Разработка методов структурного и кинематического синтеза клиновых и винтовых механизмов четвертого семейства

В последние годы в Российской Федерации все более заметным становится развитие информатики и связи, транспорта, экспорта сырьевых ресурсов. Существенное внимание уделяется модернизации машиностроения, развитию обрабатывающей промышленности, созданию высокотехнологичных и инновационных производств. Получила развитие практика важнейших национальных проектов.

Перспективы коренного развития машиностроения могут основываться лишь на новейших, интенсивных технологиях с привлечением принципиально новых технических решений. Теория механизмов и машин, являясь основополагающей научной базой машиноведения, должна и вполне в состоянии сыграть роль движущего импульса в поиске новых научных и технических решений.

В последние годы учеными и практиками все большее внимание обращается на новейшие научные разработки, на поиск новых видов машин и механизмов. Одним из таких направлений является использование в практике механизмов, относящихся к так называемым механизмам четвертого семейства по классификации академика Артоболевского И. И. Это направление, являясь недостаточно проработанным, требует решения ряда классических задач, начиная с задач структурного синтеза, кинематического и кинетостатического анализа, поиска новых технических решений. В настоящей работе реализованы алгоритмы поиска кинематических цепей четвертого семейства по заданным требованиям и параметрам, предлагаются методы решения задач кинематики клиновых механизмов, дается метод поиска схем пространственных винтовых механизмов, на основе которого могут создаваться так называемые редуктора поступательного движения.

Актуальность работы.

Одними из широко используемых механизмов являются механизмы, обеспечивающие поступательное перемещение ведомых звеньев с большими усилиями и на существенное расстояние. До настоящего времени в качестве механизмов поступательного действия применялись исключительно — линейные гидравлические машины. Одним из недостатков таких машин является использование гидравлического привода, что требует создания маслонасосных станций, шлангов высокого давления, емкостей под рабочую жидкость, большой объем самой рабочей жидкости и борьбы с утечкой. Серьезной альтернативой таких машин могут быть винтовые редуктора поступательного движения.

В 1990 г. в Сибирском государственном индустриальном университете под научным руководством профессора Л. Т. Дворникова были начаты исследования, посвященные разработке новых подходов к решению задач синтеза структур пространственных и плоских механических систем любой сложности. Эти исследования позволили найти некоторые новые схемы машин, показали, что проблема эта не потеряла своей актуальности. В связи с выходом на новые задачи актуальность поиска структур приобрела существенную значимость.

Целью настоящего исследования является создание метода структурного синтеза кинематических цепей четвертого семейства, с помощью которого возможно было бы синтезировать многообразие конструктивных схем кинематической цепи с заданной подвижностью, включая и нулевой подвижности (группы Ассура), и развитие метода на разработку новых видов механизмов, названных редукторами поступательного движения.

Методика исследований.

В диссертации использованы известные и оригинальные методы анализа и синтеза структуры плоских клиновых и пространственных винтовых механизмов, графоаналитические методы исследования их кинематики и кинетостатики, методы макетирования и эксперимента.

Достоверность результатов подтверждается реальными алгоритмами поиска новых структур механизмов четвертого семейства по заданным условиям. Создание новых механизмов, названных «Редукторами поступательного движения» подтверждено патентами РФ № 2 150 626 от 11.05.1999 г. и № 2 184 290 от 05.07.2000 г. Работа завершается актом о внедрении результатов научных исследований в ООО «КузнецкПромМонтаж» при проектировании и создании прессовых конструкций.

На защиту выносятся:

— обоснование необходимых и достаточных условий образования цепей четвертого семейства;

— метод синтеза структур плоских цепей четвертого семейства;

— метод синтеза нераспадающихся на более простые групп Ассура четвертого семейства;

— установление признаков отличий кинематических цепей друг от друга и нахождение полного состава механизмов четвертого семейства;

— новые подходы к созданию пространственных винтовых механизмов на основе их плоских клиновых аналогов;

— алгоритм синтеза новых механизмов, названных редукторами поступательного движения, и обоснование условий их полной работоспособностиметодика кинематического анализа и синтеза редукторов поступательного движения. Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и представлялись: — На шестой, седьмой, восьмой, девятой, двенадцатой, тринадцатой, четырнадцатой и шестнадцатой научно-практических конференциях по секции машиностроения и горных машин (г. Новокузнецк, с 1997 г. по 2005 г.);

— На региональном конкурсе «Инновации и изобретения года» при Администрации Кемеровской области и торгово-промышленной палаты. Кемерово — 2004 г;

— На международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых СТТ 2005 г. Томск 2005 г;

— В центре научно-технической информации, ЦНТИ г. Кемерово, 2005 г;

— Работа автора была признана победителем конкурса 2003 г. на соискание грантов для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России (Приказ № 4288, от 19.11.2003).

Публикации.

Основное содержание диссертации отражено в семи научных статьях, двух изобретениях и одному решению о выдаче патента на изобретение. Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 52 наименования и приложения. Общий объем работы: 154 — страниц, 12 — таблиц, 82 -рисунка.

Заключение

.

Диссертация посвящена разработке методов синтеза и классификации структур цепей четвертого семейства. В ней, в частности решены следующие основные задачи:

1. Использование универсальной структурной системы Дворникова Л. Т. обеспечивает возможность алгоритмичного структурного синтеза цепей четвертого семейства. Общее решение структурной системы, найденное в работе, позволяет по независимым параметрам IV (подвижность) и т (сложность базисного звена) находить числа звеньев и кинематических пар, сложность всех используемых звеньев и строить структурные цепи четвертого семейства во всем их разнообразии.

2. Нераспадающиеся на более простые группы Ассура четвертого семейства содержат в своем составе изменяемые замкнутые контуры, причем количество этих контуров определяется сложностью базисного звена (г). Алгоритм поиска нераспадающихся групп Ассура четвертого семейства основывается на утверждении, что все звенья без исключения должны быть использованы в образовании замкнутых изменяемых контуров.

3.

Введение

понятия числа сторон кинематической цепи и распределение этих сторон между выходами позволило обосновать полный перечень признаков, отличающих механизмы друг от друга, и обосновать составление так называемого «древа процедур», необходимых для установления усложняющихся по признакам механизмов четвертого семейства. Состоятельность разработанного «древа процедур» доказана проведением синтеза механизмов с числом подвижных звеньев от п = 1 до п=5.

4. Между клиновыми и винтовыми механизмами существует органическая связь. В зависимости от углов наклона резьб в винтовых парах, движение звеньев может изменяться от поступательного до поворотного. В состав механизмов четвертого семейства могут входить только поступательные и пространственные винтовые кинематические пары, последние при определенных условиях могут вырождаться либо в поступательные, либо в поворотные кинематические пары. Поворотная кинематическая пара имеет принципиальное отличие от вращательной.

На основе поворотных винтовых пар возможно построение новых видов механизмов, названных автором редукторами поступательного движения (РПД). Под РПД понимается механизм способный осуществлять передачу поступательного движения с определенной редукцией, а также вариаторов поступательного движения — механизмов способных передавать поступательное движение с редукцией, определяемой условиями сопротивления (торможения). Разработанная методика структурного синтеза редукторов поступательного движения позволяет, основываясь на плоских клиновых цепях, создавать всевозможные схемы РПД, состоящие из любого числа подвижных звеньев. Работоспособность РПД определяется критическими углами резьб в винтовых парах, обеспечивающих исключение эффекта самоторможения и тем самым гарантирующих его работоспособность.

5. Разработанная методика кинематического исследования редукторов поступательного движения позволяет выбирать необходимые углы наклона резьб в винтовых парах, обеспечивающие требуемую редукцию как простых (четырехзвенных РПД), так и более сложных, включающих в свой состав нераспадающиеся группы.

Ассура.

Введение

понятия ступеней редуктора поступательного движения и обоснование методики определения передаточного отношения отдельных ступеней и редуктора в целом позволило перейти к задаче кинематического синтеза РПД и решить ее.

Таким образом, изложенная методика может быть использована для осуществления проектных и конструкторских работ, а созданные по этой методике винтовые механизмы способны заменить гидравлические т.к. обладают рядом бесспорных преимуществ.

Алгоритмичное решение задач синтеза плоских механизмов высоких классов дает возможность получать уникальные и надежные механизмы, обладающие особыми качествами. Алгоритмичность решения задач синтеза структур механических систем позволит перейти к созданию компьютерных программ.

Таким образом, в диссертации разработан метод синтеза структур цепей четвертого семейства, доказана его целесообразность на примере синтеза нераспадающихся групп Ассура, механизмов четвертого семейства и пространственных винтовых механизмов. Практический результат защищен патентами на изобретение.