Построение рычажного механизма подачи и перемещения патронной ленты

• 1. Введение
• 1.1 Задание к курсовому проекту
• 2. Исследование рычажного механизма подачи патронной ленты
• 2.1 Метрический синтез рычажного механизма перемещения ленты
• 2.2 Построение профиля поступательного кулачка механизма подачи патронной ленты
• 2.3 Кинематическое исследование рычажного механизма перемещения ленты
• 3. Построение профиля кулачка ускорительного механизма
• 4. Проектирование ударного куркового механизма
• 4.1 Метрический синтез ударного механизма
• 4.2 Определение момента инерции курка и жесткости боевой пружины
• 4.3 Кинематический анализ ударного механизма
• 5. Уточнение циклограммы работы механизмов условного образца
• 6. Подготовка данных для динамического анализа
• 7. Решение уравнения движения для периода действия пороховых газов
• 8. Решение уравнения движения для периода действия сил сопротивления
• Заключение
• Использованная литература

1. Введение

Одной из повседневных задач в практике инженера-механика является проектирование и исследование различных механизмов. Основной дисциплиной, изучающей методы исследования и проектирование механизмов, является курс «Теория машин и механизмов». Это базовый курс исследующего изучения общеинженерных и специальных дисциплин, для более глубокого изучения, которого студенты выполняют курсовой проект, где студенты проектируют и исследуют реальные механизмы автоматических машин. Навыки, приобретенные при выполнении проекта, применяются в дальнейшем при изучении специальных дисциплин и выполнении курсового проекта, который включает в себя следующие разделы курса: кинематический анализ рычажных и кулачковых механизмов их синтез: исследование движения звеньев механизмов под действием приложенных к ним сил.

1.1 Задание к курсовому проекту

Общая кинематическая схема привода

Рисунок 1 «Расчетная схема механизма»

Таблица 1.1 Параметры ускорительного механизма

Таблица 1.2 Параметры механизма подачи

Таблица 1.3 Параметры ударного механизма

Таблица 1.4 Параметры действия пороховых газов

Таблица 1.5 Массово-силовые характеристики механизмов

2. Исследование рычажного механизма подачи патронной ленты

2.1 Метрический синтез рычажного механизма перемещения ленты

Задачей синтеза в настоящем курсовом проекте является построение рычажного механизма по двум крайним положениям ведомого и ведущего звеньев.

Рассмотрим построение механизма. Для его проектирования задана кинематическая схема и величины перемещений — ведущего ролика рычага 10 и — звена, осуществляющего перемещение ленты. По этим данным, а так же по габаритному размеру механизма, необходимо найти длины рычагов и положения осей вращения всех звеньев.

Рис. 2.1 Синтез рычажного механизма

2.2 Построение профиля поступательного кулачка механизма подачи патронной ленты

Профиль поступательного кулачка механизма подачи патронной ленты должен обеспечивать заданный закон изменения передаточного отношения от ползуна 5 механизма подачи ленты к затвору 1. Этот закон задан в виде графика передаточного отношения в функции перемещения ведущего звена .

Максимальное значение величины соответствует заданной величине подачи, т. е.. Перемещение звена 1 на участке работы механизма подачи равно сумме длины поступательного кулачка и горизонтальному перемещению точки, А ведущего рычага 10 рычажного механизма.

Масштаб графика по оси абсцисс определяется отношением заданной величины на наибольшую абсциссу, снятую с графика:

м/мм.

Для построения кулачка, методом графического интегрирования построим кривую

Проведем графическое интегрирование:

по оси абсцисс разбиваем график на 8…12 равных участков, из середины каждого участка проводим ординату до пересечения с. Точки пересечения сносим на ось ординат. Получаем точки — обозначим 1, 2, 3, … и т. д.

на продолжении оси абсцисс влево от начала координат произвольно выберем полюс Р и соединяем его лучами с точками 1, 2, 3, … и т. д. на оси ординат.

на графике из точки О проводим прямую, параллельную лучу P1, из точки пересечения этой прямой с ординатой 1 проводим прямую, параллельную лучу Р2, и так далее. Выполнив эти построения на всем промежутке изменения аргумента, получим ломанную кривую. Проводя по точкам пересечения линии с ординатами плавную кривую, получим зависимость .

Рис. 2.2 Получение зависимости графическим интегрированием

Масштаб графика определяется исходя из того, что на перемещение звена А, равным длине рабочего профиля кулачка, звено С должно переместиться на величину. Разделив заданную величину на наибольшую ординату графика, получим масштаб:

м/мм.

Масштаб оси ординат графика определится по формуле:

1/мм.

Профиль кулачка начинаем строить с вычерчиванием рычажного механизма в начальном положении. Заданную длину профиля делим на 10 участков. Для дальнейшего построения применяем прием обращения движения, то есть всему механизму предаем скорость. В этом случае кулачок останется неподвижным, а относительно него будет перемещаться весь рычажный механизм в направлении противоположном движению звена А.

Таблица 2.1 — Сводные данные для построения профиля кулачка

Рис. 2.3 Построение профиля поступательного кулачка

2.3 Кинематическое исследование рычажного механизма перемещения ленты

Целями кинематического исследования механизма подачи патронной ленты в курсовом проекте является контроль правильности проектирования, заключающийся в определении фактической зависимости передаточного отношения .

Определять передаточные отношения будем графическим методом через построение планов скоростей.

Из полюса Р горизонтально проводим горизонтальный вектор произвольной (например, 100 мм) длины — это аналог скорости ведущего звена автоматики. Конец вектора обозначим .

Из точки проведем прямую, касательную к копиру, а из точки Р прямую, перпендикулярную к коромыслу 10. Точку пересечения прямых обозначим. Вектор — это аналог скорости точки, А коромысла.

Вектор (аналог скорости точки В коромысла) противоположно направлен вектору и по величине равен .

Через точку проводим прямую параллельную кулисе 11, а из полюса вертикальную прямую. Точку пересечения прямых обозначим. Вектор — это аналог скорости точки С ползуна 5.

Рис. 2.4 Построение планов скоростей

рычажный механизм патронная лента

Таблица 2.2 Результаты кинематического анализа Выполнив аналогичные построения для ряда положений механизма и определив передаточное отношение для каждого положения, строим график передаточного отношения в координатах: — по оси абсцисс — по оси ординат (рис. 2.3).

Рис. 2.5 График передаточного отношения

3. Построение профиля кулачка ускорительного механизма

Рычажно-кулачковые ускорительные механизмы, подобные рассматриваемому в курсовом проекте, применяются в системах оружия с полусвободным затвором и с коротким ходом ствола. Как правило, это сложное устройство, имеющее до четырех кулачковых профилей. Такие кулачки осуществляют плавное ускорение ведомого звена по заданному закону, и обеспечивают достаточно широкий диапазон скоростей ведомого звена в конце работы ускорителя. В курсовом проекте проектируемый кулачок имеет лишь одну рабочую поверхность. По геометрическим соображениям:

Рассмотрим проектирование ускорительного механизма по порядку:

1. Расположим на чертеже звено 1 и ось вращения О, задавшись радиусом и начальным углом .

2. Выбираем участок работы ускорителя, т. е. перемещения звена 1 при работе ускорителя. Эта величина выбирается по конструктивным соображениям и может приниматься близкой к первоначальному расстоянию от звена 1 до оси кулачка, т. е.:

.

3. Определяем закон движения звена 2 относительно звена 1, графически интегрируя заданную зависимость (рис. 3.3).

Рис. 3.1 Графическое интегрирование

Составляем рабочую таблицу для построения профиля ускорителя:

Масштаб графика по оси :

м/мм.

Масштаб графика по оси :

1/мм.

Масштаб графика по оси :

м/мм.

4. Зададимся углом и по формуле:

По известному передаточному отношению в начале работы ускорительного механизма, определим :

После чего находим расстояние от оси вращения ускорителя до рабочей поверхности звена В.

При выборе следует ориентироваться на то, что при увеличении угла возрастает величина и в дальнейшем, а следовательно и габариты кулачка.

5. Определяем промежуточные и конечное положение звена 2 на участке работы ускорителя. Для этого от первоначального положения звена 2 в сторону его движения откладываем отрезки пути, определяя таким образом координаты точек В контакта кулачка со звеном 2:

6. Следующим шагом является определение координат у точек В контакта кулачка со звеном 2:

, где i=1…n.

7. От направлений радиусов откладываем углы поворота кулачка в сторону, противоположную вращению. На полученных лучах откладываем величины. Полученные точки являются точками рабочего профиля кулачка.

Таблица 3.1 Сводные данные для построения профиля ускорителя

Рис. 3.2 Графическая проработка работоспособности кулачка

4. Проектирование ударного куркового механизма

Ударный механизм предназначен для разбития капсюля-воспламенителя и состоит из следующих основных частей: бойка — детали, непосредственно ударяющей по капсюлю-воспламенителю; боевой пружины — носителя энергии; курка — вращающейся детали, передающей энергию боевой пружины бойку посредством удара; некоторых дополнительных деталей, необязательных для всей конструкции. В схеме с полусвободным затвором, энергия от курка передается через заднюю часть затвора, посредством удара по ней, а затем путем непосредственного соприкосновения с передней частью затвора.

4.1 Метрический синтез ударного механизма

При проектировании должны быть учтены следующие требования к обеспечению функционирования ударного механизма и габаритные ограничения:

1. Курок должен полностью взводится при перемещении звена 2 до крайнего заднего положения;

2. Положение оси относительно оси, а также положение точки R на курке должны обеспечивать однонаправленность момента боевой пружины на всем рабочем участке поворота курка;

3. В кинематической паре 2−4 не должно возникать заклинивания при возрастании углов давления;

4. Продольные габариты ударного механизма, обеспечиваемые положением курка во взведенном состоянии и положение опорной оси боевой пружины, не должны превышать максимально возможного перемещения звена 2.

Задачу проектирования решаем в следующей последовательности:

1. Задаться точками и ограничивающими поверхность курка, взаимодействующую со звеном 2. Для обеспечения линейности этой поверхности на всем участке взведения, точку целесообразно расположить несколько ниже точки С на звене 2. Точка должна располагаться не ниже оси ударника.

2. Задаться размером или. При этом необходимо учитывать, что увеличение размера ведет к увеличению габаритов курка и всего механизма в целом, что может привести к невыполнению требований 1 и 4. Уменьшение этого размера может привести к невыполнению требования 3. В то же время к невыполнению требования 3 может привести увеличение размера .

3. Определить соответственно размер или, обеспечивающий заданный угол поворота курка. Это можно выполнить путем прорисовки ударного механизма в крайних положениях.

4. Задаться значениями, и угла. Проверить выполнение 2-го требования, что можно выполнить путем прорисовки ударного механизма в крайних положениях.

5. Окончательно проверить выполнение 1-го и 4-го требований.

Рис. 4.1 Схема при проектировании ударного механизма

4.2 Определение момента инерции курка и жесткости боевой пружины

Срабатывание капсюля патрона определяется энергией, запасаемой боевой пружиной при взведении ударного механизма и временем выделения энергии или скоростью удара курка по ударнику и капсюлю.

Необходимая энергия разбития капсюля является заданной величиной. Необходимое для срабатывания капсюля время передачи энергии обеспечивается скоростью движения ударника при его ударе по капсюлю, равной 5−8 м/с.

где — момент инерции курка

— угловая скорость курка в момент удара по ударнику.

Отсюда:

Энергия, запасаемая боевой пружиной, равна (без учета КПД ударного механизма) работе, затрачиваемой на ее сжатие:

где C_Б — жесткость боевой пружины; _{Б. к} и _{Б. н} — деформация боевой пружины в начале и в конце взведения соответственно.

Откуда следует:

.

Значения деформаций пружины определяются из геометрии механизма в крайних положениях:

,

где l_Б.0, l_{Б. н}, l_{Б. к} — длина боевой пружины в разжатом состоянии, в начале и в конце взведения соответственно. Длину боевой пружины в разжатом состоянии можно принять равной .

4.3 Кинематический анализ ударного механизма

Целью кинематического анализа ударного механизма является расчет параметров, определяющих приведенные массы и силы: положение звена 2, передаточного отношения от курка к звену 2, расстояние от оси курка до точки его контакта со звеном 2 в процессе взведения и момента боевой пружины в функции от угла поворота курка.

Для определения данных функций необходимо разбить угол поворота курка на n равных интервалов (не менее 10). Для каждого положения курка определить соответствующие ему положения звена 2 и боевой пружины. По полученным данным для каждого положения курка необходимо рассчитать: перемещение звена 2; передаточное отношение; расстояние от оси курка до точки его контакта со звеном 2; деформацию боевой пружины; плечо действия боевой пружины.

Момент боевой пружины рассчитывается по формуле:

Результаты анализа сводим в таблицу.

Таблица 4.1 Результаты кинематического анализа куркового механизма

Рисунок 4.1 Определение параметров взведения ударного механизма

Рисунок 4.2 Перемещение звена 2 в зависимости от угла поворота курка

Рисунок 4.3 Изменение передаточного числа в зависимости от угла поворота курка.

Рисунок 4.4 Изменение расстояния в зависимости от угла поворота курка.

Рисунок 4.5 Изменение момента в зависимости от угла поворота курка

5. Уточнение циклограммы работы механизмов условного образца

Циклограмма отражает последовательность работы всех механизмов рассматриваемой системы, порядок их включения и выключения в зависимости от положения ведущего звена автоматики. При построении циклограммы следует уточнить значения перемещения ведущего звена 1 в характерные моменты включения и выключения механизмов автоматики:

в крайнем заднем положении ;

в начала и в конце работы ускорителя, ;

в начале и в конце сжатия возвратного механизма, ;

в начале и в конце взведения курка, ;

в начале и в конце работы механизма подачи ленты, .

В настоящем проекте величины, , являются заданными:

Величина определяется при проектировании ускорителя:

Начало движения курка соответствует началу движения звена 2, т. е. началу работы ускорителя:

Для определения конца взведения ударного механизма, необходимо построить зависимость на всей длине отката.

Данную зависимость целесообразно представить в табличном и графическом виде.

Таблица 5.1 Табличная зависимость

Рис. 5.1 График зависимости

Из графика:

.

Рис. 5.2 Циклограмма работы автоматики

6. Подготовка данных для динамического анализа

Целью динамического исследования является определение скоростей и ускорений ведущего звена на всем участке его движения. В практике инженерных расчетов, связанных с анализом и синтезом автоматического оружия, сложная динамическая система механизмов оружия, в которой массы подвижных звеньев перемещаются каждая по своему закону, заменяется одной условной приведенной массой звена приведения (ведущего звена), на которое действует приведенная сила. Параметры движения ведомых звеньев при необходимости определяются по параметрам движения ведущего звена и соответствующим передаточным числам.

При идеальных связях в механизме (без учета КПД) условием приведения масс является равенство кинетической энергии звена приведения сумме кинетических энергий всех движущихся звеньев системы. Для поступательно движущегося ведущего звена:

где M_Вед — масса ведущего вена; M_i — масса i-го ведомого звена, движущегося поступательно; J_j — момент инерции относительно оси вращения j-го ведомого звена, имеющего вращательное движение; i_i — передаточное отношение от i-го поступательно движущегося звена к звену приведения; i_j — передаточное отношение от j-го вращающегося звена к звену приведения; r_j — расстояние от оси вращения j-го звена до точки приведения массы.

При идеальных связях в механизме (без учета КПД) условием приведения сил (моментов сил) является равенство элементарной работы (мощности) приведенной силы (приведенного момента сил) сумме элементарных работ (мощностей) всех действующих на подвижные звенья сил на возможных перемещениях точек их приложения. Для поступательно движущегося ведущего звена:

где F_Вед — сумма сил приложенных к ведущему звену; F_i — силы, приложенные к ведомым звеньям; M_j — моменты сил, приложенные к ведомым звеньям.

В соответствие с конструкцией механизмов и принятых ранее допущений будем иметь в общем случае:

для приведенной массы:

для приведенной силы:

.

Так как не все механизмы автоматики срабатывают одновременно, целесообразно внести в формулы функции включения, принимающие значение 1 в момент работы i-го звена и значение 0 — во время, когда i-ое звено не работает:

Определим зависимость

Определим зависимость

Сила F_В сопротивления, обусловленная сжатием пружины возвратного механизма, определяется произведением жесткости возвратной пружины C_В на её деформацию. Так как деформация возвратной пружины на рабочем участке равна перемещению 2-го звена, то

.

Определим зависимость

Таблица 6.1 Табличные зависимости приведенных масс и сил

7. Решение уравнения движения для периода действия пороховых газов

Динамическое исследование механизмов заключается в решении уравнения динамики (уравнения движения тела переменной массы), которое при поступательном движении ведущего звена может быть выражено в виде:

.

Первый этап движения ведущего звена характеризуется тем, что движущей силой является сила давления пороховых газов, задаваемая, как правило, в функции времени.

При этом предполагается, что действие движущей силы происходит только на участке свободного движения ведущего звена, т. е. при X₁=0X_{1.У. н}, где, и соответственно dM_пр=0, а силы сопротивления пренебрежимо малы по сравнению с силой давления пороховых газов и поэтому не учитываются, т. е. .

Поэтому основное уравнение движения для решения на данном этапе удобно представить в форме уравнения приращения количества движения системы. Для этого умножим обе части исходного уравнения на и, с учетом, что перепишем его в виде

.

Левая часть уравнения представляет собой приращение за время dt количества движения ведущего звена, а правая — импульс приведенной силы.

Движущая сила давления пороховых газов определяется по формуле

где S_кн — площадь сечения канала ствола является заданной величиной. При этом уравнение (7.1) можно представить в виде:

.

Интегрируя уравнение (7.2), получим зависимость V₁=f (t):

.

Так как, то, интегрируя уравнение (7.2) дважды, т. е.

получим зависимость X₁=f (t). Соотнося значения V₁ и X₁ зависимостей V₁=f (t) и X₁=f (t) при одинаковых значениях t, получим искомую зависимость V₁=f (X₁). Закон изменения давления пороховых газов, действующих на дно канала ствола P_г=f (t) в условном образце оружия задается упрощенно, в виде кусочно-линейной функции со значениями максимального давления P_{г. m}, времени действия силы давления газов T и характерными моментами времени T₁ и T₂ (рис. 7.1).

Рис. 7.1 Условный закон изменения давления пороховых газов

Закон изменения пороховых газов:

На первом участке:

где коэффициент h₁ может быть определен как

.

На втором участке:

.

На третьем участке:

где коэффициент h₂ может быть определен как

.

Подставляя полученные уравнения и интегрируя их, получим:

на участке I:

;

;

на участке II:

;

;

на участке III:

;

Таблица 7.1 Результаты решения уравнения движения

8. Решение уравнения движения для периода действия сил сопротивления

Второй этап движения ведущего звена характеризуется следующими особенностями:

— переменность приведенных масс и сил, задаваемых преимущественно в функции координат ведущего звена;

— наличие скачкообразного изменения приведенных масс и сил в некоторых характерных точках циклограммы, задаваемой в функции координаты ведущего звена;

— наличие взаимных ударов 1-го и 2-го звена, задаваемых в функции координаты ведущего звена.

Порядок решения уравнения движения на 2 этапе следующий:

1. Определить решение на участке свободного движения ведущего звена после окончания действия силы давления пороховых газов. Как было отмечено выше, на этом участке скорость ведущего звена будет постоянной и максимальной. Перемещение будет являться начальной точкой решения уравнения движения на 2-м этапе.

2. На графиках и отобразить начальные точки решения и, где

3. По циклограмме работы автоматики выделить точки, соответствующие разрывам функции. С целью правильного учета влияния этих разрывов на решение выявить их причины. Эти точки будут определять начало участков интегрирования уравнения движения с новыми начальными условиями.

При решении уравнения движения на всех последующих участках целесообразно придерживаться следующей последовательности:

1. Рассчитываемый участок разбить на интервалы. Количество интервалов будет определять точность решения. Количество интервалов на участке должно быть не менее 5.

2. В зависимости от характера поведения функции в начале рассчитываемого участка при необходимости рассчитать новые значения скорости и энергии ведущего звена. Полученное значение энергии будет являться начальной точкой интегрирования функции на данном участке.

3. На каждом интервале участка последовательно осуществить графическое интегрирование функции с определением значения в конце интервала. В случае уменьшения приведенной массы на данном интервале, уменьшить полученное значение энергии пропорционально уменьшению приведенной массы. Используя значение в середине интервала рассчитать значение скорости ведущего звена. Отобразить полученные значения и на соответствующих графиках.

4. Последовательно выполнить пункты 1,2,3 для всех остальных участков отката ведущего звена.

1 удар:

т.:^, v, v

кг

2 удар:

т.: v, v, v и ^

Отключение курка.

: v, v,

Таблица 8.1 Результаты решения уравнения движения

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта по ТММ спроектированы:

· рычажный механизм подачи ленты, поступательный и вращательный кулачки, а также ударный механизм;

· проведен структурный и кинематический анализ;

· проведено динамическое исследование, в результате которого определены скорости движения ведущего звена автоматики за весь период его движения.

Использованная литература

1. Щуклин В. Г, Писарев С. А. Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу «Теория механизмов и машин». — Ижевск: Издание УМИ, 1983. — 38с.

2. Конспект лекций по курсу «Теория машин и механизмов» .