CC BY
83
УДК 621.01
Л.Т. Дворников, Л.Н. Гудимова, С.П. Стариков
ШЕСТИЗВЕННЫЕ ПЛОСКИЕ ГРУППЫ АССУРА И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Согласно основополагающему принципу русского учёного Л.В. Ассура, сформулированному им в 1914 г., все механизмы создаются путём присоединения (наслоения) к ведущим звеньям групп звеньев, обладающих нулевой подвижностью. Эти группы принято называть группами Ассура. Хорошо изучены двухзвенные группы, называемые диадами, найдены кинематические и кинетостати-ческие решения четырёхзвенных групп.
Что же касается групп Ассура, состоящих из шести звеньев, то их исследования начаты сравнительно недавно и требуют своего разрешения. Впервые десять структур шестизвенных групп Ассура были показаны профессором Добровольским В.В. в 1939 г. в работе [1]. Однако ни в указанной работе, ни в последующих публикациях Добровольским не был описан метод, с помощью которого синтезировались им эти структуры, и не приводилось никаких доказательств об их исчерпывающе полном составе.
Одним из авторов настоящей статьи в работе [2] был разработан метод и обоснованы независимые и необходимые критерии структурного синтеза групп нулевой подвижности с любым числом звеньев. Таких критериев, начиная с заданного числа звеньев п, было предложено восемь, все они в [2] подробно рассмотрены и описаны. С использованием этого метода, покажем принципиальные отличия друг от друга десяти шестизвенных плоских шарнирных групп Ассура. Схемы групп и значения критериев их определяющих собраны в таблице.
Обозначения, принятые в таблице: т - базисное, наиболее сложное по числу кинематических пар звено цепи;
д - число свободных выходов цепи; а - число изменяемых замкнутых контуров цепи;
а1 - сложность используемых в цепи изменяемых замкнутых контуров;
Хс - суммарное число сторон цепи;
Хн - число наружных сторон;
Хн / д - число наружных сторон цепи, распределенных между выходами.
Так, под номером 2 в таблице показана шестизвенная группа нулевой подвижности (группа Ас-сура), в которой:
наиболее сложным звеном является трехпарное (т = 3);
число свободных выходов в ней три (д = 3), на схеме цепей они показаны штрихами;
число изменяемых замкнутых контуров - один
(а = 1);
сложность замкнутого изменяемого контура -четырехугольный (а4);
общее число сторон звеньев цепи Хс = 15 - по три стороны у трех трехпарных звеньев - 9 и по две стороны у трёх двухпарных звеньев - 6; число наружных сторон цепи Хн - 11, это число разбивается между выходами как 3
- 3 - 5.
Все эти группы могут быть использованы в промышленности в виде реальных машин, механизмов, конструкций. Для этого достаточно каждую из показанных групп присоединить к ведущему звену. Покажем конкретное использование некоторых из приведенных в таблице групп в виде устройств, пригодных для выполнения вполне конкретных функций.
Первая из показанных в таблице групп, видимо, уже и ранее имела применение в кинематических цепях машин, но мы в качестве примера приведем решение, которое было запатентовано сравнительно недавно, а именно в 2007 г. [3].
Рис.1. Двухсекционный грохот
Оно реализовано в конструкции двухсекционного грохота (рисунок 1) - машины, предназначенной для разделения на фракции кусков сыпучих материалов, в частности горных пород. Трёхпарные звенья группы выполнены в виде подвижных секций 6 и 7, представляющих собой сита. Двухпарные звенья 2-5 являются качающимися коромыслами. Секция 6 связана в кинематическую пару с секцией 7 через шарнир Б, а коромысло 2 соединено с ведущим кривошипом 1.
Работа механизма осуществляется следующим образом. Кривошип, совершающий полный оборот, при соединении с коромыслом 2, исполняющим роль шатуна, передает качательные движения секции 6, она, в свою очередь, приводит в движение секцию 7.
Вследствие совместных действий качания и наклона секций грохота, материал, загруженный в его головной части, продвигается по ситам (секциям) к разгрузочной части грохота, при этом материал расслаивается по классам, просеиваясь че-
Таблица. Шестизвенные группы Ассура и их классификационные признаки
№ п/п т 6 (а) Еаі Хн V /8 Схема группы
1 3 4/0 - 14 14 3-4-3-4 ** Ч\
2 3/1 а4 15 11 3-3-5 І /
3 3-4-4
4 а5 10 3-3-4 ✓
5 а6 9 3-3-3 X Ч ' Ч
6 2/2 а4 + а4 16 8 3-5 ч ч
7 а4 + а4 4-4 ч ч
8 а4 + а5 7 3-4 \ ч
9 4 3/1 а4 15 11 3-4-4 430
10 2/2 а4 + а5 16 7 3-4
рез отверстия сит. Рассмотрим возможность технического при-
Возможность полного исследования этой кон- менения шестизвенной группы, показанной в таб-
струкции была показана в работе [4]. лице под номером 3. Эта группа послужила осно-
вой для создания конструкции, используемои в горной промышленности в качестве секции механизированной крепи. Кинематическая цепь такой секции приведена на рисунке 2.
;5555555555555555555555555555555555'
Рис. 2. Секция механизированной крепи
Устройство содержит гидродомкрат 1, шток поршня 2, звено поддержки 3, шатун 4, звено ограждения 5 и два коромысла 6 и 7 звена ограждения. Его работа осуществляется за счет подачи жидкости под давлением в распорный гидродомкрат. Жидкость при воздействии на поршень приводит через шток в движение звено поддержки, оно передает движение шатуну, который воздействует на первое коромысло 6 звена ограждения и заставляет звено приспосабливаться к неравномерному давлению кровли. Второе коромысло 7 звена ограждения улучшает работоспособность крепи, создавая дополнительную жесткость. Такая конструкция позволяет увеличить объём рабочего пространства под крепью и не допускает изгиб штока гидродомкрата. Звенья 2-7 образуют шестизвенную нераспадающуюся на двухзвенные группу Ассура с замкнутым изменяемым четырехугольным контуром а4. Описанное конструктивное решение оказалось принципиально новым и защищено патентом на изобретение РФ [5].
На основе шестизвенной группы Ассура с пятиугольным изменяемым замкнутым контуром (таблица, номер 4), может быть создан рычажный механизм пресса, показанный на рисунке 3.
Рис.3. Рычажный механизм пресса Сама группа представляется звеньями 5, 4, 3, 2, 6 и 7 и эта цепь не распадается на более простые группы. Чтобы привести в движение группу, достаточно свободную кинематическую пару второго звена соединить с приводным звеном 1, а трехпарное звено 7 превратить в пуансон, заменив выходную вращательную пару на поступательную. В рассматриваемом механизме пуансон при воздействии на обрабатываемый объект движется
поступательно. При этом в процессе прессования усилия сопротивления воспринимаются группой звеньев 2, 3, 5, 6 и 7, образующих пятиугольный замкнутый контур, что обеспечивает высокую жесткость конструкции.
Обратимся теперь к шестизвенной группе, звенья которой образуют замкнутый изменяемый шестиугольный контур. Она помещена в таблице под пятым номером. Особенность её строения была использована при разработке кинематической цепи щековой дробилки, показанной на рисунке 4.
Уникальность этой конструкции в том, что в качестве воздействующих на разрушаемый материал щёк используются два звена - пятое и шестое, и дробилка становится двухщёковой.
Эта двухщёковая дробильная машина состоит из кривошипа 1, соединяющегося с приводным двигателем, трёхпарного звена - шатуна 2, бокового поводка 3, трёхпарного балансирного звена 4, дополнительной подвижной щеки 5, основной подвижной щеки 6 и верхнего поводка 7. Работает механизм следующим образом. Кривошип приводит в движение трёхпарный шатун и боковые поводки. Балансирное звено в свою очередь передает движение дополнительной и основной подвижным щёкам. Обрабатываемый материал 9, помещенный между основной подвижной щекой и неподвижной щекой 8, разрушаясь, попадает в зону действия дополнительной подвижной щеки, которая, совершая плоскопараллельное движение, дробит материал на более мелкие фракции. Звенья
2, 3, 4, 5, 6 и 7 образуют между собой шестизвенный замкнутый контур, что позволяет снизить нагрузку на отдельные узлы дробилки [6].
Рис.5. Кривошипно-ползунный механизм пресса Оригинальная конструкция рычажного кри-вошипно-ползунного пресса может быть создана с использованием шестизвенной группы с базисным
Рис. 6. Шестизвенная группа Ассура (позиция 6 в таблице) и её реализация в виде стержневой фермы
четырехпарным звеном и четырехзвенным замкнутым контуром (таблица, номер 9).
Кинематическая цепь такого пресса приведена на рисунке 5. Пресс состоит из кривошипа 1, ползуна 7 и соединяющей их группы звеньев, выполняющей роль шатуна. Отличительной особенностью этого пресса является то, что «шатун» выполнен в виде кинематической цепи, содержащей четырехпарное 5 и трехпарное 2 звенья, качающееся коромысло 6 и замыкающие шатуны 3 и 4.
Работает пресс следующим образом. Трехпарное звено, приводимое в движение кривошипом, через двухпарные шатуны заставляет двигаться четырехпарное звено. Оно, в свою очередь, опираясь на качающееся коромысло, обеспечивает смещение ползуна, который, воздействуя на объект, производит прессование. С этой целью в шестизвенной группе (позиция 9 в таблице) вращательная кинематическая пара одного из свободных поводков четырехпарного звена заменена на поступательную. Наличие изменяемого замкнутого контура в кинематической цепи шатуна обеспечивает высокую жесткость механизма [7].
Все группы Ассура, обладая нулевой подвижностью и являясь системами статически определимыми, могут использоваться не только как кинематические цепи в подвижных механических
системах, но и применяться в качестве основы строительных конструкций, в частности строительных ферм. Шестизвенные группы Ассура, приведённые в таблице и имеющие по два выхода (номера 6-8, 10), могут быть преобразованы в фермы. Покажем это на примере.
Так группа Ассура, показанная под номером 6, путём «связывания» кинематических пар в узлы по определенному порядку преобразуется в пятистержневую ферму, показанную на рисунке 6. Эта ферма уникальна тем, что во внешних её узлах сходятся по три стержня, а в точках опор - по два, но, если учесть, что опора есть тоже звено, то все четыре узла окажутся одинаковыми по сложности.
Такая конструкция обеспечивает высокую жесткость и является уравновешенной, т.к. обладает симметричностью. Создание таких конструкций, которые при приложении нагрузки остаются геометрически неизменяемыми, т.е. в которых не совершается относительно звеньев движение - одна из актуальных задач в строительстве.
Приведённые выше обоснования полного состава шестизвенных плоских рычажных групп Ассура и примеры реализации этих групп в реальные механизмы и конструкции могут быть широко использованы в практике конструирования машин и механических устройств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Добровольский В.В. Основные принципы рациональной классификации механизмов. /В кн. Добровольский В.В., Артоболевский И.И. Структура и классификация механизмов. М.-Л. Издательство АН СССР, 1939. - С. 5-48.
2. Дворников Л.Т. К вопросу о классификации плоских групп Ассура. - «Теория механизмов и машин», С. - Петербургский государственный политехнический университет, 2008, №8(12). -С.18-25.
3. Дворников Л.Т., Стариков С.П. Двухсекционный грохот. Патент на полезную модель № 70168, 20.01.2008 г.
4. Дворников Л.Т., Стариков С.П. Кинематическое и кинетостатическое исследование двухсекционного грохота. Вестн. Кузбасского гос. тех. унив., 2008, №1 (65). - С. 44-46.
5. Дворников Л.Т., Князев А.С., Стариков С.П. Секция механизированной крепи. Патент на изобретение № 2303699, 27.07.2007.
6. Дворников Л. Т.,Стариков С.П. Двухщёковая дробилка. Патент на изобр. № 2332260, 27.08.2008 г.
7. Дворников Л.Т., Чужиков О.С., Стариков С.П. Кривошипно-ползунный механизм пресса. Патент на изобретение № 2201348, 18.07.2001 г.
□ Авторы статьи:
Дворников Леонид Трофимович
- докт.техн.наук, проф., зав. каф. теории механизмов и машин и основ конструирования (Сибирский гос. индустриальный университет, г. Новокузнецк) , тел. 46-57-91
Гудимова Людмила Николаевна - канд.техн.наук, доц. каф. теории механизмов и машин и основ конструирования (Сибирский гос. индустриальный университет).
E- mail: lyu-qudiova@yandex.ru
Стариков Степан Павлович - ассистент каф. теории механизмов и машин и основ конструирования (Сибирский государственный индустриальный университет), тел. 46-57-91
5
