CC BY-NC
6
Грибенюк H.A.
ЗАО «ЦНИИ СМ». Санкт-Петербург. Россия
СХЕМНО-КОНСТРУКТИВНАЯ МОДЕЛЬ ЗАКРЫТИЯ СУДОВОЙ КРЫШКИ (ДВЕРЦЫ) С ПРИВОДОМ НА ОСНОВЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ШАРНИРНОГО МЕХАНИЗМА
Объектом научной работы является конструкция механизма перемещения судовой крышки (дверцы), которая способна переместить дверцу по определенной траектории. Целью научной работы является конструирование механизма перемещения судовой дверцы, который облегчит процесс подготовки к эксплуатации буксируемой части станции. Исследование проводилось на основе известных знаний о расположении буксируемой части станции и судовой дверцы, а также о пространственных шарнирных механизмах, применяемых при выполнении сложных регулируемых движений в пространстве. К методам исследования относятся расчет кинематических и геометрических параметров механизма и конструирование его ЗО-моделн дня проведения компьютерного эксперимента. К основным результатам исследования стоит отнести упрощение процесса подготовки к эксплуатации буксируемой части станции, разработку варианта механизма, который при простоте конструкции способен воспроизвести сложные траектории движения.
Ключевые слова: пространственный шарнирный механизм, дверца судовая, схемно-конструктпвная модель, проектирование. конструкция.
Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
Для цитирования: Грибенюк НА. Схемно-конструктивная модель закрытия судовой крышки (дверцы) с приводом на основе пространственного шарнирного механизма. 2018; специальный выпуск 1: 000-000.
УДК 629.5.023.737 DOI: 10.24937/2542-2324-2018-1-S-I-36-40
Gribenyuk N.
Central Research Institute of Marine Engineering. St . Petersburg. Russia
SCHEMATIC DESIGN MODEL OF SHIP'S DOOR (HATCH) WITH ACTUATOR USING A SPATIAL HINGED JOINT
This research is focused on the design of ship door (hatch) actuator to guide the door through the specified pathway. The purpose is to engineer a shipboard door actuator for easy release of towed systems. The research study is based on the background knowledge of towed system arrangement and shipboard doors as well as spatial hinged units used for complex controlled movement in space. The methods of this study include calculations of kinematic and geometric parameters of the actuator and generation of its 3D model for computer. The main results are easier preparation for release of towed systems, a simple opening actuator capable to produce complicated movements.
Key words: spatial hinged actuator, ship door, schematic design model, design, structure. Author declares lack of the possible conflicts of interests.
For citations: Gribenyuk N. Schematic design model of ship's door (hatch) with actuator using a spatial hinged joint Transactions of the Krylov State Research Centre. 2018; special issue 1: 000-000 (in Russian).
UDC 629.5.023.737 DOI: 10.24937/2542-2324-2018-l-S-I-36-40
В процессе подготовки буксируемой части станции к эксплуатации необходимо откинуть вниз роульс откидной на переборке из рабочего положения в положение «по-походному» так, чтобы он не мешал свободному открытию судовой дверцы - в ее проем должны проходить элементы буксируемой части станции. На рис. 1 изображена схема относительного положения дверцы и роульсов.
Для упрощения конструкции роульса настенного откидного, а также дня уменьшения трудоемкости подготовительных операций по освобождению проема дверцы и элементов крепления предлагается применить специальное запирающее устройство. Такое устройство представляется возможным сконструировать на основе цространственного шарнирного механизма Беннетта (рис. 2). Синтез многозвенных пространственных шарнирных механизмов на основе механизма Беннетта позволяет получить новые базовые механизмы и активаторы различных устройств в машиностроении, совершающие сложные пространственные движения. Это открывает широкие возмож-
на
ВО 550 4
'I
I____190
Д
у \
2 J
Рис. 1. Схема расположения дверцы судовой относительно роульсов на заказе:
1 - роульс настенный откидной (рабочее положение);
2 - роульс настенный откидной (положение «по-походному»);
3 - роульс настенный;
4 - дверца судовая
Fig. 1. Schematic layout of door on board with respect to rollers:
1 - roller wall folding (working position);
2 - roller wall folding (position «on-marching»);
3 - roller wall;
4 - the door of the ship
Рис. 2. Кинематическая схема механизма Беннетта Fig. 2. Kinematic diagram of Bennett linkages
ности для создания и проектирования простых пространственных четырехзвенных механизмов, обеспечивающих заранее заданное движение рабочего органа.
В начале XX в. английский математик Беннет теоретически доказал возможность существования подвижного пространственного четырехзвенника (рис. 3), который, согласно структурной формуле, яв.ляется неподвижным. Согласно формуле Сомова - Малышева подвижность пространственного четырехзвенного механизма с одними лишь вращательными параш! опреде.ляется как W= 6 {т-\)-5ръ-6- (4-1)—5-4 = -2, (1)
где W- степень подвижности механизма: т - количество звеньев в механизме; ръ - количество одно-подвижных кинематических пар пятого класса.
Его подвижность объясняется особыми геометрическими соотношениям! между углами либо расположением звеньев на поверхностях обратной кривизны - гиперболоидах вращения. Степень подвижности W—2 означает, что замкнутая четырех-звенная кинематическая цепь должна быть жесткой конструкцией. Однако Беннетт показал, что если все звенья цепи будут иметь согласованные размеры, то жесткая конструкция превращается в механизм с единичной подвижностью.
В этой цепи геометрические оси вращательных кинематических пар А, В, CiiD не параллельны и не пересекаются между собой: противоположные звенья AB-DC н ВС-AD одинаковы по длине: геометрические оси противоположных кинематических пар развернуты друг относительно друга на равные углы а и ß. При этом удовлетворяется пропорция
AB (DC}/sm а =±BC|AD)/smß. (2)
Грибенкж H.A. Схем но-конструктивная модель закрытия судовой крышки (дверцы) с приводом на основе пространственного шарнирного механизма
Схемно-конструктивная модель механизма для открытия-закрытия судовой дверцы
Schematic design model of ship's door opening/closing mechanism
На основе кинематической цепи для пространственного шарнирного механизма Беннегга и размерной схемы относительного расположения дверцы и роульсов был выполнен подбор углов поворота шарниров и длин звеньев, необходимых для осуществления требуемого движения. Создана схемно-конструктивная модель устройства для закрытия судовой дверцы. Для расчета кинематических параметров механизма была составлена его кинематическая схема (рис. 3), на которой отражены основные геометрические характеристики модели.
В результате подбора определяющих геометрию механизма размеров имеем длины звеньев Х1 = 1з=125мм, £2 =£4 = 200 мм. углы разворота шарниров cii = аз = 16°, а? = 26°. В качестве начальных условий задано вращение входного звена с постоянной скоростью coi = const = 1 об/мин.
Для расчета кинематических параметров механизма и построения графиков перемещения его звеньев применим формулы, выведенные в статье «Структурный синтез двухподвижного цространственного 5R механизма и элементы следящего управления» ученыш! М.Г. Яруллиным и М.Р. Миигазовым. которые привели в этой статье подробное исследование кинематики механизма Беннегга и получили ряд формул, применяемых для расчета траектории движения крайних точек механизмов на основе схемы Беннегга.
Выполним расчет траектории движения характерной точки С согласно следующим формулам:
Хс = -Ц sin ср +
+¿2 ■siny-cosa1 -coscp-Z2 -cosy-sincp ; Yc = -Zj -coscp +
+Z2 -siny-cosai -sin(p + Z2 -cosy-coscp; Zc = -Z2 siny cos a^
где siny
sinipÄ^j
■К,
Kx -costp-,
siiiffi-^i - К, cosy =-1—1-—;
Ку - costp-
Кх =¡2 -cosctj + cosa2;
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
K2 =/t -12 (cosc^ + cosa2); къ = !i
(9) (10)
По расчетным данным были построены графики перемещения характерной точки С для определения ее перемещения в пространстве (рис. 4-6). Кинематический анализ схемно-конструкшвной модели механизма показал, что его геометрические параметры позволяют обеспечить необходимую Для запирания судовой дверцы траекторию выходного звена.
Исходя из результатов кинематического анализа очевидно, что для перемещения судовой дверцы из начального закрытого в открытое механизму необходимо совершить поворот на 120°. Так как необходимо совершить всего лишь один неполный поворот механизма, нет смыла применять электродвигатель. Предполагается возможным применить актуатор фирмы HIWIN серии LAS. который спо-
Электродвигатель
Рис. 3. Кинематическая модель привода для закрытия судовой дверцы:
Li, Lz, L3, U - длины звеньев АВ, ВС, CD, AD)
Ф - угол поворота ведущего звена; coi - угловая скорость ведущего звена; соз - угловая скорость поворота выходного звена;
Y - угол поворота выходного звена; ai, а2, аз - углы поворота шарниров
Fig. 3. Kinematic model of door closing actuator: Li, L2, i-з. La - lengths of linkages АВ, ВС, CD, AD)
Ф - rotation angle of drive linkage; toi - angular rate of drive linkage; (Оз - angular rate of output linkage;
Y - angular rate of output linkage; 01, CJ2, Оз - rotation angles of hinges
собен передать необходимое высокоточное вращательное движение механизму с помощью вспомогательных детален в виде дисков. Двигатели этой серии имеют исполнение с высокой пылевлага-защнтой 1Р66, что делает возможным их применение на открытых палубах корабля.
х,мм
100 30 60 40 20 о •20 -ДО
so
и /
/
/
У
X
/
/
3 ISO 280 Ш>
ф1, град.
Рис. 4. Перемещение выходного звена по оси X Fig. 4. X-axis movement of output linkage
NH
A-A (1 .2)
H
Рис. 7. Объемная модель механизма для перемещения судовой дверцы: 1,2- звенья механизма; 3 - шарнирная опора; 4 - ось
Fig. 7. 3D model of door opening mechanism: 1,2- linkages; 3 - hinged bearing; 4 - axle
Рис. 5. Перемещение выходного звена по оси У Fig. 5. V-axis movement of output linkage
500 j
100 о
1 __________________ А
7
ф! град
30 ----- 90 1. 0 ISO 230 360
По известным геометрическим характеристикам была составлена 3D-модель механизма (рис. 7), представляющая собой четыре одинаковых звена 1, 2, попарно соединенных между собой в двух местах осью 4. ведущее звено закреплено на шарнир-нон опоре 3. Таким образом, в составе механизма имеется одни сферический и три цилиндрических шарнира.
Была составлена схема расположения элементов механизма перемещения дверцы судовой с механизмом перемещения (рис. 8). К дверце 1 крепятся два шарнирных механизма 2, которые крепятся к поворотным осям J с помощью фланцев 3. Поворотные оси приводятся в движение с помощью линейного актуатора 6. который крепится к оси с помощью фланцев 5, а также к стене - с помощью кронштейна 7, оси 10 и втулки 11. К стене поворотные оси крепятся с помощью кронштейнов 4.
В программной среде ЗО-моделирования SolidWorks была создана анимация работы механизма для проверки работоспособности схемы. Визуализация работы механизма дала наглядное представление о механике работы механизма, а также подтвердила ее работоспособность и соответствие теоретических данных компьютерному эксперименту.
Рис. б. Перемещение выходного звена по оси Z Fig. 6. Z-axis movement of output linkage
Грибенюк H.A. Схем но-конструктивна я модель закрытия судовой крышки (дверцы) с приводом на основе пространственного шарнирного механизма
А-А
А Б
II
щ
Б-Б (2:1) ю
Рис. 8. Схема расположения элементов механизма перемещения дверцы судовой с механизмом перемещения:
1 - дверца судовая;
2 - шарнирный механизм;
3 - фланец; 4 -кронштейн; 5 - ось;
6 - линейный актуатор;
7 - кронштейн; 8 - фланец; 9 - ось; 10 - втулка
Fig. 8. Diagram of door opening mechanism and movement: 1 - ship door; 2 - hinged mechanism; 3 - flange; 4 -strut; 5 - axle; 6 - linear actuator; 7 - strut;
8 - flange; 9 - axle; 10 - bushing
Заключение
Conclusion
К основным научным и практическим результатам работы следует отнести:
■ упрощение процесса подготовки к эксплуатации буксируемой части станции:
■ разработку варианта модернизации псевдосферического механизма, который имеет ряд преимуществ относительно известных стандаршзиро-ванных передач (простота конструкции, воспроизведение сложных траекторий движения);
■ адаптацию схемы механизма Беннетта (получение ее схемно-конструктивного варианта) с целью воспроизведения траектории движения, необходимой для перемещения крышки в требуемое положение.
Проработка, изложенная в данной статье, может быть использована при разработке элек-
троприводов открытия-закрытия судовых дверец
(крышек).
Библиографический список
References
1. ДворниковЛ.Т. Нетрадиционные рассуждения о существовании механизма Беннетта // Теория механизмов и машин. 2009. № 1(13). С. 5-10. [L. Dvomikov. Non-conventional thoughts about existence of Bennett linkages mechanism // Theoiy of mechanisms and machines. 2009; 1(13): 5-10. (In Russian)].
2. Мингазов M.P., Яруллин M.Г. Структурный синтез двухподвпжного пространственного 5R механизма и элементы следящего управления П Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. №6. С. 214-220. [M. Mmgazov. M. Yarullin. Structural analysis of two-degree-of-fieedom mechanism 5R and elements of servocoutrai 11 News of Samara Research Center. Russian Academy of Sciences. 2014; (6)16: 214-20. (In Russian)].
3. Штгазов M.P., Яруллин М.Г. Синтез структурных модификаций механизма Беннетта П Современное машиностроение. Наука и образование: материалы 4-й Международной научно-практической конференции. 2014. №4. СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та. С. 271-280. [М. Mingazov, M. Yarullin. Synthesis of structural modification of Bennett linkages 11 Modem mechanical engineering. Science and Eductaion: 4th International Science & Practice Conference. SPb.: Izd-vo Polytechnic University. 2014; 4: 271-80. (In Russian)].
Сведения об авторах
Грибенюк Натачия Александровна, инженер-конструктор 2 категории ЗАО «ЦНИИ СМ). Адрес: 192029, Санкт-Петербург. ул. Крупской, д. 2а. Тел.: +7 (911) 260-49-36; E-mail: borisenko.natali@mail.ru.
Aboiit the authors
Gribenyuk N., Design engineer 2 categoiy. Central Research Institute of Marine Engineering (JSC TsNlI SM). Address: ill. Knipskoi 2a, St. Petersburg. 192029, Russia. Tel.: +7 (911)260-49-36: E-mail: borisenko.natali@mail.ru.
Поступила/Received: 13.03.18 Принята в печать / Accepted: 18.04.IS © Грибенюк H.A.. 2018
