CC BY
93
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
1. Шевингование при оптимальных режимах улучшает точностные показатели колес в 1,5 — 2,5 раза по сравнению с точностными показателями фрезерованных колес, а также значительно уменьшает разброс этих величин.
2. После шевингования значительно уменьшается шероховатость рабочих поверхностей зубьев (с Я210 — 20 у фрезерованных до Яа1,25 — 0,4 у шевингованных).
Библиографический список
1. Литвин, Ф. Л. Теория зубчатых зацеплений / Ф. Л. Литвин. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Наука, 1968. — 584 с.
2. Ерихов, М. Л. Применение принципа огибания с двумя независимыми параметрами к анализу и синтезу зубчатых зацеплений : дис. ... канд. техн. наук / М. Л. Ерихов. — Л., 1965. - 180 с.
3. Силич, А. А. О финишных методах обработки зубчатых колес цилиндрических передач Новикова / А. А. Силич, М. Л. Ерихов, Л. М. Голофаст // в-96 : Междунар. науч.-техн. конф. — Познань, 1996. — С. 317-321.
4. Силич, А. А. Разработка геометрической теории проектирования передач Новикова и процесса формообразования зубьев колес : автореф. ... д-ра. техн. наук / А. А. Силич. — Ижевск, 1999. — 32 с.
СИЛИЧ Александр Анатольевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры технологии машиностроения.
Адрес для переписки; kafedra_tm@tsogu.ru
Статья поступила в редакцию 11.04.2012 г.
© А. А. Силич
УДК 62101 А. И. СМЕЛЯГИН
И. В. ЮХНЕВИЧ
Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар
СТРУКТУРНЫЙ СИНТЕЗ И КИНЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОСТЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ВИБРОПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ___________________________________
Показано, что традиционные рычажные исполнительные механизмы (ИМ) виброперемешивающих устройств (ВПУ) не обеспечивают рациональные законы движения рабочих органов. Используя структурные математические модели механизмов и машин, предлагается оригинальный метод структурного синтеза простого ИМ ВПУ. Синтезирован новый ИМ ВПУ, у которого амплитуда колебаний рабочего органа не зависит от структуры и мощности привода, и проведен его кинематический анализ. Ключевые слова: виброперемешивающие устройства, рычажные механизмы, исполнительный механизм, структурный синтез, структурная математическая модель, кинематический анализ, метод замкнутых векторных контуров.
Высокое качество многих продуктов, получаемых в ходе химических реакций, может быть обеспечено только при необходимом уровне тепломассообмена, который обеспечивается главным образом перемешивающими устройствами.
В [1] показано, что наилучшие условия для тепломассообмена достигаются в виброперемешивающих устройствах (ВПУ), что позволяет сократить время протекания многих процессов в 1,5 — 2,0 раза, удельные капитальные и эксплуатационные затраты в 1,2 — 1,8 раза, а также улучшить качество получаемых продуктов по сравнению с применением классических перемешивающих устройств.
Рядом авторов [2, 3] указано на перспективность применения кривошипно-ползунных, кулисных и других рычажных механизмов в качестве исполнительных механизмов (колебательного привода) в аппаратах с ВПУ.
Однако непосредственное использование простых рычажных механизмов в ВПУ затруднено из-за того, что размеры кривошипа, определяющие в этих устройствах амплитуду колебаний рабочего органа, обусловлены не требованиями технологического процесса, а передаваемой приводом мощностью. Это чаще всего приводит к тому, что амплитуда колебаний рабочих органов таких ИМ неоптимальна для осуществления требуемого технологического процесса.
Для обеспечения оптимальных режимов перемешивания синтезируем ИМ ВПУ, у которого амплитуда колебаний рабочих органов не будет явно зависеть от размеров кривошипа.
Структурный синтез исполнительного механизма ВПУ. Синтез исполнительного механизма ВПУ проведем, используя методы и структурные математические модели, разработанные в [4].
Для синтеза структурной схемы ИМ ВПУ воспользуемся структурной математической моделью, которая имеет вид:
Р = о1 £ Ы‘ + 5
2 ^ t=Т - /
Т
п = £ п
I=т - /
П-1
Ш =£ 1р1 - кП (1)
2 = 1
к = р - п
П-1
Р = Е Р
2=1
Т < к + 1,
где р — общее число кинематических пар; Т — количество вершин базового звена; I — число вершин звеньев; п — общее число подвижных звеньев; п{ — число подвижных звеньев с 1 вершинами; р — общее число кинематических пар; р( — число кинематических пар 2-той подвижности; к — число независимых замкнутых контуров; П — подвижность пространства, в котором синтезируется механизм; 5 — число присоединений к стойкам; 2=1, 2, 3, 4, 5 — целочисленный индекс; /=0, 1, 2, ... — целочисленный индекс.
Сформулируем начальные условия синтеза.
Так как желательно, чтобы ИМ ВПУ был простым, то пусть он:
— существует в трёхмерном (М = 3) трёхподвижном пространстве;
— будет одноподвижным (Ш = 1);
— имеет два независимых замкнутых контура (к = 2);
— имеет трехвершинное базовое звено (Т=3).
После подстановки начальных условий в (1), модель ИМ примет вид:
(2)
р = 1/2 • (3 п3 + 2 п 2 + 5)
п = п з + п 2
Р = Р1 + Р 2
2 = р - п
1 = Р1 + 2 р 2 - 6
3 < 2 + 1.
После ряда преобразований (2) получим финишную структурную модель синтезируемого ИМ
п = п3 + п2
Р = Р1 + Р2 р - п = 2
Р + Р2 = 7 3 < 2 + 1.
(3)
п3 = 1; Р2 = 1; в = Р 3; = 6; п 5 =1 Р1 4; = п2 = 3;
п3 = 2; Р2 = 1; в = 2; Р = 6; п 5 =1 Р1 4; = п2 = 2;
п3 = 3; Р2 = 1; в = 1; Р = 6; п II ; 1Р = ; п2 = 1;
п3 = 1; Р2 = 2; в = Р 3; =5; п II ; 1Р = ; п2 = 2;
п3 = 2; Р2 = 2; в = Р 2; =5; п 3 =1 Р1 3; = п2 = 1;
п3 = 3; Р2 = 2; в = 1; Р =5; п II ; 1Р = ; п2 = 0;
п3 = 1; Р2 = 3; в = 3; Р =4; п II ; 1Р =1 п2 = 1;
п3 = 2; Р2 = 3; в = 2; Р =4; п II ; 1Р =1 п2 = 0.
Проведенный анализ полученных решений показал, что конструктивно наиболее просто обеспечивает необходимый режим работы ВПУ исполнительный механизм, соответствующий первому решению.
Согласно этому решению, исполнительный механизм должен иметь:
— одно трехвершинное звено (п = 1);
— три двухвершинных звена (п = 3)
— одну двухподвижную кинематическую пару (Р2=1);
— пять одноподвижных кинематических пар
(Р1 = 5);
— четыре подвижных звена (п = 4);
— три присоединения к стойке (в = 3).
Найдем общее число возможных разновидностей
ИМ, соответствующих этому решению.
В соответствии с [4] общее число С возможных разновидностей ИМ определится
С
(4)
Очевидно, что в синтезируемом механизме число звеньев, кинематических пар и присоединений к стойке должно быть целым положительным числом. Следовательно, все решения модели (3) должны быть целочисленными.
Исследования модели (3) показали, что она имеет восемь вариантов решения, которые удовлетворяют начальным условиям синтеза. Эти решения, соответственно, имеют вид:
где и — число кинематических пар, входящих в механизм, образуемых из д видов кинематических пар.
При создании исполнительного механизма, с целью получения проверенной и надежной конструкции, будем использовать только вращательные и поступательные одноподвижные кинематические пары, а так же двухподвижное зубчатое зацепление. Тогда из формулы (4) найдем число возможных разновидностей структурных схем синтезируемого ИМ
С=36 = 729.
То есть существует семьсот двадцать девять возможных вариантов структурных схем ИМ ВПУ.
Проведенный анализ этих возможных схем показал, что для синтеза ИМ ВПУ реально подходит только структурная схема, приведенная на рис. 1.
Видно, что синтезированный механизм состоит из последовательно соединенных между собой простых механизмов, а именно, шарнирного четырёх-звенника и зубчато-реечного механизма.
Шарнирный четырёхзвенник преобразует вращательное движение кривошипа в возвратно-вращательное движение коромысла (зубчатого сектора), и затем зубчато-реечный механизм трансформирует возвратно-вращательное движение зубчатого сектора в возвратно-поступательное (колебательное) движение рейки (штока), на которой жестко закрепляются рабочие органы ВПУ.
Из схемы синтезированного ИМ (рис. 1) видно, что амплитуда колебаний штока 4 (рабочего органа ВПУ) определяется не только длиной кривошипа, но и размерами шатуна, коромысла и зубчатого зацепления. Следовательно, подбирая правильно эти размеры, можно всегда получить определяемую из условий обеспечения оптимального режима переме-
и
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
Рис. 1. Структурная схема исполнительного механизма ВПУ:
А, В, С, О — вращательные кинематически пары; Е — зубчатое зацепление;
Р — поступательная кинематическая пара;
1 — кривошип; 2 — шатун;
3 — коромысло-зубчатый сектор; 4 — рейка-шток
Рис. 2. Кинематическая модель шарнирного четырехзвенника
шивания амплитуду колебаний рабочих органов ВПУ.
Кинематический анализ исполнительного механизма ВПУ. Синтезированный механизм образован в результате последовательного объединения шарнирного четырехзвенника и зубчатого механизма (зубчатый сектор — рейка). Следовательно, чтобы исследовать кинематику этого механизма, целесообразно предварительно проанализировать кинематику механизмов, его образовавших.
Кинематический анализ шарнирного четырех-звенника проведем методом замкнутых векторных контуров в соответствии с [5] (рис. 2).
Уравнение замкнутости векторного контура шарнирного четырехзвенника имеет вид:
11 + 12 + 13 = 1
0 '
(5)
11,12, 13, 10— вектора, соответственно, лежащие на звеньях 1, 2, 3, 0.
Проецируя (4) на оси х и у, получим
l1 cos ф1 + 12 cos ф2 + 13 cos ф3 = 10 l1 sin ф1 + 12 sin ф2 + 13 sin ф3 = 0,
(б)
где ф1( ф2, j3 — углы, между осью х и соответствующими звеньями; lv l2, l3 — длины соответственно звеньев 1, 2, 3; 10 — расстояние между шарнирами A и D.
Введем следующие обозначения: q = 1о - 1i cos ji u = 11 sin j1
q2 + u2 - l32 + l22
a =
2ql2
q2 + u2 + l32 - l22 2ql3
Ьду = -.
д
В соответствии с принятыми обозначениями, после ряда преобразований (6) примет вид
ф2 = arccos(c - cos v) - v ф3 = - arccos(a - cos v) - v.
(7)
Продифференцировав (6) по времени t, найдем угловые скорости и ускорения звеньев 2 и 3:
= -w
ll sin(ф1 - фз ) ; 1 12 sin(ф2 - ф3)'
ll sin(ф2 - ф1) ;
1 13 sin( ф2 - фз ) '
(8)
(9)
e = Щ? ll cos(ф1 - фз) + w313 + w212 cos(ф2 - фз) ; (10)
- l2 sin(ф2 - ф3)
wi211 cos(ф1 - ф2 ) + w212 + w313 cos(ф2 - фз )
l3 sin(ф2 - ф3)
, (11)
где ю1, ю2, ю3, е1, е2, е3 — соответственно угловые скорости и ускорения соответствующих звеньев.
Кинематические зависимости между углом поворота зубчатого сектора и перемещением рейки (штока) имеют вид:
S 4 = ф з- гз; V4 = w з- гз;
a4 = e 3 - r3,
(12)
(13)
(14)
где 54, У4, а4 — соответственно перемещение, скорость и ускорение рейки; г3 — радиус зубчатого сектора.
Таким образом, используя (7— 14), определим все кинематические параметры любых звеньев и точек синтезированного механизма.
Итак, синтезирован новый исполнительный механизм виброперемешивающих устройств, у которого амплитуда колебаний рабочего органа не зависит от структуры и мощности привода, и проведен его кинематический анализ.
Библиографический список
1. Бажин, В. Т. Разработка и исследование электромагнитной мешалки / В. Т. Бажин, А. А. Литвинова // Электромагнитные машины ударного действия. — Новосибирск : ИГД СО АН СССР, 1978. - С. 101-103.
2. А. с. 233616 СССР МПК Б01Р9/18. Вибромешалка / О. А. Хан, Ю. А. Гущин, Н. Пиков. — № 1045259/23-26 ; заявл. 24.12.65 ; опубл. 24.12.68, Бюл. №3. — 2 с.
3. Смелягин, А. И. Синтез и исследование машин и механизмов с электромагнитным приводом / А. И. Смелягин. — Новосибирск : Новосибирский университет, 1991. — 249 с.
4. Смелягин, А. И. Структура механизмов и машин / А. И. Смелягин.— М. : Высш. шк., 2006. — 304 с.
c=
5. Гордиенко, Э. Л. Кинематическое исследование шарнирного четырехзвенника аналитическим методом. Методические указания к выполнению лабораторной работы № 2 по курсу «Теория механизмов и машин» / Э. Л. Гордиенко, Н. А. Лазарев. — Донецк : ДонНТУ, 2005. — 10 с.
СМЕЛЯГИН Анатолий Игоревич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической механики.
Адрес для переписки: asmelyagin@yandex.ru ЮХНЕВИЧ Илья Владимирович, аспирант кафедры теоретической механики.
Адрес для переписки: bkmz1988@mail.ru
Статья поступила в редакцию 04.06.2012 г. © А. И. Смелягин, И. В. Юхневич
УДК 631.33:656.137 д. п. СОЛОМКИН
О. в. МЯЛО
Омский государственный аграрный университет им. П. Д. Столыпина
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ВЫНОСА ОПЕРАЦИЙ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ТРАКТОРОВ ЗА ПРЕДЕЛЫ НАПРЯЖЕННОГО ПЕРИОДА ПОЛЕВЫХ РАБОТ
В статье дан алгоритм расчетов вероятности неверного определения безотказной работы трактора. Применив вероятностные характеристики распределения ошибок измерения по нормальному закону и показателей безотказности трактора по закону Вейбулла, представляется возможным определить риски при эксплуатации трактора в напряженные периоды полевых работ.
Ключевые слова: техническое обслуживание, трактор, машинно-тракторные агрегаты, отказ, диагностируемый узел, вероятность определения.
В напряженные периоды сельскохозяйственных работ (посев, уборка и др.), от выполнения которых в сжатые сроки зависят урожайность и доходность сельскохозяйственного предприятия, возникает необходимость останавливать машинно-тракторные агрегаты на техническое обслуживание, объемы которого возрастают пропорционально объемам выполненных сельскохозяйственных работ. При этом возникает противоречие: если вовремя не провести техническое обслуживание, в особенности сложные и трудоемкие ТО-2 и ТО-3, то возрастает интенсивность отказов, машинно-тракторный парк вынужденно простаивает на ремонте и теряется урожай, а если проводить техническое обслуживание вовремя, то количество отказав уменьшается, но возрастают простои на техническом обслуживании и также теряется урожай. Золотую середину здесь найти сложно, и механизатор, работающий на тракторе, как правило, принимает решение в пользу выполнения полевых работ в ущерб профилактике, что ведет к преждевременному износу техники. Чтобы устранить это противоречие, ранее была разработана и внедрена в сельскохозяйственное производство система технического обслуживания машин по принципу календарного планирования. Суть системы сводится к тому, что сложные технические обслуживания ТО-2 и ТО-3, которые следовало бы проводить в напряженные периоды сельскохозяйственных работ, проводят до их наступления, когда трак-
торы простаивают [1, 2]. При этом предполагалось, что, проведя предстоящие ТО-2 и ТО-3 с применением средств диагностики, будут исключены не только простои на техническом обслуживании, но и на устранении отказов в периоде, когда нужно достигнуть максимума производительности при выполнении сельскохозяйственных работ. При этом в качестве критерия целесообразности принят эффект Э, полученный от проведения ТО-2 и ТО-3 (ТО-2 выполняется также в объеме ТО-3) до проведения сельскохозяйственных работ, который равен [1, 2]:
Э=С1+С2-С3, (1)
где С1 и С2 — затраты, связанные с сокращением простоев техники на техническом обслуживании и устранении отказов в предстоящем напряженном периоде полевых работ; С3 — дополнительные затраты, связанные с увеличением объемов работ на техническое обслуживание и диагностирование тракторов до наступления напряженного периода.
Однако, как показала практика, при кажущейся простоте критерия целесообразности, он не учитывает ряд важных факторов, которые снижают эффективность этой прогрессивной формы технического обслуживания МТП, и, главное, не известно, проработает ли машина, выполняя предстоящий объем полевых работ, без возникновения отказов. Не появятся ли «фиктивные отказы» при проведении
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
