Обоснование методов структурного синтеза, кинематического и кинетостатического анализа механизмов второго семейства Фомин, Алексей Сергеевич

Введение к работе

Актуальность исследования. Ведущей отраслью промышленного развития государства является машиностроение. В последние годы в Российской Федерации проблеме развития машиностроения уделяется особое внимание, поставлены задачи о его коренной модернизации на основе внедрения инновационных подходов. Решение этих важных задач возможно только при использовании результатов новейших научных исследований и, в первую очередь, в теории машин, одним из основных разделов которой является синтез структур механизмов, позволяющих решать поставленные практикой технологические задачи.

Настоящая работа посвящена решению задач синтеза структур, кинематического и силового исследования механизмов, отнесенных академиком И.И.Артоболевским ко второму семейству, которые, имея перспективы широкого применения в технике, до настоящего времени оставались практически не исследованными. Такие механизмы имеют возможность функционирования в различных ограниченных пространствах, обладают тем важным качеством, что могут создаваться с меньшим числом звеньев по сравнению с механизмами, работающими в неограниченном декартовом пространстве.

В диссертационной работе впервые изучается существование и особенности функционирования механизмов второго семейства, формулируются и решаются задачи, связанные с их созданием и исследованием. Особое внимание уделяется задаче структурного синтеза ассуровых и неассуровых механизмов, доказывается существование семи подсемейств внутри второго семейства, обосновываются виды и подвиды механизмов, разбираются пространства функционирования механизмов, определяются приемы их кинематического и силового анализа, обосновываются принципиально новые схемы механизмов второго семейства, защищенные патентами Российской Федерации.

Создание методики образования и алгоритмов исследования механизмов второго семейства, ранее практически не исследованных, дает не только новый научный результат, но и, имея ввиду, что такие механизмы, как наиболее простые из пространственных по структуре, могут находить широкое применение в практике машиностроения, можно утверждать, что задача их полного исследования является весьма актуальной.

Целью настоящего исследования является разработка методов структурного синтеза, приемов кинематического и силового анализа механизмов второго семейства и применение разработанных методов на примере созданных и исследованных конструкций.

Для реализации поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Обосновать существование и выявить особенности работы механизмов второго семейства, как механизмов, на движение звеньев которых накладывается два общих условия связи.

2. Найти пространства функционирования механизмов второго семейства с учетом четырех относительных возможных движений в них, доказать существование отличающихся по структуре подсемейств, видов и подвидов механизмов.

3. Разработать алгоритмы и методы структурного синтеза ассуровых и неассуровых механизмов второго семейства.

4. Выявить особенности кинематического и силового анализа механизмов второго семейства.

5. Подтвердить реальными техническими решениями возможность применения в технике механизмов второго семейства.

6. Выполнить кинематическое и силовое исследование «Механизма для воспроизведения пространственных кривых».

Объектом исследования являются механизмы второго семейства.

Предметом исследования является структура, кинематика и кинетостатика механизмов второго семейства.

Методы исследования основаны на принципах теории структурного синтеза кинематических цепей при использовании универсальной структурной системы; на методах аналитического исследования кинематики и силового анализа механизмов; приемах конструирования деталей машин.

Достоверность результатов работы обеспечивается

9. тем, что проведенные исследования основываются на классических положениях теории механизмов и машин;

10. использованием разработанных алгоритмов при нахождении всего многообразия структурных схем механизмов второго семейства, как ранее известных, так и принципиально новых;

11. разработкой новых механизмов второго семейства, оригинальность которых защищена патентами Российской Федерации.

На защиту выносятся следующие научные положения:

11. 1. Исследования В.В. Добровольского и И.И. Артоболевского показали, что пространственные механизмы в зависимости от числа общих наложенных на них связей могут различаться по семействам и существенно отличаться друг от друга. Наиболее предпочтительными из них по числу используемых звеньев являются механизмы второго семейства, что определяет задачи их исследования как первоочередных.

    2. На движение звеньев механизмов второго семейства в трехмерном декартовом пространстве накладываются два общих условия связи, при этом различные по сложности звенья могут входить в одно-, двух- и трехподвижные кинематические пары. В связи с этим пространства функционирования, отличающиеся по структуре подсемейства, виды и подвиды механизмов второго семейства требуют специального исследования.

    3. Использование в технике механизмов второго семейства представляется весьма перспективным, а потому поиск алгоритмов их кинематического и силового исследования уже на стадии общего рассмотрения возможных схем механизмов является весьма актуальным.

    Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, обработке результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, разработке методов структурного синтеза, кинематического и кинетостатиче- ского анализа, создании новых механизмов второго семейства, написании тезисов докладов, материалов и трудов, а также статей по теме диссертационной работы.

    Работа выполнена в рамках научных и научно-технических программ: 2009-2010 гг. - в соответствии с планами работ НИР ФГБОУ ВПО «СибГИУ» (проект 1.8Н); 2010-2011 гг. - в рамках стипендии Президента РФ для обучения за рубежом (кафедра технической механики, факультет машиностроения, Вуп- пертальский университет, г. Вупперталь, Германия); 2012-2014 гг. - в рамках государственного задания ФГБОУ ВПО «СибГИУ» на выполнение НИР (регистрационный № 7.2290.2011); 2013 г. - в рамках государственного задания ФГБОУ ВПО «СибГИУ» на выполнение НИР (регистрационный № 11.7190.2013).

    Научная новизна работы заключается в

    11. 3. 1. Формировании основных задач научного изучения механизмов второго семейства, которые до настоящего времени практически не исследовались.

           2. Обосновании принципа деления механизмов второго семейства на подсемейства, пространства функционирования, на виды и подвиды.

           3. Разработке методов и алгоритмов поиска отличающихся структур механизмов второго семейства;

           4. Создании обобщенных моделей кинематического и силового анализа механизмов второго семейства с двумя общими условиями связи, наложенными на движение их звеньев.

           Практическая значимость результатов исследования показана на конкретных примерах синтеза механизмов, обладающих широкими возможностями обеспечения заданных траекторий и законов движения рабочих органов.

           Теоретические положения работы и результаты исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «СибГИУ» (г.Новокузнецк) по курсам «Теория механизмов и машин», «Спецглавы теории машин», «Методические основы расчета сложных конструкций», «Структура реальных механических систем», «История техники и технологий», а также были использованы при выполнении научно-исследовательских работ студентами и аспирантами института машиностроения и транспорта ФГБОУ ВПО «СибГИУ».

           Проведены опытно-промышленные испытания запатентованного «Механизма для воспроизведения пространственных кривых». Кинематическая схема и методика ее расчета применены при проектировании трехроторной мельницы для установки УСП-С-04.55М, входящей в состав опытной технологической линии по сушке, помолу и классификации сырьевых материалов, смонтированной в г. Златоусте (Челябинская обл.). Разработанная кинематическая схема также была использована при конструировании роторного измельчителя технологической линии по переработке полимерного вторсырья на предприятии ООО «Форм Пласт» (г.Новокузнецк).

           Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на следующих научных конференциях и семинарах: XIII-XVII Всероссийских научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых, ФГБОУ ВПО «СибГИУ», г.Новокузнецк, 2004-2009 гг.; III Международном форуме по стратегическим технологиям IFOST-2008, ФГБОУ ВПО «НГТУ», г.Новосибирск, 2008 г.; 42-й научно-практической конференции молодых ученых компании EVRAZ, ОАО «ЗСМК», г.Новокузнецк, 2008 г.; III учебно- методической конференции ФГБОУ ВПО «СибГИУ», г.Новокузнецк, 2009 г.; XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии - 2009», ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ», г.Томск, 2009 г.; Всероссийских научных форумах Российской Академии Естествознания, г.Москва, 2010 и 2012 гг.; ХХ! и XXIII Научно- практических конференциях по проблемам механики и машиностроения, ФГБОУ ВПО «СибГИУ», г.Новокузнецк, 2010 и 2012 гг.; открытом семинаре на кафедре технической механики Вуппертальского Университета, г.Вупперталь, Германия, 2011 г.; открытом семинаре на кафедре машиностроения Болонского Университета, г.Болонья, Италия, 2011 г.; V Международной конференции «Проблемы механики современных машин», ФГБОУ ВПО «ВСГУТУ», г.Улан-Удэ, 2012 г.

           Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа по своим целям, задачам, содержанию, методам исследования и научной новизне соответствует пунктам 1 - «Методы кинематического и динамического анализа (в том числе математического моделирования, анимационного и экспериментального исследований) механизмов» и 2 - «Синтез (в том числе автоматизированное проектирование) структурных и кинематических схем механизмов и обобщенных структурных схем машин, оптимизация параметров» паспорта специальности 05.02.18 - «Теория механизмов и машин».

           Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа, из них 2 научных статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 4 патента РФ на изобретения и полезные модели, 14 публикаций в материалах Международных и Всероссийских конференций.

           Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, заключения, библиографического списка из 127 наименований и приложений. Общий объем работы вместе с приложениями составляет 169 страниц, содержит 11 таблиц и 106 рисунков.

           Похожие диссертации на Обоснование методов структурного синтеза, кинематического и кинетостатического анализа механизмов второго семейства

           

           Теоретические основы методов анализа и синтеза планетарных механизмов с внецентроидным внутренним цевочным зацеплениемКиреев Сергей Олегович

           Структурно-кинематический и динамический анализ семейства рычажных механизмов активного контроля деталей при обработке на станках Павленко Игорь Евгеньевич

           

           Структурный анализ, расчет и многокритериальная оптимизация параметров и характеристик механизмов подвесок колес легковых автомобилей семейства "ВАЗ"Черных Валерий Валентинович

           

           Разработка методов анализа, синтеза зацепления и изготовления арочных цилиндрических зубчатых колесПаршин Александр Николаевич

           Разработка метода анализа и синтеза кинематических схем манипуляторов (применительно к буровым агрегатам) Давыдов Анатолий Павлович

           

           Разработка методов анализа и синтеза зубчатых муфт и совершенствование на их базе зубчатых шпинделей прокатных станов Ивочкин Михаил Юрьевич

           

           Методы геометро-кинематического анализа и синтеза пространственных фрикционных передач с замкнутой системой тел качения Федченко Евгений Михайлович

           

           Структурно-параметрический синтез и анализ механизмов грохотных калибрующих машинИванов Алексей Генрихович

           Кинематический анализ и синтез механизмов с шестизвенной четырёхповодковой структурной группой и выстоями выходных звеньевОсипова, Ольга Ивановна

           Анализ и синтез механизма для плетения торсионных подвесов приборовПеречесова, Анна Дмитриевна