Анализ, синтез и разработка самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями Наурызбаев, Рахимжан Кажекевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Идея построения самоустанавливающихся механизмов имеет вековую историю. Первоначально эта идея закладывалась в научных трудах основоположников механики машин и связана с именами П.Л.Чебшёвз, Ф.Рело.-О.Мора, МДеви, Д.Сильвестра, Л.Бурместера, М.Грюблера, П.О.Сомова, Х.И.Гохмана и других. Родоначальная идея построения самоустанавливающихся механизмов по существу превращена в стройную научную структурную теорию в работах классиков по теории механизмов и машин. Результаты фундаментальных классических исследований в области теории структуры механизмов связаны с именами А.ПДалышева, В.В.Добровольского, Л.В.Ассу-ра, И.И.Артоболевского, Г.Г.Баранова, С.Н.Кожевникова, Н.И.Колчи-на, 0.Г#0зола, У.я.Джолдасбокова и др.Различные аспекты фундаментальной классической теории структуры механизмов продоляают совершенствоваться и развиваться в научных трудах кргтаейших специалистов по теории механизмов и машин, а такяе их многочисленных учеников в наше время.

Актуальность проблемы развития идеи, создания, внедрения самоустанавливающихся механизмов с жесткими звеньями несомненна, т.к. их потребность в различных отраслях машиностроения весьма велика. Внедрение самоустанавливающихся механизмов с жесткими звеньями в практику машиностроения позволяет получить многократный выигрыш. Эти механизмы имеют большую нагрузочную способность, долговечность, высокий КПД, меньшие требования к точности. „

В связи с изложенным дальнейшее развитие классической структурной теории самоустанавливающихся механизмов с жесткими звеньями и создание принципиально нового класса самоустанавливающихся шарнирно-стершевых механизмов с гибкими звеньями общего назначения является самостоятельно научно-технической, исследовательской проблемой современного практического машиностроения. Научно-теоретическая з народнохозяйственная значимость названной проблемы побуждают диссертанта на ее решение.

Реферируемая .диссертация посвящена созданию методов отруктур-ног'о анализа и синтеза, проектирования,расчета кинематических, динамических характеристик и на этой основа разработке принципиально нового класса самоустанавливающихся механизмов.с гибкими звеньями, резко отличающихся , от традиционных механизмов с жзстки-ми звеньями более широкими функциональными возможностями, малой чувствительностью к неточностям изготовления, высокой нагрузочной

4 и компенсирующей способностью, низкой металлоемкостью, бесшумностью работы п баззазориостьв конструкции. Механизмы достаточно дешевы, легки и технологичны в изготовлении, а самоа главное - исполнительные званья структуры предлагаемых механизмов обладают свойствами сошустанавливаемостя.

Цель работы - разработка научно обоснованных методов анализа и синтеза самоустанавлявающпхся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями, отвечающих требованиям единообразия структурной классификации, методов их киникатического, динамического исследования и проектирования, на основании этого соверзенствование существующих ж создание новых механизмов общего назначения, удовлетворяющих требованиям практического машиностроения.

Методы исследования. Разработка методов структурного анализа и синтеза самоустанавливающихся иаряпрно-стеркневых механизмов с гибкими звеньями основана на структурной формуле А.П.Малышева и .. расширенном определении одного из основных понятий теории структуры механизмов структурной группы. Созданные методы структурного анализа и синтеза механизмов с гибкими звеньями выполнены на базе развития классической структурной теории механизмов с жесткими звеньями, основанной на структурной формуле П.Л.Чабышёва и понятии о структурной группе по Ассуру-Артоболевскому. Построение обобщенных и приближенных динамических моделей самоустанавливающихся механизмов с гибкими звеньями выполнены на основе современных методов теоретической и прикладной механики. Обобщенные математические модели самоустанавливающихся механизмов с гибкими звеньями в нелинейной постановке задачи получены на основе уравнения Лагран-аа второго рода. Численный анализ математических моделей самоус-танавливаюцихся механизмов с гибкими звеньями выполнен методом Рунге-Кутта с широким применением ЭВМ. Аналитическое решение математических моделей самоустанавлпвающихся механизмов с гибкими званьями выполнено с применением специальных Функций (эллиптических интегралов). Анализ динамики вынужденных колебаний самоустанавли-вающихся механизмов с. гибкими звеньями проведен с использованием метода-"теории возмущений" Н.Н.Боголюбова.

Научная новизна;

1. На основа развития классической структурной теории механизмов с Евсткими звеньями создана общие методы структурного анализа а синтеза пространственных статически определимых (самоустанавливающихся) механизмов с жесткими званьями, дано расширенное определение структурной группы.

2. На основе расширенного определения структурной группы разра-

бо га ни обтде классификации одяозвенкых и многозвенных базовых статически определимых група - контуров пулевой подвижности для самоустанавлизагодихся механизмов с жесткими звеньями.

3. Иа основа формулы А.П.Малызева определены условия закономерностей принципа образования базовых статически определимых група при структурном синтезе.

4. Развита общая структурная теория кинематических цепей механизмов с гибкими звеньями. На основе классификации однозвенных статически определимых групп-контуров нулевой подвижности механизмов с жесткими звеньями разработана общая классификация однозвенных групп-контуров нулевой подвижности механизмов с гибкими ЗВеЯЬ-ЯМЛ.

5. Ка основе формулы А.П.І.'алкизва определены условия закономерностей принципа образования базовых однозвенных групп-контуров нулевой подвижности при структурном синтезе механизмов с гибкими звеньями.

6. На основе развития общей структурной теории кинематических цепей механизмов с гибкими зззньяш разработаны методы анализа и синтеза принципиально новых самоустанавливающихся шарнпрно-стар--невых механизмов с гибкими звеньямл общего назначения.

7. Новые методы структурного анализа и синтеза паряиряо-стерп-невых механизмов с гибкими звеньями открыли широкие перспективы для создания п изобретения целого семейства принципиально новых, патентоспособных самоустанавливающихся механизмов общего назначеній. iS технических репенпЗ, связанных с конструктивными а технологическими особеиностямл разрабатываемых механизмов⁰, передач и ма-шпн на базе этих исполнительных механизмов, признаны изобретениями.

8.Предлог.еяы новые самоустанавливающиеся иариирно-стергнввыз механизмы привода рабочих органов сельскохозяйственных мазил, зуб-чато-рнчагше механизмы, роторныо механизмы .для гибкого соединения валов, механизмы стеклоочистителей транспортных средств, механизмы роботов и манипуляторов и др.

9. Разработаны обобщенные динамические я математические модели
предлагаемых маханизмов. шэтематяческие модели нового класса меха
низмов описаны в нелинейной -постановка задач.

10. Разработай пробяемло-ориентированны;'! алгоритм численного г:п-
лпзэ динамики исследуемых механизмов. Аналитически репзгш типовые
задачи динаміки и определены основные специфические, кинематичес
кие и динамические характеристики самоустзнавлкзающпхся парнлрно-
стзряневых механизмов с гибкими званьями.

II. Произведен анализ динамики вынужденных колебаний изучаемых механизмов с учетом характеристики двигателя. На основе теории возмущений Н.Н.Боголюбова построены приближенные решения уравнений движения этих механизмов. Анализ устойчивости движения самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими звеньями в стационарных режимах эксплуатации произведен в форме В.О.Кононвнко с выполнением требований в форме Рауса-Гурвица.

Научная новизна предлагаемых механизмов,.устройств, машин, передач подтверждается авторскими свидетельствами на изобретения и патентами.

Практическая ценность: .-

1. Развитие классической структурной теории механизмов с жесткими звеньями, создание наиболее обоих методов структурного анализа, синтеза пространственных механизмов с жесткими звеньями и на этой основе разработка Методов анализа и синтеза .самоуста на вливающихся механизмов с гибкими.звеньями не только-существенны с научной точки зрения, но и имеют большое практическое значение. Предлагаемые общие методы анализа и синтеза вносят существенный вклад в развитие общей классической структурной теории механизмов, являются более совершенным инструментом в конструкторской практике C03- ' дания надежных и долговечных конструкций машин и механизмов.

2. Развитие классической структурной теории механизмов на основе расширенного понятия о структурной группе позволило ооздать классификацию одноконтурных однозвенных групп-нонтуров нулевой подвижности. Основная идея Л.В.Ассура об образовании механизма из плоских статически определимых групп распространена на пространственные механизмы.. -

.. 3. Предлагаемый метод развития.классической структурной теории механизмов позволил диссертанту провести структурный анализ боль-

того разнообразия известных простых и сложных пространственных ме-

ханизмов. на конкретных примерах.

4. Развитие классической структурной теории механизмов позво
лило создать клаосификацию однозвенных. ста тич веки определимых
групп-контуров с гибкими звеньями. Основная идея Л.В.Ассура об об
разовании механизма из плоских статически определимых групп рас-

„ пространена не только на пространственные механизмы с жеоткими звеньями, но и на механизмы с гибкими.звеньями.

5. Предложенный метод структурного анализа.и синтеза механиз
мов с.гибкими звеньями позволил диссертанту провести структурный
анализ большого разнообразия известных простых и сложных механиз
мов на конкретных примерах.

6. На основе разработанных теоретических положений создан це
лый ряд схемных и конструктивных вариантов принципиально новых са
моустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов с гибкими зве
ньями. Рекомендованы к внедрению 4 аналитических обзора: "Перс
пективы применения яоеых исполнительных механизмов в машинострое
нии", -"Перспективы применения новых конструкций гибких.муфт в ма
шиностроении", "Пути рационального проектирования надежных испол
нительных механизмов машинам В названных рекомендациях освещены
конструктивные особенности, функциональные преимущества предлагае
мых механизмов, указаны конкретные области их рационального исполь
зования. Освещены инженерные методы проектирования самоустанавли
вающихся механизмов с гибкими звеньями. Рекомендованы к внедрению

в конкретных областях техники, промышленности, сельском хозяйстве ^JlQ информационных листков, о научно-техническом достижении.

7. Машины и устройства на база предлагаемых механизмов достаточно дешевы, легки и технологичны в изготовлении, могут работать без смазки, устойчивы к действиям абразивных и агрессивных срад, надежны в эксплуатации, область их применения мо&ет быть существенно расширена. Работоспособность ряда устройств и машин проверена в лабораторных и хозяйственных условиях. При непосредственном участии диссертанта спроектирован опытный образец и проведены производственные испытания экспериментального рыхлителя-выравнивателя почвы (вибрационная борона а.с. СССР !? 1056933). Диссертантом разработаны программа п методика лабораторных экспериментальных исследований динамики пространственного шарнирно-старзневого механизма с двумя гибкими стержнями, проведан полный цикл лабораторных динамических исследований.

8. В целях определения работоспособностп новых самоустанавли-ваю'дяхся механизмов с гибкими звеньями, проверки теоретических и методических полонений разработанных методов анализа я.синтеза проводились дополнительные экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных действующих моделях и опытно-промышленных образцах. Разработаны модели экспериментальных стендов: механизмов для гибкого соединения валов (муфты, гибкой крестовины); механизма привода нока ка- .. пинки для стрпяки апвотяых; механизма манипулятора со слояннм движением исполнительного ЗЕвна; механизма привода рабочих органов почвообрабатывающей машины..

Результаты экспериментальных, исследований показали, что применение новых самоустанавлиЕающихся шарнирно-стержневых механизмов

с гибкими звеньями в конструкциях реальных машин и механизмов обеспечивает снижение металлоемкости и повышение надежности,простоту конструкции, высокую адаптивность к вероятным нагрузкам,удобство в эксплуатации,что соответственно подтверждает технико-экономическую целесообразность их применения в различных областях машиностроения.

9. Результаты работы в виде рекламных проспектов, информацион
ных листков, аналитических обзоров, научных отчетов, действующих
моделей экспонировались на выставках НТТМ-88, посвященной 70-летию
ВЛКСМ, выставках НТТМ-89, 90, 91, ВДНХ КазССР; ярмарке научно-тех
нических идей и законченных разработок, проведенной Республиканс
ким информационно-внедренческим центром "Жэрдем" на ВДНХ КазССР в ..
1989 г.; тематической выставке Ml СССР "Математика и механика - на
родному хозяйству" в павильоне "Физика" ВДНХ СССР в 1989 г.; Все
союзной межотраслевой выставке-ярмарке "Изобретения и научно-техниг
ческий прогресс", проведенной ВОИРом на ВДНХ СССР в 1990 г.; два
технических решения "Рычакная компенсирующая муфта" и "Почвообраба
тывающая машина" в 1991 г. приняты биркей "Интеллектуальной собст
венности" для коммерческой реализации.

.. За пропаганду фундаментальных и прикладных наук и содействие внедрению передовой науки и техники в народное хозяйство Оргкомитет по подготовке и проведению Дня советской науки на ВДНХ СССР наградил диссертанта золотой медалью "День советской науки" (постановление Ш 10 от II.12.1989 г. АН СССР и Министерства народного образования СССР). Результаты исследований отмечены дипломами І, П степени ВДНХ СССР, КазССР и Почетными грамотами ЦК-ІКСМ Казахстана, Министерства народного образования КазССР, Всесоюзного общества изобретателей и рационализаторов.

10. Разработанные новые методы анализа и синтеза механизмов
внедрены в учебный процесс на кафедра ТМ и ТММ Казахского сельско
хозяйственного института, на кафедре СМ и ТММ Казахского политех
нического института, на кафедре.ТШ Бишкекского политехнического .
института Республики Кыргызстан, на кафедре И и PC Ленинградского
института инженеров железнодоронного транспорта имени В.Н.Образцо-
еэ, на кафедре ММ и ОК Сибирского металлургического института.и
др. в виде-методических пособий, обзоров, информационных листков
для учебно-исследовательской работы студентов.

.Практическая ценность диссертации подтверждается актами внедрения. Исследованные диссертантом самоустанавливающиеся шарнирно-стеркневые механизмы с. гибкими звеньями являются весьма перспективными исполнительными механизмами общего.назначения. Вышепривв-

9 денные их основные достоинства свидетельствуют о том, что их различные варианты будут с успехом конкурировать с традиционными механизмами и передачами с жесткими звеньями.

Реализация работы:

I..На основании рекомендации Республиканского экспертного совета при Госкомитете Республики Казахстан по экономике КазНИИНКИ изданы 4- аналитических обзора общим объемомfО печ.л., 40 инфоРационных листков о научно-техническом достижении.

2. Основные теоретические результаты диссертационной работы.реализованы в виде пяти методических указаний общим объемом 6 печ. л., четырех научно-методдических пособий общим объемом 6 печ.л., депонировано одно учебное пособие объемом 3 п.л.

3. І6 технических решений,.связанных с конструктивными и тех-, нологическими особенностями разработанных машин, передач, механизмов на базе самоустанавливающихся шарнирно-стержневых механизмов о гибкими звеньями,-признаны изобретениями. /

Апробация работа. Основные результаты работл доложены на Ш Зональном паучно-методическом совещании-семинаре по ТКЫ вузов Средней Азии и Казахстана (Фрунзе, 1985 г.), на Всесоюзной конференции по МЛ Северо-Кавказской и Закавказской зон (Телави, 1987г.), на Международном конгрессе в ГДР ( Eoctok , 1987 г.), на Казахстанских межвузовских научных-конференциях по математике и механике (Алма-Ата, 1985, 1989 гг.), на Всесоюзных и республиканских па-учно-прзктических конференциях молодых ученых и специалистов (Кокчетав, 1985 г., Кишинев, 1985 г.; Ереван, 1986 г., Кустанай,1983; Алма-Ата, 1985, 1939 гг., на Всесоюзном совещании-семинаре заведующих 'кафедрами и ведущих лекторов вузов страны (Калинин, 1989 г.), на Всесоюзной конференции по проблемам.машиностроения Казахстана на этапе перестройки (Павлодар, 1989 г.), на Зональном совещании-семинаре заведующих кафедрами и ведущих лекторов по ТШ вузов республик Прибалтики, Белоруссии и Калининградской области РСФСР , (Вильнюс-, 1980 г.), на Всесоюзной научно-практической конференции (Казань, 1991 г., Гянджа, 1991 г.), па моквузовской научно-практа-чоской.конференции (Икавск, 1991 г., Ставрополь» 1991 г„, Фрунзо, 1990 г.), на 17 научно-методическом совещания-заведующих кафедрами, ведущих лекторов по ТШ вузов республик Средней Азии и Казахстана (Алма-Ата, 1991 г.), на Всесоюзной конференции "Мзханизш: . переменной структуры в технике" (Бишкек, 1991 г.), на.семинаре по ТКМ Ленинградского отделения сегягаара АН СССР (Ленинград, 1991 г.), на семинаре кафедры ИМ и ОК Сибирского металлургического шштиту-

та (Новокузнецк, 1992 г.), на научно-производственных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов инженерных факультетов Казахского сельскохозяйственного института в 1983-1992 гг. ежегодно, на семинаре кафедры СМ и ТШ Казахского политех-'' ничедкого института в 1988-1992 гг. екегодно, на 8 Всемирном конгрессе по Ш\ (Прага, 1991 г.).

. Публикации. По теме диссертации опубликовано 190 научных трудов, в том числе 5 методических указаний, 4' научно-методических пособия, 4 аналитических обзора, j$ авторских свидетельств на изобретение, депонировано I учебное пособие.

Структура и объем работы.' Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав и заключения. Основная часть диссертации из-j ложена на 330 страницах машинописного текста, содержащих 333 ішло--отрации, 12 таблиц, список использованных источников, содержащий 234 позиции.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Общие методы структурного анализа и синтеза пространственных кинематических цепей самоустанавливающихся механизмов с жесткими звеньями, разработанные на основе развития классической структурной теории ассуровых кинематических цепей.

2. Общие методы структурного анализа и синтеза кинематических -' цепей механизмов с гибкими звеньями, разработанные на основе новых методов структурного анализа и синтеза кинематических цепей самоустанавливающихся пространственных механизмов с жесткими звеньями.

3. Методы структурного анализа, синтеза и классификации принципиально нового класса самоустанавливающихся шарнирно-стержневнх механизмов с гибкими звеньями общего назначения.

4. Метода кинематического, динамического анализа самоустанавлп-вающихся шарниряо-стержневых.механизмов с гибкими звеньями и метода расчета их основных параметров.