Реферат: Дрнті 55 Кінематичний синтез кривошипно-кулісних механізмів з вистоєм вихідної ланки Кіницький Я. Т., Марченко М. В

25-015-10


УДК 621 ДРНТІ 55


Кінематичний синтез кривошипно-кулісних механізмів з вистоєм вихідної ланки


Кіницький Я.Т., Марченко М.В., доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри машинобудування Хмельницького національного університету; кандидат технічних наук, старший викладач кафедри машинобудування Хмельницького національного університету відповідно; телефон: (0382) 61-30-87.

Ключові слова: синтез, аналіз, механізм, вистій, оптимізація, геометрія, реакція, ресурси, поступальний рух, додатковий елемент, ударне навантаження, важільний механізм, конструкція.


РЕФЕРАТ

Проект присвячений розробці аналітично-числових методів синтезу кривошипно-кулісних механізмів з вистоєм вихідної ланки в одному та двох крайніх положеннях.

Розроблені методи ґрунтуються на теоретичних положеннях кінематичної геометрії, що дозволили вперше в площині кривошипно-кулісного механізму встановити положення особливих точок (точок Болла, Бурместера та точок розпрямлення четвертого порядку), шатунні криві яких на певних ділянках з великою точністю наближаються до прямої чи дуги кола. Запропонований метод синтезу механізмів з двома вистоями оснований на знаходженні точки самоперетину кривих особливих точок, яка відповідатиме шатунній кривій з двома ділянками розпрямлення. Аналіз геометричних, кінематичних та кінетостатичних параметрів синтезованих механізмів дозволив встановити область їх існування. Задача оптимізаційного синтезу розв'язувалась шляхом мінімізації цільової функції, в склад якої входять критерії виконання різних умов синтезу. Моделювання роботи механізмів підтвердило достовірність теоретичних досліджень та працездатність синтезованих механізмів.


^ ОПИС ПРОЕКТУ

Метою роботи є розробка аналітично-числових методів оптимізаційного синтезу плоских важільних механізмів з вистоєм вихідної ланки, побудованих на базі кривошипно-кулісного механізму, за заданими геометричними, кінематичними та силовими характеристиками.

Для досягнення вказаної мети були поставлені та розв'язані наступні задачі: 1) провести пошук у шатунній площині кривошипно-кулісного механізму особливих точок, які дозволять синтезувати напрямні механізми та механізми з вистоєм вихідної ланки; 2) використавши положення кінематичної геометрії, розробити загальну методику синтезу прямолінійно-напрямних і кругових напрямних кривошипно-кулісних механізмів, на базі яких можливо спроектувати механізми з двома вистоями вихідної ланки; 3) встановити межі існування та працездатність синтезованих механізмів; 4) дослідити та проаналізувати залежності між геометричними, кінематичними та кінетостатичними характеристиками зазначених механізмів; 5) розробити алгоритми та програмне забезпечення для проведення кінематичного аналізу, силового розрахунку та оптимізаційного синтезу механізмів з вистоєм вихідної ланки, побудованих на базі кривошипно-кулісного механізму. Предмет дослідження - плоскі важільні механізми з вистоєм вихідної ланки, побудовані на базі кривошипно-кулісного механізму.

У сучасному машинобудуванні широке застосування знайшли механізми, які при безперервному обертовому русі вхідної ланки забезпечують обертовий чи поступальний рух вихідної з періодичним її вистоєм. Для цього часто використовують мальтійські, храпові, кулачкові механізми, механізми неповних зубчатих коліс. Проте зазначені механізми характеризуються певними недоліками: наявністю вищих кінематичних пар, що збільшує інтенсивність зношування поверхонь тертя; необхідністю замикання (геометричного чи силового) вищої кінематичної пари, що викликає необхідність встановлення додаткових елементів; виникненням ударних навантажень при великій швидкості обертання ведучої ланки.

Важільні механізми, які теж можуть бути використані для реалізації руху вихідної ланки з вистоєм, позбавлені зазначених вище недоліків. За їх допомогою теоретично можна відтворити будь-який закон руху. Однак на практиці використання таких механізмів обмежується тим, що вони складаються з великої кількості ланок, а це викликає ймовірність отримання недопустимих кутів передачі, збільшення втрат потужності на тертя в кінематичних парах, відхилення від заданої залежності в результаті нагромадження похибок, викликаних неточністю виготовлення, наявністю зазорів у кінематичних парах і пружними деформаціями ланок. Таким чином, відхилення дійсного закону руху такого багатоланкового механізму може виявитись більшим, ніж для механізму з простішою структурою, спроектованого наближеними методами. Наближені важільні механізми при певних співвідношеннях ланок можуть з достатньою практичною точністю забезпечувати тривалі вистої вихідної ланки.

Аналіз сучасних робіт за зазначеною тематикою показав, що останнім часом з'являються деякі публікації, які присвячені окремим питанням синтезу зазначених механізмів, проте комплексних і фундаментальних праць, що були б зручні для конструкторів, немає.

Тому актуальною науково-технічною задачею є розробка методів синтезу важільних механізмів, зокрема кривошипно-кулісних, для отримання переривчастого руху вихідної ланки.

Аналіз відомих механізмів переривчастого руху показав, що одним із пріоритетних напрямків створення механізмів зі складними законами руху робочого органу є розробка методів синтезу саме важільних механізмів, оскільки вони мають ряд беззаперечних переваг перед іншими механізмами, які мають аналогічне призначення. Серед них: широкий діапазон зміни кінематичних характеристик, а отже й величезна гамма законів руху вихідної ланки; відсутність ударів у законах руху; можливість передавати значні зусилля при великих швидкостях; висока зносостійкість зазначених механізмів тощо.

Велика кількість змінних параметрів, що впливають на закон руху вихідної ланки спричинила необхідність розробки загальних методів синтезу, не залежно від структурної схеми механізму. У представленому проекті на прикладі кривошипно-кулісного механізму запропоновано новий підхід до розв'язання подібної задачі. Він ґрунтується на використанні поєднання теоретичних основ кінематичної геометрії і потужного апарату оптимізації, що дозволяє у короткі строки отримувати такі вихідні параметри механізму, які забезпечуватимуть умови, задані конструктором.

Таким чином, основною науковою ідеєю, яка реалізована при розробці цієї теми, є: 1) використання кінематичної геометрії для встановлення в шатунній площині механізму таких точок, які забезпечуватимуть ділянку постійної кривизни на шатунній кривій, що уможливить подальший синтез напрямних механізмів та механізмів із вистоєм вихідної ланки; 2) застосування аналітично-числових методів для аналізу шатунних кривих досліджуваних механізмів та вибір необхідних геометричних параметрів; 3) встановлення меж існування таких механізмів; 4) дослідження кінематичних та силових характеристик досліджуваних механізмів; 4) створення бази даних параметрів досліджуваних механізмів з метою подальшого їх оптимізаційного синтезу; 5) розробка інженерних методів оптимального синтезу вказаних механізмів за вибраними критеріями; 6) розробка програмного забезпечення з інтуїтивно зрозумілим користувацьким інтерфейсом для синтезу досліджуваних механізмів.

В основу проекту покладено наукові ідеї, висунуті представниками наукової школи, очолюваної проф. Кіницьким Я.Т., яка функціонує на базі кафедри машинознавства Хмельницького національного університету. Розроблені аналітичні методи синтезу шарнірних механізмів Чебишева за заданими тривалістю і точністю вистою вихідної ланки, кутами передачі, коефіцієнтом зміни середньої швидкості вихідної ланки, мінімальними реакціями в кінематичних парах і максимальним коефіцієнтом корисної дії, складені відповідні програми синтезу цих механізмів для ЕОМ і довідкові матеріали, які дозволяють вести оптимальний синтез механізмів за заданими умовами. За матеріалами цих досліджень опубліковано більше 30 наукових статей, монографія і методичні вказівки для інженерів-конструкторів, захищені 2 кандидатські та 1 докторська дисертації, готуються до захисту ще дві докторські та три кандидатські дисертації. Матеріали наукових досліджень використані в підручнику та навчальних посібниках з теорії механізмів і машин.

Новизна проекту полягає у тому, що з метою синтезу кривошипно-кулісних механізмів із вистоєм вихідної ланки пропонується використовувати поєднання теоретичних основ кінематичної геометрії з методами оптимізації та можливостями сучасної комп'ютерної техніки, що дозволяє конструкторові без особливих зусиль у короткі строки синтезувати механізм за заданими умовами.

Етапи виконання:

1. Аналіз та розроблення теоретичних аспектів синтезу напрямних кривошипно-кулісних механізмів (ККМ) та ККМ з вистоєм вихідної ланки.

1.1. Аналіз сучасного стану та рівня розвитку методів синтезу досліджуваних механізмів.

1.2. Розроблення методів геометричного синтезу напрямних механізмів, які слугуватимуть основою для механізмів із вистоєм вихідної ланки.

1.3. Розроблення чисельних методів аналізу шатунних кривих ККМ, з метою встановлення можливості їх використання у ролі базових напрямних механізмів.

1.4. Розроблення алгоритмів та відповідного програмного забезпечення для комп'ютерної реалізації запропонованих методів. Формування бази даних.

2. Розроблення методів кінематичного синтезу ККМ з вистоєм вихідної ланки за необхідними геометричними та кінематичними параметрами.

2.1. Визначення можливості приєднання до базового ККМ групи, яка забезпечуватиме вистій.

2.2. Розроблення методів синтезу приєднувальної групи.


2.3. Алгоритмізація розроблених методів, розроблення й відлагодження необхідного програмного забезпечення для проведення синтезу. Формування бази даних.

2.4. Формування довідкових даних (таблиць, карт попереднього синтезу).

3. Оптимальний синтез ККМ за заданими геометричними кінематичними та силовими параметрами.

3.1. Розроблення алгоритмів для кінематичного і силового розрахунку досліджуваних механізмів.

3.2. Встановлення меж існування та області допустимих значень змінних параметрів досліджуваних механізмів.

3.3. Вибір найраціональнішого методу оптимізаційного пошуку.

3.4. Розроблення комп'ютерної програми для проведення оптимального синтезу.

3.5. Розроблення інструкції для проведення інженерного синтезу кінцевим користувачем.

Технологічні та технічні аспекти виконання проекту полягають у тому, що поставлені задачі досліджень були розв'язані за допомогою аналітичних та числових методів. Аналітичні дослідження базувались на теоретичних основах кінематичної геометрії, які дозволили визначити положення особливих точок шатунної площини кривошипно-кулісного механізму, необхідних для синтезу базового напрямного механізму. Для розв'язання задач кінематичного аналізу та силового розрахунку синтезованих механізмів використано аналітичні методи теорії механізмів і машин. При аналізі шатунних кривих, законів руху вихідної ланки, а також для проведення оптимізаційного синтезу використовувались числові методи. Достовірність результатів аналітичних досліджень та працездатність синтезованих механізмів встановлювались шляхом моделювання їх роботи за допомогою визнаної у світі програми комп'ютерної симуляції, а також проведення досліджень на експериментальній установці.

Необхідність безперервного зростання продуктивності машин, інших якісних та кількісних показників їхньої роботи не викликає сумнівів. А оскільки періодичний рух виконавчих органів із зупинкою використовується в широкому спектрі сучасного технологічного обладнання, зокрема в машинах-автоматах текстильної, харчової промисловості, упакувальному обладнанні тощо, то необхідність виконання даного проекту стає очевидною. У більшості випадків для цієї мети застосовують кулачкові механізми, що зв'язано з їхньою універсальністю та порівняною легкістю їх проектування. Проте основним недоліком таких механізмів є наявність у них вищої кінематичної пари, що, як відомо, викликає високі питомі зусилля та швидкий їх знос, необхідність замикання ланок, які входять у цю кінематичну пару, а це в кінцевому рахунку знижує надійність механізмів такого класу.

Подібні закони руху виконавчих органів можуть бути забезпечені і за допомогою важільних механізмів, зокрема кривошипно-кулісних. Відсутність у них вищих кінематичних пар створює передумови їх використання для передачі значних зусиль. Існує також можливість застосовувати ці механізми у швидкохідних машинах, що має визначальне значення для збільшення продуктивності останніх. Основною проблемою, що обмежує використання важільних механізмів для реалізації переривчатого руху, є складність їх синтезу. Саме розв'язанню задач синтезу важільних механізмів і присвячена дана робота.

Результати досліджень, представлені у вигляді методів синтезу, бази даних, номограм та таблиць, а також розроблених алгоритмів та програмного забезпечення, мають як теоретичне (для розвитку теорії машин і механізмів), так і суто прикладне значення (для суспільно-економічного розвитку України в цілому). Вони дозволяють проектувати важільні механізми з вистоєм вихідної ланки за заданими геометричними, кінематичними та кінетостатичними умовами, здійснювати оптимізаційний синтез за вибраними критеріями, що в кінцевому рахунку призводить до підвищення надійності та довговічності цільової машини, підвищення її продуктивності. Розроблені комп'ютерні програми, що реалізовують запропоновані методики, можуть використовуватись у конструкторських і проектних бюро як для синтезу нових машин, так і для удосконалення існуючих.


20.03.12