структурную группу - двухповодковую диаду. С развитием промышленности возникают более высокие требования к функциональным особенностям как простых, так и сложных (разветвленных) механизмов, например, быстродействие изменения закона движения выходного звена (исполнительного органа) при непрерывном движении входного эвена, обеспечивающее высокую производительность и безопасность труда.

К механизмам, способным обеспечить высокие функциональные требования, относятся механизмы переменной структуры и переменного класса (МПС и МПК), ряд схем которых реализованы в конкретных конструкциях машин и успешно эксплуатируются в различных отраслях промышленности.

Не смотря на то, что вопросам структурного синтеза плоских рычажных механизмов посвящены многие исследования, запросы структурного синтеза и анализа МПС отдельно не рассматривались. Создание различных машин на основе ШС и их успешная эксплуатация так же показывает необходимость проведения исследований в области структурного синтеза ШС и МПК, что требует осмысления известных положений в теории структурного анализа и синтеза механизмов, и разработки новых методов в структурной теории построения механизмов.

Настоящая диссертационная работа посвящена вопросам структурного синтеза МПС, полученных на основе двухповодксвой диады.

Дель работы. Провести обзор и анализ работ по МПС. Разработать методику структурного синтеза, используя которую синтезировать МПС и проанализировать функциональные возможности полученных структтурных схем. Выявить свойства механизмов, позволяющие изменять структуру, и рассмотреть влияние конструктивного исполнения звеньев и кинематических пар на их функциональные возмож-

нооти.

Методы исследования. Использованы общеизвестные графически методы структурного синтеза МПС, включающих стойку, ведущее зве но, двухповодковую диаду, диаду, состоящую из звена востановлени и конверсионного звена, и топологические методы преобразовали схем механизмов.

Ряд схем, оказавшихся в числе полученных в данной работе результате синтеза, широко известны и используются в различны отраслях промышленности, что показывает на достоверность получен ных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты анализа классических схем МПС;

- добавление двух новых схем одноподвижных четырехэвенны

механизмов

- разработанная методика синтеза МПС;

- пути перехода одноподвнлных схем содержащих четыре звен= стопку, ведущее звено и двухповодковую диаду, друг в друга;

- определены группы одноподвнлных механизмов, в которые он сведены по признакам функциональности выходных звеньев с измене нием структуры;

- влияние свойств механизма, определяемых кинематическш. особенностями, на изменение структуры, влияние конструктивног исполнения на функциональные особенности механима.

Научная новизна. Проведен анализ структуры механизмов, охек которых представляют классический вариант схем с переменнс структурой. Ь результата анализа одноподвнлных четырехзвэннь схем, полученных на основе диады Сильвестра, синтезировании с.че). ШО, (которые позволили еыяеить пути перехода структуры однопо; еимлък чэтирс-хзвенных схем механизмов друг в друга. Определил структурны..» группы вышеуказанных однопадви/-ших механизмов г признаку обсюдносун функциональных свойств выходных звеньев щ

эменении структуры.

Практическая ценность и реализация работы. Рассмотрены все эзможные схемы шестиэвенных плоских МПС, на которых выявлены на-элее перспективные схемы в смысле использования их функциональ-JX свойств.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы вкладывались и обсуждались на конференциях: "Проблемы механики и гхнологии" (г.Бшкек, Кыргызстан, 1994г.), "Решение проблемных зпросов теории механизмов и машин" (г.Фергана, Узбекистан, 394г.); международных конференциях "Spatial Mechanisms and High ?chanisme" (Теогу and Practice) (г.Алматы, Казахстан, 1994г.), .(еханизмы переменной структуры и вибрационные малины" (г.Бишкек, ¿ргызстан, 1995г.), на международной нучно-технической конферен-1И.посвященной 660-летию Амира Тимурз (г.Ош, Кыргызстан, 1996 ,); на региональной научно-технической конференции "Пути повьше-ш эфективности использования отходов промышленности" (г.Ош, ¿ргыэстан, 1993г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованно 12 работ, порчен 1 патент на изобретение.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из шдения, трех глав, заключения и содержит. 162 страницы машгаю-юного текста, 88 рисунков, в которых 377 схем, 4 таблицы и биб-юграфия из 161 наименования.

Во введении показана актуальность темы диссертации, дана об-1Я характеристика работы, формулируется цель диссертационной ра-)ты и задачи исследования.

В первой главе произведен обзор и анализ исследований МПС, ;е рассмотрены классические варианты схем с переменной структу-)й, по результатам которой составлена таблица (рис.1), обьединя-(ЗЯ охемы по способу изменения структуры и особенностям кинема-гаеской цепи.

МПС изменяющие структуру С кратковременным воз-¡С временным зсздейст-действием на структуру|вием на двшкение механизма, а именно : ¡звеньев мех-ма : ••• 1......-1......... i 1 1 Со | С |С изме- |3а 'I За !3а счет сдваи-1"ло- i нением i счет i счет j измене-ванием | манны-| линейно-! упора ! гго- i ния звеньЧмп" ¡го пара-j н ¡метрии|величи-ев ¡звень-¡метра jособомjповерх|ны дей-|ями ¡звена ¡поло- ¡.-ностиiствую-| [ |женин I звена |щих сил II ill

1 с |рычажные ме-нераз- ¡ханизмы с рывной |вращательными кинема-¡и поступэ-тичес- ¡тельными кикой |тематическими цепью |парами 1 I 1 III j j !***. j j II ! 1 j II 1 i i ii I I II ill II iii

с разры-|кулачковый бом ки- ¡механизм II III II II ***. i ** i i ill ii iii

ческой |ротационный цепи \механизм | | ■ III I l i i * i ill i iii

Рис.1

Обозначение: * - структура изменяется в зависимости от величины внешних сил (адаптируется автоматически). ** - структуру изменяет оператор (активное управление). - изменение структуры не управляемо (пассивное управление).

Проведен анализ исследований по структуре, в частности четы-рехзвенных механизмов, включающих ведущее звено, стойку и двухпо-водковув диаду, с точки зрения использования определенных методических подходов для синтеза МПС. Всего рассматривается однопод-вилшых четырехзвенных схем 10 видов, рис.2, где: а) иарнирно-ры-' чэхная четырехзвенная схема; б) кривошипно-ползунная схема; в) кулисная схема; г) синусная схема; д) тангенсная схема; е) схема злипсографа; ж) схема муфты Ольдгейма; и) схема Добровольского; и схеми з) н к), которые вводятся для рассмотрения впервые.

piro. 2

На основе вышеизложенного предлагается методика, по которой производится синтез МПС, включающего шесть звеньев: стойку 1, ведущее звено 2, двухповодковую дладу 3,4, разновидности которой получены путем преобразования диады Сильвестра, и диаду 5,6, состоящую из конверсионного эвена и звена восстановления; и семь кинематических пар А-0 связывающих звенья в относительном движении,

Во второй главе, используя разработанную методику, выявлении вое возможные скеш шестиавенных МПС, Есего 182 схемы. Определены неповторяющиеся схемы, всего 81 схема. Анализ неповторяющихся схем МПС выявил 0 групп, в которые обьединены девять одноподвиж-ных схем риоунка 5. Основная схема группы, выделенная цедрой в .круши, в оущнооти, иаманениам вида кинеиитической пари с враща-

тельного на' поступательный или наоборот методом, изложенным ранее, переходит в другие схемы данной группы (рис.4 а-и).

Ж

»Н\\ии МИНИН

Рис.43, группа!

\WU\UVl\U\ Рис.46. группаЗ

Рис.4в. группаЗ

gsmiAcîj -sT-'oiy

SEtiu/dJ •ttî-'oiid

T^iiuAdJ 'jfoiy

- от -

©

-уЛЛ Чч\\\ XWWWWWN

Рис.4ж. группа7

\\\\\ \\\\\

©

\\д\\ \Vm

Рис.4и. группаЭ

Составлена схема последовательности перехода от механизма к механизму с изменением структуры, рис.5, причем каждый механизм может изменять свою структуру от одного до девяти раз, без повторения дважды одной и той же схемы. Надо отметить важность присутствия схем IX и X для неразрывности контуров перехода.

Рис.5.

В третьей главе развита концепция построения МПС, которая заключается в синтезе механизма из отдельных элементов кинемати-1еской цепи; таких как звенья, кинематические пары или их структурные группы.

Таким образом, использование в первой главе принципа дробле-шя кинематической цепи на структурные единицы, позволяет толковать о степенях подвижности (свободы) отдельных структурных элементов или групп, определяющих степень подвижности всего механизма и сделать запись известной структурной формулы в следующем ви-;е:

У - VI 1^2 .

"де: И - степень подвижности механизма,

Ы1- степень подвижности звеньев,

Иг- степень подвижности кинематических пар.

Проектирование МПС включает выявление некоторых свойств, юзволяющих преобразовать схему механизма в оптимальных условиях, 'аким свойством обладают схемы, имеющие так называемые особые ■очки, т.е. положения, где звенья кинематической цепи складывают-:я в линию, находится в крайнем положении или когда оси вращения 1ХОДНОГО эвена совпадают с осью вращения выходного эвена.

Отмечено конструктивное многообразие исполнения одних и тех ;е схем, и придание тем самым новых динамических и кинематических ачеств механизму.

Выявлены перспективные схемы механизмов переменной структу-ы, которые изменяют закон движения выходного звена без разрыва инематической цепи. Некоторые схемы уже попользовались в раэ-ичных машинах и механизмах; на схему рис.6а получен патент, схе-а, показанная на рис. 66, использовалась в прессах и отбойных олотках ; схема рис. 6в использовалась в прессах, где применя-ись так называемые "ломаные" звенья ¡схема рис.бг - в прессах со двоенными ползунами. Схемы од,ж используются давно как механиз-

мы, регулирующие длину кривошипа в кузнечно-прессовых машинах.

Для последующего широкого практического использования некоторых перспективных схем предлагается заменять звено восстановления на систему звеньев о независимым приводом.

олмЭ^-Ьл

р У У * йТТШТ^

Рис.6

Разработана методика для определения кинематических парамет-эв МПС. По разработанной методике найдены угловое перемещение, еловая скорость и угловое ускорение выходного звена (рис. 66).

3 - arccos

+ arccos

(lo(f) - h-coscpi)-

V liz+[lo(f)]2 -21ilo-cos¡pi -l2z+l32+li2+[lo(f)3z li-lo(f)

2b

1з

•COSipi

(28)

/ ll2+[l0(f)]z -2lil0(f)-cosípi -I

3 "

CloCf)]*

+ 1>l' -

lo(f)-lo-cosij)i

li-sinpi "" liz+[lo(f)]z-2lilo(f)-cosipi

Clo(f)]'-[lo(f)-ll-cos9i3

lo(f)-!?l' + -

ll -sinipi

lllo(f)-sinvi-?i'+[lo(f)r(lo(f)-ll-COSÍl) -,- *

/ТТГТТТ^ -l2Z+l3Z+llZ+Clo(f)]2 ll-lo(f) ч2

/liz+Clo(f)]z-2lilo(f) -cosipi-----COSI?i)Z

21з 1з

1 (-l2Z+l3Z+ll2+[lo(f)]Z)/2l3 - li-lo(f)-costpi/l3

13

93" -

liz+n0(f)]2-2lil0(f) -coscpi

(29)

Clo(f)]•• - Elo(f)]--ctg?!-?!' ll'Sin?!

+ Vi'

[l0(f)]4-ll-C03l?l

llz+[lo(f)]z-2lilo(f)-costpi

-ZClotf)]'

lú(f)-li-cos9i

liz+[lo(f)3z-2lilo(f) 'Cosijí

+

• - 16 ■

2111О"(ОЗ1ПФ-Р'(1О(П-11-СС5Ф1}) ( С11г+С1о(Г)32-г111о(Г)-сазф1]2!*

) К

¡1-31п?1

1о(Г)-1о-ссзч>1

* По(ОГ-ФГ + 10(П?1" +

112+С1О(£)]2-2111О(Г)-собф!

+

[1О(1')3"-(1О(Г)-11-созф1)Ч-[1О(Г)]--([1О(Г)]'-И1-51Г,?1)

-Б^?!

1

[1О(ПГ-(1О(П-11-соз?1)-С;С)ЗФ1-Ф1-¡1 -БШ2?!

(30)

где 1о - основание,

11 - кривошип,

12 - шатун,

13 - коромысло,

и - диагональ ВД, раэделяюшдя четырехугольник АВСД на два треугольника АВД и ВСД.

Ф1 - угловое'перемещение кривошипа

93 " угловое перемещение коромысла Разработанная методика по определению кинематических параметров для рассмотренной схемы может применяться для любой схемы МПС, только необходимо учитывать особенности механизма, точки переключения от одной структуры в другую, характеристики звена восстановления и конверсионного звена.

Необходимость создания быстродействующих механизмов, изменяющих законы движения выходного звена (исполнительных органов) при непрерывном движении входного звена в случаях изменений' внешних условии среды или по желанию оператора, диктуется требованиями

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

повышения производительности и безопасности труда, улучшения эксплуатационных характеристик машин и других параметров.

Сегодня проблему создания унияерс,аль кнх малин и упрощения многих существующих схем и конструкций мажин, увеличения их коэффициента полезного действия при большей скорости и операционной точности можно решить, используя механизмы переменной структуры.

В работе предложено развитие структурного синтеза механизмов переменной структуры. Основными результатами данной работы являются:

1. Разработка методики структурного синтеза механизмов и синтез восьми схем двухповодковых групп нулевой подвижности.

2. Используя разработанную методику определены десять схем плоских механизмов II класса на основе двухповодковой группы.

3. На основе анализа классических схем механизмов переменной структуры выделены основные способы преобразования структуры механизма; таким образом, механизмы переменной структуры можно определить как механизмы, способные скачкообразно изменять закон движения выходного (исполнительного) звена, не изменяя закон движения входного звена, за счет кратковременного управляющего воздействия на структуру механизма, приводящее к изменению количества звеньев , количества кинематических пар, а также за счет кратковременного не силового управляющего воздействия на движение звеньев механизма в особых зонах.

4. В образовании схем с механизмами переменной структуры получило дальнейшее развитие использование звена восстановления и конверсионного звена, где по терминологии Добровольского [126] конверсионное звено с одноподвижнси кинематической парой является нулевым механизмом или "цепью плюс первого порядка", обладающего "независимым движением"; а звено восстановления с двумя однопод-вижними ¿'.тематическими парами, обладающее отрицательной подвижностью, является цепью минус первого порядка, способной по только

"соединить несколько механизмов с независимым дарением", ко, об ладая определенными динамическими свойствами, "рег-'лирует" про цесс соединения механизмов.

5. Используя предложенную методику структурного синтеза н основе плоских схем механизмов II класса получены 182 схемы меха низмов переменной структуры, из которых отобрано 81 оригинальна схема.

6. Выявлено 9 групп, в которые объединены девять одноподвиж ных схем 11 класса. Основная .схема группы переходит в другие схе мы группы в сущности, изменяя одну кинематическую пару, предлс женным в работе методом.

7. Открыты последовательности перехода этих механизмов дру в друга, рис.5 (стрелками показана последовательность перехода) Каждый механизм может изменять свою структуру от одного до девят раз, при этом не повторяя дважды одной и той же схемы.

8. Отмечена необходимость присутствия схем X и IX для нера; рывности контуров перехода механизмов.

9. Одним из важных результатов является развитие теоретичес ких основ создания механизмов с использованием концепции постро« ния, сущность которой заключается в синтезе схемы механизма i отдельных групп (цепей), или отдельных звеньев и кинематичесю пар, позволившая сделать аналитическую запись вида

W - Wi + W2, где W - степень подвижности всего механизма;

W| - подвижность звеньев механизма Wi-(6-in)n;

k=5

Vfe - подвижность кинематических пар Vfe— С Е (k-m)pi<].

- k-1

10. Проектирование механизма с переменной структурой зклгач, ет определение свойств или особых точек, где изменение структу] происходит наилучшим образом. С кинематической точки зрения таи ми положениями являются: звенья складываются в линию; звено Haxi

дится в крайнем положении; ось вращения входного звена совпадают с осью вращения выходного звена.

11. Конструктивное исполнение одной и той же схемы может быть различным, имеющим различные динамические и кинематические кзчества.

12. Выделены наиболее перспективные схемы, которые позволят создавать различные технологические машины с заданными законами движения без разрыва кинематической цепи.

13. С целью развития практического применения МПС предлагается заменять в некоторых схемах звено восстановления на систему звеньев с независимым приводом, что улучшит технические характеристики механизма.

14. Разработанз методика для определения кинематических параметров МПС.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в работах:

1. Касымбеков С.Н., Абидсв A.C., Абдраиыов Э.С. Применение ручных машин ударного действия на основе механизмов переменной структуры для переработки отходов промышленности. /Тез. докл. региональной научно-технической конференции "Пути повышения эффективности использования отходов промышленности". Ош. 25-27 октября, 1993. с. 57.

2. Касымбеков С.Н., Дыканалиев K.M., Уркунов З.А., Абдраиыов Э.С. Экспериментальные исследования перфораторов с ручным приводом. /Тез. докл. международной конференции по проблемам механики и технологии. Бишкек. 14-17 июня, 1994. с. 112-113.

3. Каримбаев Т.Т., Уркунов 3.А., АлтыновБ.Д., Абдраимов Э.С. Ударные механизмы на основе механизмов переменной структуры. /Материал International Conference "Spatial Mechanisms and High Mechanisme" (Theory and Practice), October 4-6, 1994.. Almaty, Republic of Kazakhstan. Vol. 1, p. 173-178.

4. Абдраимов С., Абдраимов Э.С. Механизмы переменной структуры и переменного класса./Материалы International Conference "Spatial Mechanisms and Higti Mechanisroe" (Theory and Practice), October 4-6, 1994. Almaty, Republic of Kazakhstan. Vol. 1, p. 81-86.

5. Абдраимов С., Абдраимов Э.С. Обзор, анализ и состояние исследования механизмов переменной структуры. /Тез. докл. международной научно-практической конференции посвященной 75-летию академика Х.Х.Усманходжаева. Фергана. 25-26 октября 1994г. с. 17.

6. Касымбеков С.Н., Абдраимов Э.С., Дыканапиев К.Н. Ударный механизм самоотключения. /Тез. докл. международной научко-практи-ческсй конференции посвященной 75-летию академика Х.Х.Усманходжаева "Решение проблемных вопросов теории механизмов к машин". Фергана. 25-26 октября, 1994. с. 14-15.

7. Абдраимов Э.С. Ручные инструменты на основе механизмов переменной структуры. /Материалы второй международной конференции "Механизмы переменной структуры и вибрационные машины". Еиакек. 5-7 октября, 1995. с. 75-78.

8. Абдраимов Э.С. Работы фирмы "Уста" по созданию машин на основе МПС. /Сб. Инженерной Академии. Выпуск 1. Бишкек, 1995. с. 21Б-219.

9. Абдраимов С., Абдраимов Э.С. Механизмы переменной структуры. /Сб. трудов Инженерной Академии. Вып. 1. Бишкек, 1995. с. 204-210.

10. Абдраимов С., Абдраимов Э.С. Новая концепция построения механизмов и машин. Информационный листок НИЦ при Правительстве KP. г.Бишкек N1 (7208), 1996.

11. Джзлдасбеков С., Лбдрзимоз Э.£0бзор, анализ и перспектива исследования механизмов переменной структуры и переменного класса (МПС и МПК). /Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 660-летию Амира Тимура. г.Ош, 14 сентября 1996. с. 138-141.

-21-

АОдраиыов Змнль Саиудтшпмч •ПШУИДУП®

Диссертацияда шарнир.цик- рычагдык езгерулмэлуу структурадагы механизимдердин (ВОЛ) структуралык анализинин жана синтезгашн масе-лелерн каралган.

Яумупта бир кыймылдуу терт тогоолуу механизм .менен калыбына келтируучу жана конверсиялык тогоону озуно камтыган ВСМдин структу-ралык синтезинин методу иштеп чыгарылган. бзгерулмвлуу структурадагы шарнирдик-рычагдык алты тогоолу механизимдерднн мумкун болгон схемалары синтезделген. Бир кыймылдуу механизимдердин бир бирине етуу жолдору табылгал. ОСЦци синтездве учун озгочо чейрвлордун жа-ратылыщынын геометриалык белпшерпн камтыган кинематикалык схема-ларды тандоо шарты белгиленген. Функцноналдык мумкунчулуктврду кэ-бейтууго тогоолордун конструкциялык аткарылышынын таасири каралган. Бардык алынган схемалардын кинематикалык параметрлерин аналитикалык суреэттеа мумкунчулугу керсвтулгон.

Abdraimov Ernll Samudinovlch ABSTRABT

Subjects of structural analysis and synthesis of hinge-and-lever mechanisms of variable structure (MVS) are treated in given dissertation.

The method of structural synthesis of MVS including' one-agile four-link mechanism and diad consisting of a re-establishment link and a converse link is worked out in the work. All possible schemes 3f hinge-lever six-link MVS are synthesized. Ways of transition of strukture of one-agile mechanisms are revealed. It is mentioned :hat it is necessary to choose kinematic schemes with geometrical iigns of existence of special zones for synthesis of MVS. Influence )f constrictive fulfilment of links on increase of functional rasslbilities is considered. Possibility of analytical description >f kinematic parameters of all got schemes is shown.