Научная статья на тему 'Структурная классификация механизмов переменной структуры'

Структурная классификация механизмов переменной структуры Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
814
153
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕХАНИЗМ ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ / КЛАССИФИКАЦИЯ / КИНЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА / ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ МЕХАНИЗМОВ / MECHANISM WITH A VARIABLE STRUCTURE / CLASSIFICATION / KINEMATIC CIRCUIT / FUNCTIONALITY OF MECHANISMS

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Хохлова Ольга Александровна, Пономарёва Елена Владимировна

В предлагаемой классификации механизмов переменной структуры отражены особенности конструктивного исполнения звеньев и подвижных соединений, на основе которых механизмы изменяют и потом восстанавливают свою структуру. Учтены функциональное назначение механизмов переменной структуры и характер образования их кинематических цепей, уточнена их классификация.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Хохлова Ольга Александровна, Пономарёва Елена Владимировна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STRUCTURAL CLASSIFICATION OF MECHANISMS WITH VARIABLE STRUCTURE

The proposed classification of mechanisms with a variable structure reflects the structural features of segments and their connections on which these mechanisms change and then rebuild their structure. The functionality of mechanisms with a variable structure and the nature of kinematic circuits’ formation are taken into account; their classification is clarified.

Текст научной работы на тему «Структурная классификация механизмов переменной структуры»

УДК 621.01:531.391 ББК 34.412.01/02

О. А. Хохлова, Е. В. Пономарёва

СТРУКТУРНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЗМОВ ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ

O. A. Khokhlova, E. V. Ponomareva

STRUCTURAL CLASSIFICATION OF MECHANISMS WITH VARIABLE STRUCTURE

В предлагаемой классификации механизмов переменной структуры отражены особенности конструктивного исполнения звеньев и подвижных соединений, на основе которых механизмы изменяют и потом восстанавливают свою структуру. Учтены функциональное назначение механизмов переменной структуры и характер образования их кинематических цепей, уточнена их классификация.

Ключевые слова: механизм переменной структуры, классификация, кинематическая схема, функциональность механизмов.

The proposed classification of mechanisms with a variable structure reflects the structural features of segments and their connections on which these mechanisms change and then rebuild their structure.

The functionality of mechanisms with a variable structure and the nature of kinematic circuits’ formation are taken into account; their classification is clarified.

Key words: mechanism with a variable structure, classification, kinematic circuit, functionality of mechanisms.

Механизмы по признаку постоянства структуры можно разделить на две группы: механизмы постоянной и переменной структуры.

Структура и классификация механизмов первой группы нашли отражение в работах П. Л. Чебышева [1], И. О. Сомова [2], Г. Х. Гохмана [3], Л. В. Ассура [4] и других русских исследователей, и получили дальнейшее развитие в трудах советских учёных А. П. Малышева [5],

B. В. Добровольского [6, 7], И. И. Артоболевского [8], разработавших основы рациональной классификации. В настоящее время опубликованы работы Л. Т. Дворникова [9, 10], излагающие принципиально новый подход к решению вопросов структурного синтеза механизмов. А. И. Смелягиным [11] создан новый метод структурного анализа и синтеза механизмов, разработаны структурные математические модели механизмов, предложены универсальные зависимости для определения подвижности простых и сложных механизмов. В. И. Пожбелко [12] установлена взаимосвязь между структурными параметрами механических систем с разными типами связей и подвижностью этих систем.

Механизмы второй группы [13-15] находят весьма широкое применение в технике. При работе данных механизмов возможно мгновенное изменение количества звеньев, кинематических пар и их подвижности, геометрических размеров, инерционных и упругих параметров звеньев, разобщение и воссоединение кинематических цепей. Вопросы, касающиеся их структуры, впервые размахиваются в работах С. Н. Кожевникова, Е. А. Антонюка [13, 14]. В работе

C. Абдраимова, Т. О. Невенчанной [15] по анализу и синтезу подобных механизмов предложено учитывать конверсионное звено.

Научные исследования по данной теме проводились под руководством проф. Т. О. Невенчанной на кафедре теоретической и прикладной механики Астраханского государственного технического университета (АГТУ) (при поддержке гранта РФФИ № 05-01-09502, получен патент РФ [16]). В 2005 г. в журнале «Вестник Астраханского государственного технического университета» рассматривались структурно-конструктивные особенности кинематических цепей механизмов переменной структуры [17]. Анализ механизмов, представленных в указанной работе, отобразил особенности конструктивного исполнения звеньев и их соединений, на основе которых механизмы изменяют и потом восстанавливают свою структуру. В диссертационной работе «Исследования динамики механизма переменной структуры с комбинированным шатуном» [18] одним из результатов стала уточненная классификация исследуемых механизмов, в которой принят во внимание характер соединения звеньев (постоянное или периодическое), что объясняет наличие постоянно замкнутых кинематических цепей и цепей, не соединенных друг с другом, и является одним из возможных принципов преобразования структуры механизмов.

В классификации в левом столбце (рис. 1) указаны кинематические особенности цепей рассматриваемых механизмов, а в правом и центральном - за счет чего эти цепи образуются. Здесь же приводятся примеры механизмов, входящих в определенную структурную группу.

Примером механизма, имеющего единую неразобщающуюся кинематическую цепь, является механизм двигателя, в котором неразрывно связаны кривошипно-шатунный механизм и механизм газораспределителя. Преобразование структуры возможно и у механизмов, состоящих из разобщенных кинематических цепей. К разобщенным кинематическим цепям относят несвязанные между собой кинематические цепи, которые, однако, являются составными частями одного механизма. Разобщенные кинематические цепи могут обособленно (попеременно) передавать движение ведомому звену, но могут приводить его в движение, сливаясь в единую кинематическую цепь. К последним относится механизм включателя (рис. 1).

Имеющие единые кинематические цепи

Состоящие из разобщенных кинематических цепей

Преобразующиеся в единую кинематическую цепь

Механизмы включателя

Не образующие единую кинематическую цепь

МПС с дисковыми звеньями

Не разобщающиеся

Механизм двигателя

Периодически

разобщающиеся

Мальтийские, храповые и др.

Механизмы переменной структуры (МПС)

Лр 1

Замыканием и размыканием свободных звеньев

Коробки скоростей

Преобразованием составных звеньев

Рычажные механизмы

За счет геометрических свойств подвижных соединений

Кулачковые механизмы

Изменением параметров звеньев

Вариаторы

Сцеплением соединительных звеньев фрикционных муфт

Механизмы приводов

Размыканием и замыканием подвижных соединений

Храповые механизмы

Ж

Посредством

предохранительных п^іді_щ2п

звеньев

Шариковые муфты я --

Через объекты ПЧгП

обработки п

Механизмы прессов р

Посредством упругих звеньев

Механизмы с упругими звеньями

От воздействия объектов обработки

Механизмы измерения объектов обработки

При изменении относительного положения звеньев

Механизмы с гибкими звеньями

На основе других принципов

Механизмы адаптивные, вибромеханизмы, механизмы с изменяемой массой, инерционно-импульсные

2

2

3

Рис. 1. Классификация МПС

Механизм включателя, представленный на рис. 1, состоит из двух разобщенных кинематических цепей 1 и 2 и преобразуется в единую кинематическую цепь посредством замыкания элементов а и б кинематических пар свободных звеньев. Замыкание происходит при приложении усилия к звену механизма 1, которое может совершать поступательное движение. К механизмам, имеющим единую кинематическую цепь, но периодически разобщающуюся, относятся мальтийские и храповые механизмы (рис. 1). У мальтийского механизма в процессе работы кинематическая цепь постоянно распадается после каждой четверти оборота мальтийского креста. При этом ведущее звено продолжает вращаться, а мальтийский крест находится в неподвижном положении, механизм преобразуется в двухзвенный. В рабочем режиме механизм преобразуется в четырехзвенный кулисно-рычажный.

К механизмам, не образующим единую кинематическую цепь, относится исполнительный механизм безмуфтового механического пресса (рис. 1). Он состоит из трех разобщенных кинематических цепей 1, 2, 3, которые попеременно передают движение ведомому звену, не сливаясь в единую кинематическую цепь. Кинематическая цепь 1, представляющая собой шестизвенный механизм с дисковыми звеньями, периодически соединяется во время работы либо с кине-

матической цепью 2 (рабочий режим работы), либо с кинематической цепью 3 (холостой режим работы). Кинематические цепи 2 и 3 состоят из трехзвенных механизмов пневмоцилиндров.

В механизме коробки скоростей (механизм с разобщенной кинематической цепью) изменение структуры происходит за счет замыкания и размыкания элементов а-б или в-г кинематических пар свободных звеньев (рис. 2). Блок шестеренок 3, 4 перемещается вдоль вала по шпонке и может попеременно входить в зацепление шестернями 1 или 2, образуя при этом высшую кинематическую пару.

1

2

4

3

Рис. 2. Коробка скоростей с промежуточным блоком шестерён

В некоторых механизмах с составными звеньями структура изменяется за счет их преобразования. В кривошипно-ползунном механизме с составным шатуном (рис. 3, а) кривошип 1 приводит в движение составной шатун 2-2а. При наложении связей (остановка поршня 3 в момент его соприкосновения с упором 4) механизм из кривошипно-ползунного преобразуется в рычажный четырехзвенник (рис. 3, б).

Рис. 3. Кривошипно-ползунный механизм с составным шатуном

В механизме привода, имеющем предохранительные звенья, преобразование структуры происходит за счет разъединения кинематических цепей 1 и 2, соединяющихся с помощью шариковой муфты (см. рис. 1). При возникновении максимальной нагрузки на рабочем органе механизма муфта начинает пробуксовывать и кинематическая цепь 2 становится неподвижной. В движении находится только кинематическая цепь 1.

В рыборазделочных машинах широко применяются механизмы измерения объектов обработки (рис. 4), составляющие единые кинематические цепи с механизмами настройки рабочих органов в зависимости от размеров рыбы.

2

Эти механизмы также являются МПС, у которых изменение структуры происходит за счет воздействия на них объектов обработки. Рыба перемещается в кассете в направлении стрелки S под действием толкателя 1 и измеряется при этом пластинкой 2. Последняя приводится в движение с помощью реек 3 и 4 и шестерен 5 и 6. Рабочее движение толкателя 1 осуществляется под действием пружины 7, а холостое - с помощью ролика и цилиндрического кулачка (на схеме не показаны).

Исследуя МПС различного назначения и конструктивного исполнения, отметим, что причины преобразования их структуры могут быть самые разные. Структура МПС может изменяться принудительно под воздействием внешних сил (в момент управления), что диктуется необходимостью изменения режима движения или положения звеньев при выполнении технологических функций. Примером подобных принудительных внешних сил могут являться силы упругости пружин в механизмах с упругими звеньями, работающие в определенный период цикла. Причиной преобразования структуры механизмов может также являться изменение их геометрии (длина звеньев, межопорные расстояния, изменения диаметров раздвижных шкивов у вариаторов). Существует, однако, ряд механизмов прерывистого движения (мальтийские, храповые, неполнозубые колеса), структура которых изменяется автоматически с заданной цикличностью за счет конструктивных особенностей элементов пар.

Преобразование МПС возможно благодаря применению в их кинематических цепях особых звеньев и соединений. К их числу относятся свободные основные звенья (они передают движение другим цепям, перемещаясь друг относительно друга), у которых два структурно-конструктивных элемента (СКЭ) образуют кинематические пары. Конструктивно СКЭ выполнены таким образом, что при перемещении звеньев обеспечивается их замыкание и образование подвижных соединений и размыкание. Таким образом, в механизмах с разобщенными кинематическими цепями (мальтийские механизмы) происходит периодическое преобразование структуры. К основным звеньям могут относиться ползуны, кулачки, шатуны, ленты, цепи, пружины и т. п.

Аналогичную роль выполняют и свободные вспомогательные звенья (они не служат для передачи движения другим звеньям и, следовательно, не влияют на выполнение механизмами заданных движений). Вспомогательные звенья обеспечивают заданное функционирование основных звеньев: способствуют выполнению ими движений или удерживают их в состоянии покоя (стопор храпового механизма). К вспомогательным звеньям могут относиться рычаги, полумуфты конусные и кулачковые и др.

Исследование структуры механизмов различного назначения и конструктивного исполнения позволило расширить представление о структуре и особенностях кинематических цепей, звеньев и их соединений. Результатом этих исследований явилась предлагаемая классификация МПС, в которой впервые представлены дисковые механизмы переменной структуры.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чебышев П. Л. О параллелограммах // Соч. - Т. 2. - СПб., 1907.

2. Сомов И. О. О степенях свободы кинематической цепи // Журнал Русского физ.-хим. о-ва. - 1887. -Вып. 9, т. XIX.

3. ГохманХ. И. Кинематика машин. - Т. I. Основы познания и создания пар и механизмов. - Одесса, 1896.

4. Ассур Л. В. Исследование плоских стержневых механизмов с низшими парами с точки зрения их структуры и классификации. - СПб.: Изд-во С.-Петербург. политехн. ин-та, 1913-1918.

5. Малышев А. П. Анализ и синтез механизмов с точки зрения их структуры // Изв. Томского технолог. ин-та. - 1923. - Т. 44.

6. Добровольский В. В. Основные принципы рациональной классификации механизмов // Добровольский В. В., Артоболевский И. И. Структура и классификация механизмов. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1939. - М.: Изд-во АН СССР, 1939.

7. Добровольский В. В., Артоболевский И. И. Структура и классификация механизмов. - М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1939.

8. Артоболевский И. И. Основы единой классификации механизмов // Изв. АН СССР. - 1939. -№ 10. - С. 27-40.

9. Дворников Л. Т. Начала теории структуры механизмов. - Новокузнецк: Сибир. гос. горн.-метал. акад., 1994. - 101 с.

10. Дворников Л. Т. К вопросу о структурном синтезе групп Ассура: материалы Междунар. конф. «Проблемы механики современных машин». - Т. I. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2000. - С. 160-165.

11. Смелягин А. И. Структура, структурный анализ и синтез механизмов. - Новосибирск: НГТУ, 1997. - 107 с.

12. Пожбелко В. И. Универсальная структурная формула и классификация механических систем любой структуры // Изв. вузов. - 2000. - № 1-2. - С. 3-10.

13. Антонюк Е. Я. Динамика механизмов переменной структуры. - Киев: Наук. думка, 1988. - 182 с.

14. Кожевников С. Н., Антонюк Е. Я. Систематизация динамических моделей механических агрегатов // Теория механизмов и машин. - 1983. - Вып. 35. - С. 3-6.

15. Абдраимов С., Невенчанная Т. О. Построение механизмов переменной структуры и исследование их динамики. - Фрунзе: Илим, 1990. - 175 с.

16. Механизм переменной структуры с комбинированным шатуном механического пресса: пат. № 2219059 Рос. Федерация / Невенчанная Т. О., Хохлова О. А., Пазенко В. Т.; заявл. 08.01.2002; опубл. 20.12.2003.

17. Невенчанная Т. О., Хохлова О. А. Структурно-конструктивные особенности кинематических цепей механизмов переменной структуры // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. - 2005. - № 2 (25). - С. 104-111.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

18. Хохлова О. А. Исследования динамики механизма переменной структуры с комбинированным шатуном: дис. ... канд. техн. наук. - Астрахань, 2006. - 155 с.

REFERENCES

1. Chebyshev P. L. O parallelogrammakh [On parallelograms]. Soch. T. 2.[Collection of works. Vol.2]. St. Petersburg, 1907.

2. Somov I. O. O stepeniakh svobody kinematicheskoi tsepi [On the degrees of kinematic chain freedom]. ZhurnalRusskogo fiziko-khimicheskogo obshchestva, 1887, vyp. 9 [Issue 9], vol. XIX.

3. Gokhman Kh. I. Kinematika mashin [Kinematics of machines]. Vol. 1. Osnovypoznaniia i sozdaniiapar i mekhanizmov [Principles of learning and formation of couples and mechanisms]. Odessa, 1896.

4. Assur L. V. Issledovanie ploskikh sterzhnevykh mekhanizmov s nizshimi parami s tochki zreniia ikh struktury i klassifikatsii [Investigation of flat bar mechanisms with low vapors in terms of their structure and classification]. Saint Peterburg, S.-Peterburg. politekhn. in-t Publ., 1913-1918.

5. Malyshev A. P. Analiz i sintez mekhanizmov s tochki zreniia ikh struktury [Analysis and synthesis of mechanisms in terms of their structure]. Izvestiia Tomskogo tekhnologicheskogo instituta, 1923, vol. 44.

6. Dobrovol'skii V. V. Osnovnye printsipy ratsional'noi klassifikatsii mekhanizmov [Basic principles of rational classification of mechanisms]. Dobrovol'skii V. V., Artobolevskii I. I. Struktura i klassifikatsiia mekhanizmov [Structure and classification of mechanisms]. Moscow; Leningrad, AN SSSR Publ., 1939.

7. Dobrovol'skii V. V., Artobolevskii I. I. Struktura i klassifikatsiia mekhanizmov [Structure and classification of mechanisms]. Moscow; Leningrad, AN SSSR Publ., 1939.

8. Artobolevskii I. I. Osnovy edinoi klassifikatsii mekhanizmov [Foundations of the unified classification of mechanisms]. Izvestiia Akademii nauk SSSR, 1939, no. 10, pp. 27-40.

9. Dvornikov L. T. Nachala teorii struktury mekhanizmov [The principles of the theory of the structure of the mechanisms]. Novokuznetsk, Sibirskaia gosudarstvennaia gorno-metallurgicheskaia akademia, 1994. 101 p.

б1

10. Dvornikov L. T. K voprosu o strukturnom sinteze grupp Assura [To the question of structural synthesis of Assura group]. Materialy Mezhdunar. konf. T. I "Problemy mekhaniki sovremennykh mashin" [Proc. Int. Conf. Vol. I "Problems of mechanics of modern machines"]. Ulan-Ude: VSGTU Publ., 2000, pp. 160-165.

11. Smeliagin A. I. Struktura, strukturnyi analiz i sintez mekhanizmov [Structure, structural analysis and synthesis of mechanisms]. Novosibirsk, NGTU Publ., 1997. 107 p.

12. Pozhbelko V. I. Universal'naia strukturnaia formula i klassifikatsiia mekhanicheskikh sistem liuboi struktury [Universal structural formula and classification of mechanical systems of any structure]. Izvestiia vuzov, 2000, no. 1-2, pp. 3-10.

13. Antoniuk E. Ia. Dinamika mekhanizmov peremennoi struktury [Dynamics of mechanisms of variable structure]. Kiev, Nauk. dumka Publ., 1988. 182 p.

14. Kozhevnikov S. N., Antoniuk E. Ia. Sistematizatsiia dinamicheskikh modelei mekhanicheskikh agrega-tov [Systematization of dynamical models of mechanical aggregates]. Teoriia mekhanizmov i mashin, 1983, issue 35, pp. 3-6.

15. Abdraimov S., Nevenchannaia T. O. Postroenie mekhanizmov peremennoi struktury i issledovanie ikh dinamiki [Design of the mechanisms of variable structure and investigation of their dynamics]. Frunze, Ilim Publ., 1990. 175 p.

16. Nevenchannaia T. O., Khokhlova O. A., Pazenko V. T. Mekhanizm peremennoi struktury s kombiniro-vannym shatunom mekhanicheskogo pressa [Mechanism of variable structure with combined connecting rod of mechanical press]. Patent RF, no. 2219059, 2003.

17. Nevenchannaia T. O., Khokhlova O. A. Strukturno-konstruktivnye osobennosti kinematicheskikh tsepei mekhanizmov peremennoi struktury [Structural and designing characteristics of kinematic chains of mechanisms of variable structure]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2005, no. 2 (25), pp. 104-111.

18. Khokhlova O. A. Issledovaniia dinamiki mekhanizma peremennoi struktury s kombinirovannym shatu-nom: dis. ... kand. tekhn. nauk [Study of the dynamics of mechanism of variable structure with combined connecting rod. Cand. tech. sci. diss.]. Astrakhan, 2006. 155 p.

Статья поступила в редакцию 2.05.2012

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Хохлова Ольга Александровна - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика»; zaphy@yandex.ru.

Khokhlova Olga Aleksandrovna - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Theoretical and Applied Mechanics"; zaphy@yandex.ru.

Пономарёва Елена Владимировна - Астраханский государственный технический университет; канд. физ.-мат. наук, доцент; доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика»; acmpax@rambler.ru.

Ponomareva Elena Vladimirovna - Astrakhan State Technical University; Candidate of Sciences in Physics and Mathematics, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Theoretical and Applied Mechanics"; acmpax@rambler.ru.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.