CC BY
27
Машиностроение U компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278 УДК 621.01
Исполнительный орган ударных машин на основе дезаксиального кривошипно-ползунного механизма с разделяющимся ползуном
Каримбаев Т.Т.1'*, Укуев Б.Т.1 'tJkarimbae-vigrnailju
кыргызский государственный университет строительства, транспорта и архитектуры имени Н.Исанова, Бишкек, Кыргызстан
Рассмотрены особенности работы исполнительного органа ударных машин на основе кривошипно-ползунного механизма с разделяющимся ползуном. Предложено увеличить эффективность работы механизма путем использования его дезаксиального варианта. Определены зависимости для синтеза основных параметров исполнительного органа.
Ключевые слова: механические генераторы силовых импульсов, кривошипно-ползунный механизм переменной структуры, дезаксиальный кривошипно-ползунный механизм с разделяющимся ползуном
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 07. С. 1-12.
Б01: 10.24108/0718.0001399
Представлена в редакцию: 15.06.2018
© НП «НЭИКОН»
Введение
Для выполнения различных технологических операций, связанных с обработкой и разрушением материалов, необходимы усилия с большой амплитудой и очень малой продолжительностью. Такие ударные импульсы генерируются специальными устройствами -импульсными генераторами, которые могут быть гидравлическими, пневматическими, электромагнитными или механическими. Механические генераторы силовых импульсов могут быть созданы на основе различных механизмов [1 - 5], среди которых наиболее соответствующие по своим кинематическим возможностям являются механизмы переменной структуры. В Институте машиноведения НАН КР было предложено использовать в качестве механического генератора силовых импульсов двухкривошипно-ползунный механизм переменной структуры [6], ползун которого представляет собой взаимодействующие друг с другом поводок и боек. Проведенные теоретические исследования и испытания экспериментальных образцов выявили наличие значительных динамических нагрузок на привод, вызванные ударным характером взаимодействия поводка с бойком, а также высокие требования к точности изготовления и сборки.
Для устранения указанных недостатков была предложена схема ударной машины с кривошипно-ползунным механизмом с разделяющимся ползуном, поводок и боек которой взаимодействуют друг с другом посредством воздушной подушки [7 - 11]. К недостаткам этого механизма можно отнести равенство времени рабочего и холостого ходов. Иными словами, коэффициент изменения средней скорости ползуна равен единице. Но применительно к ударной машине желательно, чтобы этот коэффициент был больше единицы, что позволило бы разогнать боек при рабочем ходе до большей скорости, п также создать более благоприятные условия для осуществления холостого хода. Увеличить коэффициент изменения средней скорости ползуна можно путем смещения опоры кривошипа в направлении, перпендикулярном траектории движения ползуна, превратив механизм в дезакси-альный. В данной работе, исходя из заданных значений частоты и энергии удара, а также условий обеспечения работоспособности и компактности ударной машины, произведен синтез основных параметров исполнительного органа дезаксиального кривошипно-ползунного механизма с разделяющимся ползуном. Следует отметить, что процесс взаимодействия поводка с бойком при наличии воздушной подушки между ними носит сложных характер, но к моменту нанесения удара по инструменту боек движется по инерции, независимо от звеньев кривошипно-ползунного механизма, поэтому в данной работе рассматриваются только параметры механизма, позволяющие разогнать поводок (а, следовательно, и боек) до максимальной скорости.
Синтез основных параметров механизма
На рис.1 приведена [12] исходная схема кривошипно-ползунного механизма переменной структуры с разделяющимся ползуном, имеющим коэффициент изменения средней скорости ползуна, равный единице.
Рис. 1. Схема кривошипно-ползунного механизма с разделяющимся ползуном. 1 - кривошип, 2 - шатун,
3 - поводок, 4 - боек, 5 - корпус.
Механизм имеет также устройства, фиксирующие поводок 3 относительно бойка 4 и боек 4 относительно корпуса 5 (на схеме не показаны).
При рабочем ходе кривошип 1, вращаясь из правого крайнего положения против часовой стрелки, перемещает поводок 3 в сторону инструмента, при этом зафиксированный относительно корпуса 5 боек 4 остается в правом крайнем положении. Поводок 3, пере-
мещаясь по бойку 4, запирает воздушную полость и в ней образуется воздушная подушка 6 (рис.2).
Рис. 2. Схема механизма при наличии воздушной подушки. 1 - кривошип, 2 - шатун, 3 - поводок, 4 - боек,
5 - корпус, 6 - воздушная подушка
Дальнейшее движение поводка 3 вызывает увеличение давления воздушной подушки, что приводит в определенный момент к размыканию бойка 4 от корпуса 5. С этого момента боек 4 начинает набирать скорость, которая, главным образом, зависит от геометрических, кинематических и физических параметров и свойств звеньев механизма и воздуха. Скорость поводка 3 при рабочем ходе вначале возрастает, а затем снижается до нуля, в то время как скорость бойка 4 после отрыва от корпуса 5 постоянно возрастает до момента раскрытия воздушной полости, после чего боек 4 движется по инерции до момента нанесения удара по инструменту.
При достижении кривошипом 1 крайнего левого положения поводок 3 меняет направление движения, начинается холостой ход, в процессе которого происходит фиксация поводка 3 с бойком 4, их совместное движение до их исходного положения, из которого начнется следующий рабочий ход.
Проблему увеличения коэффициента изменения средней скорости ползуна можно решить путем использования дезаксиального кривошипно-ползунного механизма с разделяющимся ползуном (рис.3).
Рис. 3. Схема дезаксиального кривошипно-ползунного механизма с разделяющимся ползуном 1 - кривошип, 2 - шатун, 3 - поводок, 4 - боек, 5 - корпус, 6 - воздушная подушка.
Данный механизм работает аналогично предыдущему механизму, с той разницей, что за счет дезаксиала средняя скорость рабочего хода больше, чем при холостом ходе, а
продолжительность рабочего хода меньше, чем холостого хода, с вытекающими отсюда вышеуказанными преимуществами по сравнению с предыдущей схемой.
Выбор параметров дезаксиального кривошипно-ползунного механизма с разделяющимся ползуном будем производить, исходя из следующих начальных условий:
1. Энергия удара - Е, Дж;
2. Частота ударов - п, Гц;
3. Скорость соударения инструмента с обрабатываемой средой - V, м/с;
4. Коэффициент отскока инструмента - к. Введем следующие обозначения:
¡1 - длина кривошипа, м;
¡2 - длина шатуна, м;
¡о - величина дезаксиала, м;
к
К0 — 1 > 11
к
к2 = т■ 11
Если не учитывать энергию, требуемую на нагрев инструмента и обрабатываемой среды, а также, учитывая то, что при отскоке часть энергии бойка не передается в обрабатываемую среду, можно записать:
тр2 т(рк)2 Е=~ 2 '
где т - масса бойка, кг
Отсюда находим массу бойка:
2 Е
т =
v2(l -к2)'
Исходя из частоты ударов n, находим угловую скорость вращения кривошипа:
со = 2лп.
Механизм в произвольном положении показан на рис.4.
Рис. 4. Дезаксиальный кривошипно-ползунный механизм
Введя систему координат и взяв в качестве обобщенной координаты угол поворота кривошипа, имеем следующие соотношения для определения положений и скоростей ведомого звена:
хв = cos ф — J¿2 — (10 + Zisin <р)2 ,
( 1г coscp (Z0 + 1г sin<p)\
vB = —1г sin (р + — ш
V л/г2 — (г0 + Sin <р)2/
или
vB ( cos<p(/c0 + sin<p) \
— = sin (р + — ú) .
ll V - +sin<p)2/
Графики аналогов скоростей ползуна при к2 = 2 и различных значениях коэффициента к0 представлены на рис.5. Из графиков видно, что большим значениям коэффицинта к0 соответствуют большие значения максимальных скоростей ползуна при рабочем ходе, причем угол поворота кривошипа при этом соответсвует приблизительно 120 градусам.
h
Рис. 5. Графики аналогов скоростей ползуна при к2 = 2 и различных значениях коэффициента к0
Влияние коэффициентов к0 и к2 на максимальную величину скорости ползуна исследуем посредством математического пакета МаШСАО. На основе полученных значений максимальных скоростей была получена ниже приведенная матрица значений этих скоростей, в которой индексам строк соответствуют значения коэффициента к2, а индексам столбцов - значения коэффициента к0.
'-1.123 -1.206 -1.334 -1.553
-1.079 -1.128 -1.195 -1.29
-1.055 -1.088 -1.131 -1.188
-1.04 -1.064 -1.095 -1.133
-1.031 -1.049 -1.072 -1.1
-1.024 -1.039 -1.056 -1.078
t -1.02 -1.031 -1.045 -1.063
Коэффициент к2 изменяется в пределах от 2 до 5 с шагом 0,5. На основе данной матрицы была построена поверхность значений максимальной скорости ползуна в зависимости от коэффициентов к0 и к2 (рис. 6).
Рис. 6. Поверхность значений максимальной скорости ползуна в зависимости от коэффициентов к0 и к2
Анализ полученной поверхности показывает, что максимальные скорости ползуна соответствуют большим значениям коэффициента к0 и меньшим значениям коэффициента к2, т.е. большим значениям величины дезаксиала и меньшим значениям величины шатуна.
На выбор параметров звеньев рассматриваемого механизма определенное влияние оказывает также трение между соприкасающимися поверхностями поводка и бойка. В исходном для рабочего хода положении необходимо обеспечить условия нахождения угла давления шатуна на поводок вне конуса трения (рис. 7).
Рис. 7. Начальное положение рабочего хода
По определению,
Ftp ~
тр
отсюда
Из рис. 7 видно, что Получаем
в = Arctg fTр . ¿о < (h ~ h) cos ö ■
^o < (^2 — l)cos (arctg /тр) .
Рассмотрим влияние размеров звеньев механизма на габариты ударной машины. Габариты механизма определяют следующие параметры: высота : I о + 1 i , ширина:
Без учета глубины габариты минимальны при
(/с0 + 1)(/с2 + 1) => min.
Видим, что оба коэффициента оказывают приблизительно одинаковое влияние на габариты машины в целом.
Заключение
На основании выше изложенного можно заключить, что при синтезе основных параметров исполнительного органа дезаксиального кривошипно-ползунного механизма с
разделяющимся ползуном скорость вращения кривошипа выбирается, исходя из заданной частоты ударов машины, масса бойка - из энергии удара, рациональная длина кривошипа определяется из следующего соотношения:
I V
1 Зпп '
Величина шатуна
h ~ 2/х .
Величина дезаксиала
l0 « 0,75/i.
Список литературы
1. Алимов О.Д., Манжосов В.К., Филипповский В.П. Механические импульсные генераторы с шарнирно-рычажным захватывающим устройством. Фрунзе: Илим, 1975. 148 с.
2. Усубалиев Ж., Эликбаев К.Т., Кынатбекова Н.Н. Классификация механических ударных механизмов // Машиноведение. 2016. № 1(3). С.10 - 17.
3. Еремьянц В.Э. Влияние коэффициента восстановления скорости при ударе на динамику кривошипно-коромысловых ударных машин // Машиноведение. 2017. № 1(5). С. 19 - 26.
4. Еремьянц В.Э. Динамика кривошипно-коромысловых ударных механизмов // J. of Advanced Research in Technical Science. 2017. No. 4. Pp. 30-35.
5. Исманов О.М. Ручные перфораторы с ударно-поворотным механизмом - новое направление в области создания машин на основе механизмов переменной структуры // Машиноведение. 2017. № 1(5). С. 3 - 11.
6. Джуматаев М.С., Каримбаев Т.Т., Уркунов З.А., Баялиев А.Ж. Применение информационных технологий при исследовании динамики ударной машины с двухкривошипно-ползунным механизмом переменной структуры // Вестник Кыргызского гос. ун-та строительства, транспорта и архитектуры (КГУСТА). 2011. Т. 1. № 2(32). С. 102 - 107.
7. Джуматаев М.С., Каримбаев Т.Т., Уркунов З.А., Баялиев А.Ж. Моделирование движения звеньев с учетом зазора между сопрягаемыми поверхностями поводка и бойка // Ин-т машиноведения Национал. акад. наук Кыргызской Республики (НАН КР). Сб. науч. тр. 2010. Вып. 7. С. 83 - 91.
8. Джуматаев М.С., Каримбаев Т.Т., Баялиев А.Ж. Ударный механизм: пат. 1742 Кыргызская Республика. 2015. Бюл. № 5. 3 с.
9. Джуматаев М.С., Каримбаев Т.Т., Баялиев А.Ж. Ударные механизмы с разделяющимся бойком. Бишкек: Илим, 2015. 137 с.
10. Джуматаев М.С., Каримбаев Т.Т., Баялиев А.Ж. Моделирование движения звеньев ударной машины с кривошипно-ползунным механизмом с разделяющимся ползуном // «Проблемы механики современных машин»: Материалы VI Междунар. конф. Улан-Удэ: Изд-во Восточно-Сибир. гос. ун-та технологий и управления, 2015. Т. 2. С. 81 - 86.
11. Джуматаев М.С., Каримбаев Т.Т., Баялиев А.Ж. Анализ влияния длины воздушной камеры на динамические параметры ударной машины с разделяющимся ползуном // Машиноведение. 2017. № 2(6). С. 29 - 37.
12. Каримбаев Т.Т. Моделирование движения звеньев кривошипно-ползунного механизма с разделяющимся ползуном и воздушной подушкой // Вестник Кыргызского гос. ун-та строительства, транспорта и архитектуры (КГУСТА). 2013. № 4. С. 222 - 226.
Mechanical Engineering & Computer Science
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278
Mechanical Engineering and Computer Science, 2018, no. 07, pp. 1-12.
DOI: 10.24108/0718.0001399
Received: 15.06.2018
© NP "NEICON"
Operating Member of Shock Machines Based on the Non-axial Slider-crank Mechanism with a Disjointed Slider
T.T. Karimbaev1'*, B.T. Ukuev1 'tJkarimba&vigmailju
:Kyrgyz State University of Construction, Transport and Architecture n.a. N. Isanov, Bishkek, Kyrgyzstan
Keywords: mechanical generators of force pulses, crank-slider mechanism of variable structure, nonaxial crank-slider mechanism with the divided slider
To perform various technological operations to process and destruct materials, power pulses of high amplitude and very short duration are necessary. Special devices, which can be hydraulic, pneumatic, electromagnetic or mechanical pulse generators, generate such shock pulses. Mechanical generators of power pulses can be based on the various mechanisms, many of which are among the mechanisms of a variable structure.
The Machinery Researching Institute of National Academy of Sciences of Kyrgyz Republic has offered to use the crank-slider mechanism of a variable structure with a disjointed slider in the shock machines. The operation aspect of this mechanism is that at the beginning of the working course a lead (drive dog) and a hammer block, which form the slider, make a joint movement, are separated when the lead movement slows down, and then upon the shock of the hammer block to the tool and the mechanism being under idle operation these two parts again make a joint movement.
The shortcoming of this mechanism is that its coefficient of the changing average speed of the slider is equal to unit. But as to the shock machine, it is desirable for this coefficient to be higher than one. In this case the average speed of the slider at the working course will be higher than when idling, and the hammer block can have the higher speed. Also it should be noted that when idling there are more favorable conditions to fix the hammer block, which has made a rebound after the shock to the tool, with a lead at great values of the coefficient of the changing average speed of the slider.
The coefficient of the changing average speed of the slider can be increased through the crank support shift in direction, perpendicular to the trajectories of the slider movement, by converting an axial mechanism into the non-axial one. Based on the specified values of frequency and energy of blow and also conditions for ensuring the working capacity and compactness of
the shock machine, the paper makes synthesis of key parameters of the operating member of the non-axial slider-crank mechanism with the disjointed slider.
References
1. Alimov O.D., Manzhosov V.K., Filippovskij V.P. Mekhanicheskie impul'snye generatory s sharnirno-rychazhnym zakhvatyvayuschim ustrojstvom [Mechanical pulse generators with hinge-lever gripping device]. Frunze: Ilim Publ., 1975. 148 p. (in Russian).
2. Usubaliev J., Elikbaev K.T., Kynatbekova N.N. Classification of mechanical shock mechanisms. Mashinovedenie [Mechanical Engineering], 2016, no. 1(3), pp. 10-17 (in Russian).
3. Erem'iants V.E. Influence of the speed recovery coefficient after impact on dynamics crank-rocker impact machines. Mashinovedenie [Mechanical Engineering], 2017, no. 1(5), pp. 19-26 (in Russian).
4. Erem'iants V.E. Dynamics of crank-rocker impact mechanisms. J.of Advanced Research in Technical Science, 2017, no. 4, pp. 30-35 (in Russian).
5. Ismanov O.M. Hand drills with impact-rotary mechanisms - a new direction in the field of machines based on variable structure mechanisms. Mashinovedenie [Mechanical Engineering], 2017, no. 1(5), pp. 3-11 (in Russian).
6. Djumataev M.S., Karimbaev T.T., Urkunov Z.A., Bayaliev A.Zh. The use of information technology in the study of the dynamics of the impact machine with a two-crank-slide mechanism of variable structure. Vestnik Kyrgyzskogo gosudarstvennogo universiteta stroitel'stva, transporta i arkhitektury [News of the Kyrgyz State Univ. of Construction, Transport and Architecture], 2011, vol. 1, no. 2(32), pp. 102-107 (in Russian).
7. Djumataev M.S., Karimbaev T.T., Urkunov Z.A., Bayaliev A.Zh. Simulation of movement of links taking into account the gap between the mating surfaces of the leash and striker. Institut mashinovedeniia Natsional'noj akademii nauk Kyrgyzskoj Respubliki. Sbornik nauchnykh trudov [Proc. of the Institute of Mechanical Engineering of the National Academy of Sciences of Kyrgyz Republic], 2010, no. 7, pp. 83-91 (in Russian).
8. Djumataev M.S., Karimbaev T.T., Bayaliev A.Zh. Udarnyj mekhanizm [Firing mechanism]. Patent KR, no. 1742. 2015 (in Russian).
9. Djumataev M.S., Karimbaev T.T., Bayaliev A.Zh. Udarnye mekhanizmy s razdeliayuschimsia bojkom [Impact mechanisms with split striker]. Bishkek: Ilim Publ., 2015. 137 p. (in Russian).
10. Jumataev M.S., Karimbaev T.T., Bayaliev A.J. Modelirovanie dvizheniia zven'ev udarnoj mashiny s krivoshipno-polzunnym mekhanizmom s razdeliayuschimsia polzunom [Modeling of the motion of the links of the striking machine with crank-slider mechanism with dividing slider]. Problemy mekhaniki sovremennykh mashin: Materialy VI Mezhdunarodnoj konferentsii [Problems of mechanics of modern machines: 6th Intern. conf.]: Proc. Ulan-Ude, 2015. Vol. 2. Pp. 81-86 (in Russian).
11. Djumataev M.S., Karimbaev T.T., Bayaliev A.Zh. Analysis of the influence of an air chamber length on dynamic parameters of shock machine with a split-up slide block. Mashinovedenie [Mechanical Engineering], 2017, no. 2(6), pp. 29-37 (in Russian).
12. Karimbaev T.T. Simulation of the movement of the crank-slider mechanism links with a separating slider and an air cushion. Vestnik Kyrgyzskogo gosudarstvennogo universiteta stroitel'stva, transporta i arkhitektury [News of the Kyrgyz State Univ. of Construction, Transport and Architecture], 2013, no.4, pp. 222-226 (in Russian).
