Введение к работе
Актуальность теш. Повышение эффективности и качества производства путем широкого внедрения новой технологии обусловлено дальнейшим совершенствованием механизмов существующих конструкций машин и роСототехшческих систем, а также созданием новых высокоэффективных материале- и энергосберегающих машинных агрегатов и технологических линий, отличающихся высокой надежностью, долговечностью и относительно простой системой управления. Создание таких машин требует разработки приницшшально новых механизмов и манипуляционных устройств с более широкими функциональными возможностями, наилучшим образом обеспечивающие кинематические и динамические условия их работы.
Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют плоские (МВК) и пространственные (ПМВК) механизмы высоких классов, содержащие изменяемые замкнутые контуры, составленные из 'одних лишь подвижных звеньев. Так, например, использование МВК в манипуляционных устройствах обеспечивает рабочему органу сложный закон движения, высокую степень точности позиционирования, быстродействие и большую грузоподъемность, а также динамическую устойчивость всей механической системы (в диссертации это показывается на сравнительном анализе шестизвенных механизмов II и IV классов).
Широко развивая основополагающие труды Л.В.Ассура, Н.Е.Жуковского и академика И.И.Артоболевского, посвященные структурному анализу и частично кинематике групп Ассура высоких классов и порядков академиком У.А.Джолдасбековым и его многочисленными учениками Ж.Ж.Байгунчековым, Т.А.Бияровым, Н.С.Воробьевым, С.У.Джол-дасбековым, К.С.Ивановым, Х.Р.Казыхановым, М.М. Молдабековым, А.М.Муратовым, Л.И.Слуцким' и др. впервые созданы графоаналитические, численные и аналитичесике методы структурного, кинематического, динамического анализа и синтеза МВК и ПМВК. На базе фундаментальной теории МВК разработаны и изготовлены (экспериментальные и опытные образцы) грузоподъемные, погрузочно-разгрузочные и манипуляционные устройства, не имеющие аналогов в мировой практике и защищенные авторскими свидетельствами на изобретения и патентами СССР, РФ, РК и стран дальнего зарубежья.
Однако, численные и аналитические исследования, численный и физический эксперимент, заводские и стендовые испытания разработанных казахстанскими учеными конструкций механизмов и манипуля-
ционных устройств высоких классов показали, что полученные экспериментальным путем значения кинематических, динамических и прочностных параметров заметно отличаются от расчетных. Это объясняется, в основном, пренебрежением упругими свойствами звеньев МВК и ПМВК в процессе анализа и синтеза, а также' отсутствием методов расчета на прочность, учитывающих специфические их особенности.
При выполнении этапов синтеза и анализа МВК в настоящее время все его звенья считаются жесткими, что является справедливым только для механизмов ограниченного класса машинных агрегатов. Академик У.А.Джолдасбеков отмечает, что малые упругие деформации звеньев механизмов носят колебательный характер и в зависимости от частоты собственных колебаний могут оказать существенное влияние на значения скоростей, ускорений, а следовательно, сил инерции, кинематическую и динамическую точности, а в конечном итоге -на закон распределения напряжений в сечениях звеньев. Расчеты для механизма IV класса 3-го порядка, приведенные в диссертации Г.У.Джолдасбековой, показали - учет малых продольных деформаций всего лишь одного звена существенно повлияло на величину и направления ускорений механизма и, следовательно, на величину и направление векторов сил инерции звеньев и сил реакций связей в кинематических парах. То есть, учет упругих свойств звеньев при силовом анализе и расчете на прочность следует считать необходимым.
В настоящее время казахстанской школой ТММ У.А.Джолдасбекова разработке расчетов МВК и ПМВК с учетом упругости звеньев уделяется значительное внимание, - здесь нужно отметить работы Ж.Ж.Бай-гунчекова, Ж.К.Масанова, Е.Р.Рахимова, Г.У.Уалиева и других.
Цель работа. Исходя из анализа современного состояния методов кинематического.и силового анализа и синтеза, анализа упругих колебаний механизмов с точки зрения их актуальности для МВК и ПМВК, целью работы является разработка единой методической основы кинематического и силового исследования МВК на базе дальнейшего совершенствование методики определения "начальных" положений и синтеза МВК; силовых расчетов и расчетов упругих колебаний в звеньях МВК и ПМВК. Внедрение разработанных методик в практику проектирования манипуляционных устройств на базе МВК.
Задачи исследования:
усовершенствование методик определения "начальных" положений и синтеза МВК;
силовой анализ конструкций МВК и ПМВК;
- разработка алгоритмов и комплекса компьютерных программ
анализа и синтеза МБК; анализа сил и упругих колебаний в
конструкциях МВК;
- приложение их к расчетам конкретных конструкций МВК;
Научная новизна:
показано преимущество МВК по сравнению с их аналогами посредством сравнительного анализа шестизвенных механизмов Г? и II классов по кинематическому критерию;
условной заменой сиек и обращением движения разработана усовершенствованная методика определения "начальных" положений МВК;
показано, что синтез двухповодковой группы сводитря к синтезу бинарного звена в обращенном движении;
предложен алгоритм синтеза МВК с учетом передачи сил и заданного движения;
изучены изгибные колебания и напряжения в упругих звеньях механизма IV класса с внешней поступательной парой методом сосредоточенных параметров (МСП). Получена система дифференциальных уравнений, описывающих упругие поперечные колебания сечений кривошипа и бинарных контурных звеньев. Разработан комплекс компьютерных программ для определения оптимальных сечений звеньев по критерию равнопрочности;
разработана методика силового анализа упругих конструкций МВК и ШВК с учетом особенностей кинематических пар звеньев методом конечных элементов (МКЭ);
предложены единый подход определения упругих колебаний и усилий в звеньях МВК пространственной топологии;
Практическая ценность и реализация работы. Методика определения "начальных" положений и синтеза позволила разработать алгоритмы и комплексы компьютерных программ и спроектировать ряд конкретных схем шестизвенных механизмов с изменяемым замкнутым контуром, один из которых Государственным Комитетом по делам изобретений и открытий СССР признан как изобретение.
Разработанная универсальная методика упругих силовых расчетов впервые использована при проектировании конструкций ВЩЦ-З, грейферов различного назначения, ППК-І2, ПМ-4, ПМ-6 и др. - на основе МВК и защищенных авторскими свидетельствами на изобретения и патентами СССР, РФ, РК и стран дальнего зарубежья. Она используется в проектно-конструкторских работах КазХТИ МО РК, ИММАШ НАН
РК, РНШЩ "Машиностроение" Ш РК, КазНТУ МО РК, АлМИТ МТ РК, КазСХИ, в учебном процессе кафедры прикладной механики КазНТУ.
Связь диссертации с планами отраслей науки. Работа является составной частью научно-исследовательских работ института математики и механики (I987-I99I), института механики и машиноведения (I99I-I995). Выполнена в рамках темы "Разработка теории плоских и пространственных механизмов высоких классов со многими степенями свобода и создание на их основе прогрессивных манипуляционных устройств" Программы фундаментальных исследований НАН РК "Механика Земли и подземных сооружений, теория плоских и пространственных механизмов и манипуляционных устройств высоких классов".
Апробация работы. Основные результаты диссертации -докладывались на VII-DE республиканских межвузовских конференциях по математике и механике. гг.Алматы, Караганда; республиканской конференции молодых ученых. Алма-Ата, 1985г.; международной конференции: Tagung Festkorpermechanik. Dresden, 1985г.; VII научной конференции, посвященной 20-летию МММ АН КазССР, Алма-Ата, 1986г.; научной сессии отделения физ.-мат. наук НАЛ РК, по проблемам развития механики и машиностроения в Казахстане, Алматы, 1993г.; международной конференции "Пространственные механизмы и МВК. (Теория и практика)", г.Алматы, 1994г.; на заседаниях Республиканского семинара по ТММ. г.Алматы, 1994,1996гг.
На защиту выносятся результаты научных исследований в области анализа и синтеза МВК и ПМВК и конструкций на их основе с учетом упругости звеньев:
усовершенствованные методики анализа и синтеза МВК;
методика моделирования кинематических пар при анализе сил в конструкциях ПМВК МКЭ;
комплекс алгоритмов и компьютерных программ:
а) кинематического анализа и синтеза МВК;
б) анализа сил, упругих перемещений и колебаний в кон
струкциях МВК и ПМВК в квазистатической и динамичес
кой постановке проблемы;
позволяющие научно-обоснованно проектировать новые конструкции МВК и ПМВК.
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 34 печатных работы, в том числе две монографии и одно авторское свидетельство на изобретение.
Достоверность результатов. Результаты расчетов анализа и
синтеза МВК проверялись построением координат расчетных точек на дисплеях компьютера. Достоверность силовых расчетов МКЭ конструкций МВК проводилась контрольными вычислениями равновесия сил в узлах, для опытных образцов конструкций МВК расчетные данные сравнивались с экспериментальными.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, выводов и приложений. Основной текст изложен
на стр. машинописного текста, поясняется рисунками и
таблицами. Общий объем диссертации составляет страниц.
Автор выражает благодарность научным консультантам: руководителю казахстанской научной школы по ТММ академику МИА, ИА и АН РК У.А.Джолдасбекову, академику AT РФ Ж.К. Масанову; а также академику ИА РК, член-корр. АН РК Ж.Ж.Байгунчекову; академику МИА, ИА РК С.У.Джолдасбекову за ценные советы по диссертации.