CC BY
83
Podgorbunskij Vasilij Aleksandrovich, student, SCOUS@rambler.ru, Russia, Kaluga, Kaluga branch of Moscow State Technical University. AD Bauman
УДК 62-272
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ МЕХАНИЗМОВ НА БАЗЕ ГИБКИХ ТРУБЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
О. О. Барышникова, З.М. Борискина
Предлагаются конструкции различных механизмов, условия работы которых приводят к выбору гибких трубчатых элементов, как основных преобразователей движения. Решаются задачи подбора геометрических параметров гибких трубчатых пружин и оценки прочностных характеристик.
Ключевые слова: гибкий трубчатый элемент, пружина Бурдона, вибромашина.
Гибкие элементы в форме тонкостенной трубки вытянутого поперечного сечения с изогнутой по окружности центральной осью традиционно использовались для измерения давления. Манометрическая трубчатая пружина впервые была применена Бурдоном в 1851 году. Основное свойство пружины Бурдона - способность изменять радиус кривизны центральной оси в зависимости от давления, подаваемого во внутреннюю полость.
В настоящее время появляется возможность использовать свойство трубчатой пружины в различных отраслях промышленности. Преимущества механизмов, использующих пружину Бурдона:
- получение требуемого хода рабочего органа при малых габаритах;
- возможность сохранения работоспособности упругого элемента при изменении рабочего давления в широком диапазоне;
- простота конструкции механизма;
- высокая ремонтопригодность;
- сохранение чистоты рабочей среды.
Интересной для практики является задача создания вибромашин различного назначения. Для уплотнения балластного слоя верхнего строения пути железнодорожного полотна применяется шпалоподбивочная машина. Рабочие органы заглубляются в балластный слой под подбиваемой шпалой и сближаются, подавая балласт под нее. В машинах циклического действия рабочими органами являются колеблющиеся вертикальные подбойки, а в машинах непрерывного действия - подбивочные плиты клиновидной формы [1]. Независимо от вида шпалоподбивочной машины конструкция шпалоподбивочных блоков громоздкая с множеством кинематиче-
468
ских связей. Применение трубчатой пружины позволяет создать простую компактную конструкцию [2].
На рис. 1, а представлен подбивочный блок с рабочими органами в виде трубчатых пружин. Шток гидроцилиндра 3 под действием давления и собственного веса перемещается вниз для заглубления в балласт 5. в рабочую полость трубчатой пружины 2 через шток 3 подается пульсирующее давление 4, заставляя вибрировать рабочие органы. Рабочие органы заглубляются в балласт, перераспределяя его под шпалами 1. Свободные концы трубчатой пружины 2 рис. 16 получают необходимые выходные характеристики в зависимости от подаваемого во внутреннюю полость давления.
а б
Рис. 1. Подбивочный блок: а - схема механизма: 1 - шпала; 2 - рабочий орган (трубчатая пружина); 3 - шток гидроцилиндра; 4 - пульсирующее давление; 5 - балласт; б - гибкий элемент: 1 - рабочий орган (трубчатая пружина); 2 - форма поперечного сечения
При укладке тротуарной плитки для ее осадки используется только ручной труд. Создание машины для осадки тротуарной плитки позволит существенно снизить трудоемкость и стоимость работ, увеличить производительность, свести к минимуму негативное влияние человеческого фактора.
На рис. 2 показана принципиальная схема плиткоукладчика, использующего в качестве рабочих органов трубчатую пружину. Принцип работы основан на вибрации трубчатой пружины 4 под действием пульси-
469
рующего давления 3, которое подается во внутреннюю полость трубки через шток гидроцилиндра 2. В результате вибрации рабочего органа плитка 1 осаживается на песчаной подушке 5.
Для трубчатых элементов силового воздействия на основе трехмерного изопараметрического конечного элемента была создана математическая модель, построенная на использовании вариационных принципов строительной механики [3], а именно минимизации принципа минимизации функционала потенциальной энергии механической систем.
Для анализа трехмерного напряженного состояния использовался конечный элемент с различной аппроксимацией перемещений в различных направлениях. На основе описанной математической модели разработан пакет программ для персональных компьютеров, позволяющий проектировать пластины, тонкостенные оболочечные конструкции, оболочки вращения и оболочки средней толщины с переходом к трехмерным телам. Разработанный комплекс программ написан на языке ФОРТРАН и предназначен для анализа трехмерного напряженно-деформированного состояния тел общего вида, находящихся под действием распределенной нагрузки. Анализ достоверности результатов для предлагаемого пакета программ был рассмотрен на тестовых задачах, для которых известны точные аналитические решения.
Размеры базовой модели пружины получены, исходя из конструктивных соображений. Радиус изгиба р = 41,5мм, длина большей полуоси а = 63,5 мм, длина меньшей полуоси Ь = 10 мм, толщина Ъ = 3 мм.
Для исследования влияния геометрических размеров напряженно-деформированного состояния пружины проведен ряд расчетов с изменением размеров по таким параметрам, как радиус изгиба пружины р и толщиной трубки Ъ, выходными параметрами. Радиус изгиба пружины изменялся от 41,5 мм до 101,5 мм, толщина стенки от 1 мм до 4 мм. Повышению чувствительности примерно в одинаковой степени соответствует увеличение радиуса пружины или уменьшение ее толщины. Произведен расчет низшей собственной частоты колебаний пружины, которая составила 123,8 Гц. Это позволит разработчикам вибрационных механизмов строить резонансные адаптивные системы, которые дадут возможность эффективно работать с уплотняемым материалом, имеющим различные характеристики при различных климатических условиях. Использование трубчатой пружины в конструкции различных вибромашин позволяет использовать все преимущества пружин Бурдона.
В медицине и сельском хозяйстве активно используется селен, как стимулятор иммунной системы человека, животных, средство повышения урожайности. Наибольшей эффективности удается достичь с использованием нанораствора селена, производство которого возможно с использованием лазерной абляции. Особенностью этого процесса является строгая очередность положения лазера относительно емкости с раствором в процессе абляции. Для правильного изготовления раствора головка лазера должна находиться первоначально напротив верхнего слоя раствора, следующее положение - напротив нижнего слоя, третье положение - напротив среднего слоя. Для исключения вовлечения в процесс посторонних элементов предлагается в качестве устройства, задающего движения, использовать гибкий трубчатый элемент [4,5].
На рис. 3 представлена схема для проведения лазерной абляции селена. Исходный раствор селена расположен в емкости 1. Перемещение платформы 3, на которой расположена головка лазера, осуществляется по вертикальным направляющим 2 под действием усилия со стороны трубчатой пружины 5. В исходном положении головка лазера расположена на нижнем уровне.
Возможно обеспечить перемещение платформы 3 на уровни среднего и верхнего слоев двумя способами:
под действием давления 4 различных величин, подаваемого во внутреннюю полость пружины 5;
под действием давления определенной величины, подаваемого в различные пружины - 5.
а б
Рис. 3. Схема лазерной абляции селена: а - схема механизма; б - гибкий элемент; 1 - емкость с раствором селена; 2 - вертикальная направляющая; 3 - платформа; 4 - пульсирующее давление; 5 - пружина
Конструктивно второй способ реализуется существенно проще.
При атмосферном давлении обе пружины имеют исходную геометрию, и платформа 3 занимает нижнее положение. При подаче давления в 8-образную пружину платформа 3 перемещается в верхнее положение, и головка лазера расположена на уровне верхнего слоя. Второй этап абляции происходит на нижнем уровне, при этом в обеих пружинах нет избыточного давления. Для завершения процессе лазерной абляции давление подается в трубчатую пружину 5, и головка лазера располагается на уровне среднего слоя.
Расчет рабочей характеристики пружины выполнен и использованием пакета Л№У8. Следует отметить, что подбор геометрических параметров трубчатой пружины осуществлен с учетом значения требуемого максимального перемещения головки лазера и диапазона изменения рабочего давления, передаваемого от компрессора.
Применение трубчатой пружины в механизме для перемещения головки лазера обеспечивает точность работы, минимальный износ. Обеспечение линейного перемещения головки лазера без перекосов осуществляется направляющими. Требуемое позиционирование лазера обеспечивается фиксаторами.
В современных условиях развития сварочного производства возникла необходимость контроля качества сварного шва. Оценка качества проводится с использованием лазерных технологий, при этом в область сканирования шва не должны подать посторонние микрочастицы. Обеспечение чистоты рабочей среды может дать только механизм на базе трубчатой манометрической пружины. При этом сама конструкция обладает ря-
дом преимуществ: простота, надежность, высокая точность траектории движения лазерной головки, чистота рабочей среды, точная оценка качества шва, высокая ремонтопригодность.
При проектировании упругого элемента в форме пружины Бурдона необходимо подобрать:
Форму поперечного сечения;
Радиус изгиба центральной оси;
Соотношения размеров поперечного сечения.
Использование упругой трубчатой пружины в качестве рабочего органа машин позволяет существенно упростить конструкцию, повышает ремонтопригодность и снижает себестоимость машинного агрегата.
Список литературы
1. Барышникова О.О. Проектирование механизмов с гибкими трубчатыми элементами // Известия ВУЗов. Машиностроение, 2012. № 12. С. 34-37.
2. Численные методы в динамике и прочности машин / С.С.Гаврюшин, О.О. Барышникова, О.Ф.Борискин. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 492 с.
3. Численный анализ элементов конструкций машин и приборов / С.С.Гаврюшин, О.О. Барышникова, О.Ф.Борискин. 2-е изд., испр. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. 479 с.
Барышникова Ольга Олеговна, канд. техн. наук, доц., Россия, barysh-oo@bmstu.ru, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
Борискина Зягря Михайловна, канд. техн. наук, доц., barysh-oo@bmstu.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана
DESIGNING PROMISING MECHANISMS ON THE BASIS OF FLEXIBLE TUBULAR
ELEMENTS
O.O. Baryshnikova, Z.M. Boriskina
The construction of various mechanisms that lead to the choice of a flexible tube elements, as the main converters movement is considered. Solved the problem of the selection of the geometric parameters of the flexible tube springs and evaluation of the strength characteristics.
Key words: flexible tubular element, spring Bourdon, vibrator.
Baryshnikova Ol'ga Olegovna, candidate of technical science, docent, barysh-oo@bmstu.ru, Russia, Moscow, Moscow State Technical University. AD Bauman,
Boriskina Zjagrja Mihajlovna, candidate of technical science, docent, barysh-oo@bmstu.ru, Russia, Kaluga, Kaluga branch of Moscow State Technical University. AD Bauman
