Введение к работе
Актуальность исследования. Зубчатые механизмы являются одним из наиболее широко применяемых в технике видов механизмов. Они используются в подавляющем большинстве современных машин и приборов. За более чем столетний период индустриального создания и эксплуатации зубчатого зацепления накоплен богатый опыт, позволяющий выпускать зубчатые редукторы высокого качества, обладающие задаваемыми ресурсом и надежностью. Однако следует отметить, что вполне просматриваемыми резервами в редукторо-строении является поиск иных, ранее неизвестных кинематических цепей, а также методов их структурного синтеза и анализа, позволяющих повысить энергосбережение и улучшить другие качественные показатели создаваемых зубчатых механизмов.
Проектирование механизмов - сложный многоэтапный творческий процесс, требующий участия большого числа высококвалифицированных специалистов. Состав и последовательность этапов проектирования не зависит от целевого назначения проектируемого механизма, а логика процесса проектирования инвариантна к способу проектирования - традиционному или осуществляемому с помощью систем автоматизированного проектирования. Основным этапом проектирования механизмов, на котором базируются все последующие этапы, является структурный синтез кинематических цепей, поскольку дальнейшие действия - выбор размеров и материала деталей будущего механизма, кинематический анализ и т.д., как правило, не могут существенно изменить основные свойства создаваемого механизма.
Всемерное развитие автоматизированного проектирования механизмов является задачей весьма актуальной и ее разрешение может привести к серьезным экономическим выгодам. Практика показывает, что наиболее широко используемым методом структурного синтеза зубчатых механизмов по-прежнему остается так называемый «традиционный». В этом случае предполагается не создание новых схем, а выбор из уже известных и изученных схем механизмов, осуществляемый на основании анализа справочных данных по отдельным видам механизмов, научной и патентной литературы. Недостатками традиционного структурного синтеза являются: 1) зависимость результатов от опыта и интуиции конструктора; 2) утомительный и однообразный характер умственной работы; 3) субъективность результатов и т.д.
Рациональный выбор структуры механизма должен осуществляться среди полного множества возможных вариантов, и, в большинстве случаев, возможен только с помощью компьютера, что требует разработки соответствующих алгоритмов и программ.
Целью работы является развитие теоретических закономерностей структурного синтеза механизмов с целью поиска новых и совершенствования известных структур зубчатых механизмов.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:
обоснование структурной адекватности зубчатых механизмов и плоских стержневых кинематических цепей с парами четвертого и пятого классов;
аналитическое обоснование полной разрешимости задачи и разработка алгоритмов структурного синтеза плоских стержневых кинематических цепей с парами четвертого и пятого классов;
разработка процедур конвертирования плоских стержневых кинематических цепей в зубчатые механизмы любой сложности;
разработка методики и алгоритмов компьютерного структурного синтеза зубчатых механизмов и приемов отбраковки вырожденных и повторяющихся структур;
постановка проблемы многосателлитности планетарных зубчатых механизмов и разработка методики её разрешения.
Объектом исследования являются плоские зубчатые механизмы.
Методы исследования. В работе использованы известные методы теории механизмов и машин, в частности метод структурного синтеза с использованием универсальной структурной системы проф. Л.Т. Дворникова и объектно-ориентированный метод компьютерного синтеза структурных схем плоских рычажных механизмов, а также методы комбинаторики.
Достоверность результатов работы подтверждается
использованием предлагаемых алгоритмов при нахождении многообразия структурных схем зубчатых механизмов как ранее известных, так и принципиально новых;
работоспособными компьютерными программами, которые реализуют разработанные алгоритмы структурного синтеза;
новыми многосателлитными планетарными механизмами, оригинальность структуры которых подтверждена патентами РФ: «Самоустанавливающийся планетарный механизм» (патент № 2342573), «Уравновешенный самоустанавливающийся планетарный механизм» (патент № 2397384), «Самоустанавливающийся планетарный механизм» (решение о выдачи патента по заявке № 2010108197).
На защиту выносятся следующие научные положения:
применение структурных моделей зубчатых механизмов в виде плоских стержневых механизмов с парами IV и V классов имеет существенные преимущества по сравнению с непосредственным синтезом структур зубчатых механизмов;
использование аппарата виртуализации на этапе синтеза структур плоских стержневых механизмов позволяет использовать технологию автоматизированного синтеза плоских шарнирных систем, а также гарантировать синтез полного множества возможных структур и формализовать процесс отбраковки заведомо неработоспособных и изоморфных структур;
разработанные алгоритмы структурного синтеза зубчатых механизмов, основанные на использовании универсальной структурной системы и автоматизированной технологии синтеза шарнирных систем, позволяют формиро-
вать гарантированно полное множество структур зубчатых механизмов по заданным структурным параметрам; предложенная методика структурного синтеза многосателлитных планетарных передач, позволяет создавать самоустанавливающиеся механизмы. Научная новизна исследования заключается
в конкретном целенаправленном развитии теории структурного синтеза зубчатых механизмов,
в разработке алгоритмов формирования гарантированно полного многообразия структур зубчатых механизмов с заданными параметрами,
в разработке методики структурного синтеза самоустанавливающихся многосателлитных планетарных передач,
в разработке новых самоустанавливающихся многосателлитных планетарных передач, оригинальность структур которых подтверждена патентами на изобретения.
Практическое применение результатов исследования доказывается на примерах синтеза структур конкретных зубчатых механизмов. Использование разработанной методики синтеза самоустанавливающихся многосателлитных планетарных передач позволило создать новые структуры механизмов.
Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались и представлялись на:
семнадцатой, восемнадцатой и девятнадцатой научно-практических конференциях по проблемам механики и машиностроения (Россия, г. Новокузнецк, с 2007 по 2009 г.);
десятой, одиннадцатой, двенадцатой и тринадцатой Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученных (Россия, г. Новокузнецк, с 2006 по 2009 г.);
XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Россия, г. Томск, 2008 г.) - диплом III степени за доклад;
VIII Межрегиональной научно-практической конференции студентов и аспирантов 11 апреля 2008 г. (Россия, г. Новокузнецк, 2008 г.);
IV Международной конференции «Проблемы механики современных машин» (Россия, г. Улан-Удэ, 2009 г.).
Публикации. Всего опубликовано по теме диссертации 17 работ, из них 2 научные статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ; 9 публикаций в материалах Международных и Всероссийских конференций; 2 патента на изобретения и 1 решение о выдачи патента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 107 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 151 страница, включая 15 таблиц и 106 рисунков.
