CC BY
19
Механика и машиностроение
УДК 621.891.06:621.798.4:664.95
ПРИМЕНЕНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НОМИНАЛЬНЫХ МАШИН (ТРИБОНАДСИСТЕМ) К АНАЛИЗУ КОНСТРУКЦИИ МАНИПУЛЯТОРА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ШТУЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ
© 2011 С. В. Фёдоров, Н.А. Середа
Калининградский государственный технический университет, г. Калининград
Поступила в редакцию 2011
Выделяя машину (механизм) из окружающей среды ее материальными внешними границами, придаем ей смысл системы. Принципиальными подсистемами машин, обладающих основным функциональным смыслом элементов взаимосвязи или объектов трансформации движения, являются пары трения - трибосистемы. Естественно, что по отношению к трибосистемам машины являют собой трибонадсистемы.
Состояние трибосистемы совместимого трения можно оценить коэффициентом трения, который в рамках уравнения энергетического баланса трения [1,2] имеет вид
f = fАДАПТ + fДИС =
ш.
Q
___________________su | SQ
N КОНТ If NКОНТIf S* S*
= Ejs +njs =1
= (1)
Здесь AUe и Q - изменение накопленной скрытой энергии различного рода элементарных дефектов и повреждений структуры контактного объема и мощность динамической диссипации энергии; N и l - нагрузка и путь трения.
В этом уравнении интегральным параметром состояния (повреждаемости и сопротивления движению) трибосистемы является адаптивный коэффициент трения fАДАПТ совместимого трения. Он
связан отношением энтропий f АДАПТ — Spj/S* и
поэтому является параметром вероятности состояния повреждаемости трибосистемы
* АДАПТ = —-
= —— = Беспорядок.
NКОНТ If s*
Диссипативный коэффициент совместимого трения fДИС в данном случае также является интегральным параметром состояния (работоспособности и содействия движению). Он связан отношением
энтропий fДИС = Sq/S* и поэтому является параметром вероятности состояния работоспособности трибосистемы
й §в
fДИС =
N
конт^ /
= Порядок
Энтропия любой термодинамической системы, как величина аддитивная, равна сумме энтропий её отдельных частей (подсистем). Поскольку относительная, критическая (конфигурационная) энтропия трибосистемы равна единице, то число трибосистем в машине (сложной системе) определяет, по сущест-
ву, число машины ПмаСН - степень её сложности
или совершенства. Если учесть, что коэффициенты совместимого трения отдельных трибосистем машины в балансе каждой отдельной трибосистемы всегда меньше единицы, а число машины всегда равно целому числу, то, следовательно, суммы, как адаптивных коэффициентов трения X fАДАПТ1 • так и диссипативных коэффициентов трения X fДИО машины (трибонадсистемы) должны быть
равными также целым числам.При этом возможно сделать вывод - машина обладает именно признаками машины, т.е. она оптимальна, когда сумма адаптивных коэффициентов совместимого трения ее трибосистем становится равной единице n
XfАДАПЛ = 1 •
1
Следовательно, механизм (машина) это устройство, у которого сумма адаптивных коэффициентов совместимого трения (относительных структурных (конфигурационных) энтропий трибосистем) равна единице
n n Stt-
XfАДАПТ = X ДГ2 1 1 s*
r-MACH = tU
1
Отсюда следует, что сумма диссипативных коэффициентов трибосистем машины или относитель-
ных колебательных ( Sq ) энтропий равна числу
машины ПмАСН минус единица
Д Д Sq -MACH
Xf ДИа=Х -ДТ- = fQ =nMACH_1-1 1 s*
В наиболее общем случае возможно для машины (сложной системы) записать следующие соотношения:
г MACH =y^L = ^L + -2. + 2Д + + s
Y s* s* s* s* s*
n =1,0
1245
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
fMACH
JU
nSu±
7 s*
su„
S*
= 1,0
%! SU2 Su3
-+—— +——+
S*
S*
S*
-MACH
fQ
sQi , sQi , SQ3 , J s* s* s* s*
...+
SQn
S*
= nMACH
1,0
J-MACH
fMACH -гМАСИ
fu +fQ
nMACH ,
которым целесообразно придать смысл наиболее характерных уравнений машины. Здесь, параметры
fMACH
г. MACH fU
-MACH
, fQ
обобщенные коэф-
фициенты трения машины как трибонадсистемы.
Полученная выше информация об обобщённых свойствах машин (трибонадсистем), позволяет выявить и рассмотреть некоторые столь же характерные количественные признаки идеальных (номинальных) машин, т.е. машин, обладающих оптимальными свой-n
ствами. Из правила ^ f АДАПТ1 ~ 1 следует, что не 1
все числовые значения адаптивных коэффициентов совместимого (оптимального) тренияХ! ^АДАПТ!
могут в сумме дать единицу, а только вполне определенные (табл. 1).
Таблица 1. Возможный ряд трибосистем, образующих машину (трибонадсистему)
f АДАПТ i f дна 1
ПМАСН “ „ f адапл
0,5 0,5 2
0,25 0,75 4
0,2 0,8 5
0,1 0,9 10
0,05 0,95 20
0,04 0,96 25
0,025 0,975 40
0,02 0,980 50
0,01 0,990 100
0,005 0,995 200
0,004 0,996 250
0,0025 0,9975 400
0,002 0,998 500
0,001 0,999 1000
0,0005 0,9995 2000
0,0004 0,9996 2500
0,00025 0,99975 4000
0,0002 0,9998 5000
0,0001 и т.д.
Для рычажных механизмов, образованных по правилу Л.В. Ассура, использование величин номинальных коэффициентов трения (см. таблицу 1) позволяет реализовать теоретическое правило идеаль-
n
ной машины (механизма) [1], т.е. Х^АДАПЛ = 1
1
Как видно из табл. 2 правило трибооптимальной машины (механизма) для количества трибосистем, получаемых в рамках структурного анализа механизмов, выполняется. Таким образом, подтверждается объективность правила трибооптимальной машины (механизма), предложенного в работах [1-5], и его практическая целесообразность.
Таблица 2. Подбор коэффициентов трения в трибосистемах для плоских рычажных механизмов
№ п/п n Р5 nMACH Zf АДАПЛ
1 2 3 7 0,25X4=1,0
2 4 6 7 0,05+0,25+(0,2Х Х2)+0,1ХЗ)=1,0
3 6 9 10 0,1X10=1,0
4 8 12 13 (0,05X8)4-0,2+ +0,1 Х4)=1,0
5 10 15 16 0,05Х12)+(0,1Х4)=1,0
6 12 18 19 0,1+(0,05 X18)=1,0
В табл. 2 приняты следующие обозначения: n -число звеньев механизма присоединяемой структурной группы; Р5 - число кинематических пар пятого
класса присоединяемой структурной групп-пы Л.В. Ассура. Практический интерес представляет применение правила трибооптимальной машины при создании машин [5 - 9]. Рассмотрим кинематическую схему разработанного манипулятора для передачи штучных изделий [10, 11], представленную на рис. 1. Устройство содержит передаточный механизм 1, исполнительный механизм 2 с губками 3 для захвата изделий и привод 4.
Рис. 1. Кинематическая схема манипулятора для передачи штучных изделий.
Передаточный механизм 1 выполнен в виде многозвенного кривошипно-кулисного механизма, включающего кривошип 5, ползун 6, поворотное звено 7, кулису 8, подвижно соединённую с ползуном 6 и звеном 7, выходное звено 9, установленное в неподвижных прямолинейных направляющих 10 и
1246
Механика и машиностроение
шарнирно связанное с кулисой 8. Исполнительный механизм устройства содержит ведущее звено 9, выходные звенья 11 и 12 с губками 3 для захвата изделий, палец 13 для шарнирной связи выходных звеньев 11 и 12 с ведущим 9, копир 14 с фигурными пазами 15 и 16 для взаимодействия с роликами 17 и 18, смонтированными на свободных концах выходных звеньев. Отдельно для передаточного механизма получим следующие значения числа звеньев n = 4 (ползун 6, звено 7, кулиса 8, выходное звено 9) и числа кинематических пар пятого класса Р5 = 6 присоединяемой структурной группы, а также степень сложности передаточного механизма ПмАСН = 7 .Исполнительный механизм содержит в кинематической цепи высшую пару, которую можно представить как две низшие пары (шарнир вращения и ползун - плоскость) и одно звено (ползун). На основании сказанного отдельно для исполнительного механизма (без учёта дублирующей связи, образующей захват) запишем: n = 2 (выходное звено 11, звено, получающееся от замены высшей пары двумя низшими) Р5 = 3 . В итоге степень сложности исполнительного механизма ПМАСН —4. В целом, устройство для передачи штучных изделий будет иметь следующие параметры: п = 6, Р5 = 9. По таблице 2 п^дод = 10 . Согласно теоретическим представлениям [1 - 5], рассмотренным выше, разработанное устройство для передачи штучных изделий как трибооптимальная машина должно иметь коэффициенты трения во всех парах трения, равные 0,1 (см. строку 3 в таблице 2).Таким образом, на основании изложенного можно обозначить ряд выводов:
1) теоретическое правило трибооптимальной машины позволяет на стадии проектирования принципиальной конструкции машины предложить величины значений коэффициентов трения в элементах кинематический пар;
2) по заранее известным значениям коэффициентов трения в парах трения далее можно предлагать конструкцию пар трения и соответственно способ её смазывания;
3) при наличии в конструкции пар трения с различными значениями коэффициентов трения возможна проработка нескольких конструктивных вариантов пар трения, подчинённая требованиям экономической и габаритно-конструктивной целесообразностям;
4) при необходимости создания форсированных машин, согласно данным таблице 1, следует при неизменном числе звеньев и пар трения переходить к величинам адаптивных коэффициентов трения более низких значений по сравнению с величинами их значений для соответствующей (базовой) номинальной машины (механизма).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фёдоров С.В. Основы трибоэргодинамики и физикохимические предпосылки теории совместимости. - Калининград: КГТУ, 2003. - 416 с.
2. Фёдоров С.В. Аксиоматичность машинного трения // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2006. - №
2. - С. 18-27.
3. Фёдоров С.В. Основы эргодинамики деформируемых тел и трибоэргодинамики // Инженерный журнал. Справочник. Приложение. -2010. - №8.
4. Фёдоров С.В. Трибоэнергетичес-кий и энтропийный анализ структуры машины // Инновации в науке и образовании - 2008: Тр. междунар. науч. конф. (23 - 25 окт. 2008 г.): Калининград, 2008. - Часть 2. - С. 99 - 102.
5. Фёдоров С.В. Диссипативный коэффициент совместимого трения - коэффициент полезного действия трибосистемы // Инновации в науке и образовании - 2008: Тр. междунар. науч. конф. (23 - 25 окт. 2008 г.): Калининград, 2008. - Часть 2. - С. 97 - 99.
6. Фёдоров С.В., Середа Н.А. Уточнение силового анализа кинематических цепей механизмов с учётом сил трения // Вестник РАЕН. - Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2010. - С. 146 - 150.
7. Фёдоров С.В., Середа Н.А. Метод определения коэффициентов трения в кинематических парах рычажных механизмов // Известия КГТУ. - 2010. - № 18. - С. 189 -193.
8. Фёдоров С.В., Середа Н.А. Метод подбора коэффициентов трения для шарниров простейших рычажных механизмов // Инновации в науке и образовании - 2010: Тр. междунар. науч. конф. (18 - 20 окт. 2010 г.): Калининград, 2010. - Часть 1. - С. 170 - 172.
9. Фёдоров С.В., Середа Н.А. Метод оценки и подбора коэффициентов трения в парах трения рычажных механизмов пищевых машин // Известия КГТУ. - 2011. - « 21. - С. 47 - 51. Середа Н.А.
10. Пат. № 2009101727/02, 20.01.2009. Горлатов А.С., Середа Н.А. Устройство для передачи изделий // Патент России № 2412046. 2011. Бюл. №5.
11. Середа Н.А. Исследование и разработка манипулятора с переменной в интервале кинематического цикла рабочей длиной кулисы // Материалы Всероссийской НТК «Современные тенденции развития перерабатывающих комплексов, пищевого оборудования и технологии пищевых производств: Владивосток, 2011. - С. 174 - 177.
THE APPLICATION TRIBOPROPERTY OF THE NOMINAL MACHINES (TRIBOSUPERSYSTEM) TO THE ANALYSIS OF THE CONSTRUCTION MANIPULATOR’S FOR TRANSFER OF PIECE WARES
© 2011 S.V. Fedorov, N.A. Sereda
Kaliningrad State Technical University, Kaliningrad
1247
