CC BY
59
Список литературы
1. ПрейсВ.В., Усенко Н.А., Давыдова Е.В. Автоматические загру-зочно-ориентирующие устройства. Ч. 1. Механические бункерные загрузочные устройства. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. 125 с.
E. Davidova, I. Davidov
Problems of automatic feeding of piece subjects of processing by mechanical centrifugal hopper feeding devices
Problems of automatic feeding of piece subjects of processing by the mechanical centrifugal hopper feeding devices, consisting in a choice of optimum values of frequencies of rotation and overall dimensions of a disk of the mechanical centrifugal hopper feeding device, level filling the hopper subjects of processing, a material of a disk and a tray, factor of overflow and capacity of a tray of the store, subjects ofprocessing of demanded quality providing giving with the set productivity in the automatic machine are considered.
Получено 19.01.09
УДК 621.01:211.333
М.А. Донченко, канд. техн. наук, доц., (8112) 79-39-95, [email protected] (Россия, Псков, ППИ),
А.Л. Перминов, инж.-электронщик, (8112) 72-40-37, [email protected] (Россия, Псков, ППИ),
Д.В. Гринев, ассист., (8112) 79-39-95, [email protected] (Россия, Псков, ППИ),
А.Н. Иванов, ассист., (8112)-73-73-28, [email protected] (Россия, Псков, ППИ)
ОБЗОР И АНАЛИЗ ЗУБЧАТЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ДЛЯ РОТОРНО-ЛОПАСТНЫХ МАШИН
Приведены обзор и анализ зубчатых механизмов преобразования движения для роторно-лопастных машин. Механизм предназначен для преобразования колеба-телъно-вращателъного движения лопаток в однонаправленное равномерное вращение выходного вала машины.
Ключевые слова: роторно-лопастная машина, преобразование движения.
В последнее время актуальным ста вопрос разработки и проектирования ротор но-лопастных машин. Актуальность подобной проблемы связана с наличием у машин данного типа существенных преимуществ в сравнении с шатунно-поршневой конструкцией: меньшее количество деталей; компактность (отношение эквивалентного рабочего объёма к объёму машины); отсутствие сложных деталей, таких, как коленчатый и распреде-
лительный валы; технологичная для изготовления форма цилиндра; минимальный уровень вибрации за счет симметричности конструкции; меньшие механические потери на трение [1]. Роторно-лопастная конструкция может быть применена для двигателей внутреннего и внешнего сгорания, тепловых насосов, компрессоров, холодильных установок и др. Наиболее перспективным для решения проблемы, связанной с необходимостью уменьшения токсичных выбросов в атмосферу, является создание роторнолопастного двигателя с внешним подводом теплоты. Включение подобного двигателя в состав электрогенерирующей установки актуально с точки зрения энергосбережения [2].
В конструкции роторно-лопастной машины необходим механизм связи - механизм преобразования движения, который должен позволять лопастям совершать колебательное движение друг относительно друга и вращательное движение относительно цилиндрического корпуса, а также суммировать неравномерное движение лопастей и обеспечить равномерное вращение выходного вала. На протяжении многих лет сдерживающим фактором создания и распространения роторно-лопастных машин является несовершенство конструкций предлагаемых преобразователей движения.
В настоящее время существуют различные по принципу действия механизмы преобразования движения для роторно-лопастных машин, которые можно классифицировать на зубчатые и рычажные. Среди зубчатых механизмов можно выделить:
- зубчатые механизмы с эллиптическими колесами;
- планетарные механизмы;
- зубчато-рычажные механизмы.
Зубчатый механизм с эллиптическими колесами состоит из колес, номинальная форма которых - эллипсы. Такая передача имеет переменное (периодическое) передаточное отношение, зависящее от угла поворота в зацепении. Механизм с эллиптическими колесами предложен в патенте немецкого инженера Стерка Мартина [3]. Упрощенная схема такого механизма приведена на рис. 1.
Как видно из рис. 1, механизм состоит из двух одинаковых по конструкции рабочих цилиндров 1. В каждом цилиндре располагаются два ротора с лопатками 2, 3. Роторы с лопатками имеют возможность совершать вращательное движение внутри рабочего цилиндра. Роторы имеют соосные валы (один вал внутри другого), на концах которых жестко закреплены эллиптические колеса (шестерни) 4. Также имеются два дополнительных эллиптических колеса 5, расположенные на выходном валу 6, которые осуществляют синхронизацию вращения эллиптических колес роторов.
Вращательно-колебательное движение роторов в таком механизме достигается за счет переменного передаточного коэффициента зубчатого зацепления колес, которое, в свою очередь, зависит от угла поворота. Путем расчета соответствующих параметров эллиптического колеса можно
обеспечить требуемую характеристику изменения рабочего объема между лопатками и соответственно степень сжатия. Данный механизм обеспечивает плавность изменения скоростей и ускорений звеньев.
Рис. 1. Зубчатый механизм с эллиптическими колёсами Стерка Мартина
Механизмы подобного типа могут использоваться в роторнолопастных машинах. Однако им присущи существенные недостатки. Механизмы, использующие зубчатое зацепление, допускают сравнительно малые нагрузки на валы и опоры, требуют высокой точности передачи, имеют сравнительно большую стоимость изготовления. Эллиптические зубчатые колеса нетехнологичны, т. к. требуют для изготовления сложного специального оборудования. Подобным механизмам присущи шум, вибрации, низкая демпфирующа способность, недостаточно маый угол схождения лопаток (60 о), что снижает КПД машины.
Планетарные механизмы состоя из планетарной зубчатой шестерни, вращающейся вокруг главного неподвижного зубчатого колеса и одного или нескольких рычагов для связи с роторами. Вариантов планетарно-рычажных механизмов достаточно много. Хотя все они отличаются конструктивным исполнением, в то же время имеют общие принципы построения. Общим является и закон движения - он описывается уравнениями эпициклоиды.
Упрощенна конструктивна схема подобных механизмов преобразования приведена на рис. 2.
В механизме предусмотрена планетарна передача, котора состоит из двух зубчатых шестерен: главной 1 неподвижной и шестерни-сателлита
2, котора вращается вокруг главной шестерни. Ось шестерни-сателлита жестко связана с одним из роторов с лопатками 4. Кроме того, на шестер-
не-сателлите шарнирно закреплена вершина рычага 3, вторая вершина соединена с другим ротором 5.
4
5
3
2
1
Рис.2. Упрощённая конструктивная схема планетарно-рычажнлгл механизма
Основными параметрами, влияющими на характер движения роторов, являются радиусы главной шестерни и шестерни-сателлита, дина рычага, а также расположение точки соединения рычага с шестерней-сателлитом.
Упрощенна кинематическа схема планетарно-рычажного механизма представлена на рис. 3.
Механизм состоит из планетарной передачи - внешней (главной) и внутренней (сателлит) шестерен с зубчатым зацеплением, шатуна, четырехзвенного равноплечного ромбоида и двух рычагов-лопастей.
Внутренняя шестерня планетарной передачи совершает вращательное движение относительно основного центра механизма (точка О). Кроме того, внутренняя шестерня совершает вращательное движение относительно своего центра (точка О1). Радиусы шестерен - Я1 и Я2 для внешней и внутренней шестерен соответственно. Центр механизма и центр внутренней шестерни соединены жесткой связью - водилом (0-01), через которую может осуществляться передача механического момента на выходной ва механи зма.
На внутренней шестерне имеется точка закрепления шатуна (точка К), котора находится на расстоянии Я3 от центра О1. Друга вершина шатуна имеет соединение в одной из верши ромбоида (точка С). Конструкция 01-К-С представляет собой кривошипный механизм.
Два рычага-лопасти закреплены в серединах плеч ромбоида. Через рычаги осуществляется передача входного момента через вершину ромбоида внутренней шестерне планетарной передачи. Для описания кинематической схемы используются следующие формулы.
Рис. 3. Кинематическая схема планетарно-рычажного механизма
Коэффициент соотношения радиуса R1 главной шестерни и радиуса R2 сателлита определлется соотношением
k = R1/R2.
Для рассматриваемого варианта k=2.
Для координат центра сателлита справедливы следующие соотношения:
x01 (a) = (R1-R2)cos(a), yoi(a) = (Ri-R2)sin(a).
Координаты: точки K кривошипа определяются по еле дующим формулам:
хк (a) = xoi(a)+ XKi(a)cos(a)- yKi(a)sin (a),
УК (a) = yoi(a) + XKl(a)sin (a) + yKl(a) cos(a), где XKi(a) = R3 •cos(-ka); yKi(a)=R3-sin(-ka).
Здесь R3 - расстояние от центра сателлита (O1) до точки K соединения с шатуном. Фактически это плечо кривошипа.
Угол между лопастями
Lscos(p(a))- R2 - XKi(a)
y(a)= 2arccos
2Li
(i)
где - длина шатуна; Ь - длина рычага-лопасти.
Углы между диагонаями^С, ЕВ и осью х
у 1(а) = у(а)/2, у2(а) = (л - у(а)У2. (2)
Теперь можно определить длины диагонаей АС и ЕВ, соответственно:
Б1(а)= 2Ь1Соб(у1 (а)), Б2(а) = 2Ь1Соб(у2(а)).
Через диагонаи найдём координаты точек А, Е, С, В: ха(а)= Б1(а)сов(а), уд(а) = Б1(а)вт(а),
хс(а) = —ха(а), УС(а) = -УЛ(а), (3)
хв(ос) = Б2(а)сов(а + л/2), ув(а)=Б2(а)вт(а + л/2), ^ '
хэ(а) = -хв(а), ув(а) = -ув(а).
Координаты вершин рычагов-лопастей (точки Е1, Е2, Е3, Е4) вычислим по формулам
Хв1(а) = -Ь1 сов(а + у(а)/2),ув1(а) = -Цбш (а + у(а)/2),
хвзувз(а)=-ув1 (а), (4)
хв2(а) = -Ь1СОБ(а - у(а)/2), ув2(а) =Бт(а - у(а)/2) ,
ХВ4(а ) = -ХВ2 (а ), уВ4(а) = -уВ2(а).
Данные анаетические зависимости послужили основой для проведения кинематического и геометрического анаизов механизма, что позволило выявить соответствующие недостатки. Механизм обеспечивает требуемое преобраование движения. Но из-за того, что движение точек ромбоида А и С и точек Е и В происходит по различным траекториям, наблюдается несимметричность циклов. Кроме того, вся механическая энергия от лопастей передается через единственное соединение ромбоида с планетарной передачей - шатун. В траектории движения точек Е и В при углах 900 и 2700 (с периодом л) наблюдаются резкие скачки скоростей и ускорений, что говорит об отсутствии плавности и безударности работы механизма.
Зубчато-рычажные механизмы состоят из совокупности зубчатых колес, оси вращения которых неподвижны, и рычагов, обеспечивающих передачу соответствующих движений. В качестве примера здесь можно привести механизм Гридина (рис .4) [4].
Механизм выполнен в виде зубчатой передачи с внешним зацеплением, колесо 1 которой жестко связано с лопастным ротором. Шестерня 4 располагается с торца двигателя, имеет неподвижную ось вращения и жестко связана с кривошипом 5, на полуоси 6 которого крепится ползун, скользящий по направляющей 7, жестко закрепленной на вау 8, который имеет неподвижную ось вращения, и кинематическое соединение через зубчатые колеса 9 и 10 с ведущим ваом 11. Механизм лишен вибраций, так как в его конструкции все детали уравновешиваются.
К основным недостаткам можно отнести отсутствие плавности и безударности работы, сложность конструкции, связанную с надчием большого количества зубчатых зацеплений.
11
Рис. 4. Зубчато-рычажный механизм Гридина
Сравнительная оценка зубчатых механизмов по десяти основным критериям, отражающим функциональные, кинематические, динамические, конструктивные, массогабаритные и технологические требования, приведена в таблице.
Результаты сравнения позволяют сделать вывод о том, что зубчатые механизмы в недостаточной степени удовлетворяют требованиям надежной и долговечной работы ротор но-лопастных машин.
Сраенитхьная оценка зубчатых преобразоеатхей движения
Механизм преоб-раования движения Критерии
Л й о ¡5 и й Н Равенство циклов Постоянство скорости выходного вша Степень сжатия Реверсивность Обратимость Плавность хода Уравновешенность Простота схемы газораспределения Простота конструкции
Механизм с эллиптическими колёсами + + + - + + - + - -
Планетарный мех анизм + - + + + - - - - -
Зубчато-рычажный мех анизм + - + + + - - - - -
Возникает необходимость проведения исследований других по принципу действия механизмов преобразования движения, в частности рычажных и рычажно-кулачковых.
Список литературы
1. Лукьянов Ю.Н., Плохов И.В. Применение роторно-лопастных двигателей внешнего сгорания//Сб. науч. тр. «Автоматизация, энергетика, компьютерные технологии». Вып. 1. Псков : Изд-во ППИ. 2007. С. 118-119.
2. Разработка математической модели протекания термодинамического цикла с внешним подводом тепла, позволяющей создать экологически чистый двигатель роторно-лопастного типа: отчет по НИР / ФГУП «ВНТИЦ»; руководитель И.В. Плохов. № госрегистрации 01200850182. 2008. Ч. 1-3.
3. Пат. DE19814742 ФРГ. Kreiskolben-Warmemotor-Vorrichtung. / Sterk Marktin.
4. Роторно-лопастной двигатель Гридина // Энергетика и промышленность России. № 10 (74). 2006.
M. Donchenko, A. Perminov, D. Grinev, A. Ivanov
Review and analysis of the toothed mechanisms for transformation of the motion for a rotor-and-blade machines
Review and analysis of the toothed mechanisms for transformation of the motion for rotor-and-blade machines are considered. This mechanism is used to transform the oscillatory angular motion of blades into the one-way uniform angular resulting motion of the engine shaft.
Получено 19.01.09
УДК 378.1(091):62
И.Л. Волчкевич, канд.техн.наук, доц., (499) 263-64-68, [email protected] (Россия, Москва, МГТУ имени Н.Э. Баумана)
ПРОБЛЕМА ПОДГОТОВКИ
СПЕЦИАЛИСТОВ-МАШИНОСТРОИТЕЛЕЙ
И ОПЫТ ОТЕЧЕСТВЕННОЙ НАУЧНО-ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ
Рассмотрена многоступенчатая система обучения, существовавшая в середине XIX века в предшественнике МГТУ имени Н.Э. Баумана - Московском ремесленном учебном заведении. Приведены основные особенности научно-педагогической школы Императорского московского технического училища, поллчившего награды за систему обучения на всемирных выставках в Вене, Филадельфии и Париже.
Ключевые слова: машиностроение, подготовка специалистов, многоступенчатая сстема.
