сотрудник
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Проведен анализ состояния исследования пространственных механизмов с особой структурой за последние годы. Особенность механизмов заключается в том, что геометрические оси их шарниров скрещены под разными углами и оформлены только на подшипниках качения или скольжения. В отечественной и мировой науке практически нет сведений о практическом использовании их в технике из–за особых условий исследования и изготовления в моделях и натурных образцах. Приоритет исследования и внедрения устройств на их базе принадлежит казанским ученым. В настоящее время по пространственным механизмам с вращательными шарнирами ведутся исследования по дальнейшему практическому использованию устройств в различных разделах техники. Они классифицируются на плоские (звенья движутся в одной плоскости) и пространственные (звенья совершают движение в разных плоскостях). Плоские механизмы достаточно глубоко изучены и исследованы, сведения о них можно получить в любом учебнике по теории механизмов и машин. Звенья пространственных механизмов соединяются между собой в сочетании следующими кинематическими парами: вращательными, шаровыми, поступательными, шаровыми с пальцем, «шар-труба». Пространственные механизмы только с вращательными парами (шарнирами) в своем развитии имели значительные трудности и проблемы. Пространственные механизмы с вращательными шарнирами образовали новую группу в теории механизмов и машин, обладают многими функциональными свойствами и показали эффективность использования в различных разделах техники и технологий. За последние три года состав устройств на базе механизмов этой группы увеличился на пятнадцать единиц, защищенные патентами и полезными моделями в семи разделах техники.
пространственные механизмы, вращательные шарниры, скрещенные оси, устройства, модель
Рычажные механизмы используются человеком с древнейших времен в различных машинах и устройствах. Они классифицируются на плоские (звенья движутся в одной плоскости) и пространственные (звенья совершают движение в разных плоскостях). Плоские механизмы достаточно глубоко изучены и исследованы, сведения о них можно получить в любом учебнике по теории механизмов и машин. Звенья пространственных механизмов соединяются между собой в сочетании следующими кинематическими парами: вращательными, шаровыми, поступательными, шаровыми с пальцем, «шар-труба». Пространственные механизмы только с вращательными парами (шарнирами) в своем развитии имели значительные трудности и проблемы. Кратко изложим историю их развития.
Только в 1903 году английский математик Беннетт теоретически описал четырехзвенный механизм с цилиндрическими парами (шарнирами) [1], геометрические оси шарниров которых не параллельны и не пересекаются. Однако построить модель он не смог, поэтому сомневался в его практическом использовании.
В зарубежной литературе описано использование механизма Беннетта не в качестве передаточного механизма, а в качестве рамы для создания длиннопролетных убежищ в качестве каркаса укрытия в военных целях [2,3].
В литературе [4] опубликованы фотографии схем механизма Беннетта, работоспособность которых вызывает сомнение. В качестве примера приведем схемы моделей механизмов, представленных на рисунках 1 и 2. На рисунке 1 показана схема параллелограммного, а на рисунке 2- антипараллелограммного механизмов Беннетта, и на рисунке 3 – действующая модель параллелограмного механизма, изготовленного автором статьи.
Модели по двум схемам (рисунок 1 и 2) вряд ли будут работоспособны, так как ведущий и ведомый кривошипы механизмов состоят из двух звеньев, шарнирно соединенных между собой и с шатуном и неподвижным звеном, т.е. механизм стал не четырехзвенным, а шестизвенным [4, 5], в данном исполнении механизмы неработоспособны.
Лишь 75 лет после теоретического описания механизма Беннеттом казанским ученым профессорам Б.В. Шитикову и П.Г. Мудрову удалось решить проблему изготовления моделей и натурных образцов [6, 7].
В качестве доказательства, на рисунке 3 показано фото действующей модели механизма Беннетта, у которого шарнирные соединения звеньев выполнены на подшипниках скольжения, из рисунков видно существенное отличие схемы действующей модели от схем механизмов по рисункам 1 и 2.
Следует отметить, что за 75 лет после опубликования статьи Беннеттом о механизме не было изготовлено ни одной работоспособной модели или натурного образца в металле из этой группы механизмов ни у нас в стране, ни за рубежом и ни один из механизмов не был доведен до практического использования в технике.
И лишь после изготовления моделей эти механизмы получили развитие «под ключ», от теории до практического внедрения.
Приведем краткие сведения о результатах исследований по пространственным механизмам с вращательными шарнирами:
-Исследована структура, структурный синтез и образованы десятки новых механизмов и устройств на их базе.
- Разработаны кинематические и динамические методы исследования механизмов, предложено несколько способов их уравновешивания.
- Предложено и реализовано в восьми разделах техники десятки устройств, реализующих многофункциональные свойства механизмов, на которые получено 116 авторских свидетельств и патентов на изобретения: две группы пространственных перемешивающих устройств (мешалки и смесители), приводы сельскохозяйственных машин (режущего аппарата, картофелекопателя, диска свеклокомбайна), устройства для первичной обработки изделий (галтователи, протравливатели, для шлифования семян), устройства для мойки и очистки изделий (транспортных средств, для очистки полых изделий, часовых механизмов), инерционные устройства (двигатель, для погружения свай, тренажеры), устройства для создания эффектов (фонтан, для развлечений), устройства для копирования движений (махолеты, плавсредства, землеройная машина, захват манипулятора), устройства для измельчений (измельчители, дробилки, для перетирания красок) [8].
- Внедрено в различных организациях более 50 производственных устройств, в том числе в 11 сельскохозяйственных и 16 промышленных предприятий России, по запросам предприятий переданы рабочие чертежи 14 организациям.
Можно утверждать, что по многим техническим устройствам на базе пространственных механизмах с вращательными парами проведен комплекс исследований, начиная от идеи их создания и заканчивая внедрением в производство.
В этом разделе науки о пространственных механизмах только с вращательными шарнирами за последние годы в материалах различных конференций, форумов и научных журналов обнаружено единицы докладов и научных статей. Это свидетельствует о том, что пространственные механизмы с вращательными шарнирами практически не входят в сферу исследований зарубежных и отечественных ученых. На наш взгляд, это объясняется структурной особенностью этих механизмов, особой технологией изготовления моделей и производственных образцов, без знания которых практически невозможно изготовить в металле тот или иной механизм или устройство на его базе.
Анализ и обсуждение результатов исследований. Как было изложено выше, исследования по новой группе пространственных механизмов только с вращательными шарнирами достаточны для понимания теоретических основ кинематики, структуры, динамики, методов исследования, использованием механизмов и устройств на их базе в различных разделах техники, экспериментальной и производственной проверке, изготовление моделей и натурных образцов.
Возникли серьезные проблемы с внедрением устройств из-за сокращения количества производственных предприятий, которые могли бы использовать наши устройства в тех или иных технологических процессах (как это было в советское время). По этой причине необходимо было скорректировать форму дальнейшего направления исследования по данным механизмам.
1. Bennett G.T. A new mechanism. Engineering, London, 1903, p.777-778.
2. Huang, C. 1996. The cylindroid associated with finite motions of the Bennett mechanism. Proceedings of the ASME Design Engineering Technical Conferences. Irvine. CA.
3. Veldkamp, G. R. 1967. Canonical systems and instantaneous invariants in spatial kinematics. Journal of Mechanisms. Vol. 3. pp. 329-388
4. Perez, A., McCarthy, J. M. 2000. Dimensional synthesis of Bennett linkages. Proceedings of the ASME.
5. Suh, C. H., Radcliffe, C. W. 1978. Kinematics and Mechanisms Design. John Wiley and Sons. Canada.
6. Шитиков Б.В. Исследование пространственных шарнирных механизмов, Рукопись. Отчет о НИР. - Казань: КХТИ, 1958. - 30 с.
7. Мудров П.Г. Пространственные механизмы с вращательными парами / П. Г.Мудров.- Казань: Изд-во Казанского университета1976. - 264 с.
8. Мудров А. Г. Пространственные механизмы с особой структурой / А.Г. Мудров. Казань: РИЦ «Школа»,2003. - 300 с.
9. Патент полезн. модель № 163709 РФ, МПК F16H 21/48. Механизм шарнирного антипараллелограмма / А. Г. Мудров, Р. Л. Сахапов; № 2015154577 / 11; заявлено 18.12.2015. Опубл. 10.08.2016 Бюл. № 22.
10. Патент № 2605955 РФ, МПК В01F 21/48. Шарнирно-рычажный механизм / А. Г. Мудров, Р. Л. Сахапов; № 2015126182; заявлено 30.06.2015. Опубл. 10.01.2017 Бюл. № 1.
11. Патент полезн. модель № 170126 РФ, МПК A22C 9/00. Устройство для массирования мяса / А. Г. Мудров, Р. Л. Сахапов; № 2016107454 / 11; заявлено 01.03.2016. Опубл. 14.04.2017 Бюл. № 11.
12. Патент № 2602056 РФ, МПК A63G 31/02 (2006.01). Устройство для тренировки вестибулярного аппарата / А. Г. Мудров, Р. Л. Сахапов; №2015100378; заявлено 12.01.2015. Опубл. 10.11.2016 Бюл. № 31.
13. Veldkamp, G. R. 1967. Canonical systems and instantaneous invariants in spatial kinematics. Journal of Mechanisms. Vol. 3. pp. 329-388
14. Perez, A., McCarthy, J. M. 2000. Dimensional synthesis of Bennett linkages. Proceedings of the ASME.
15. Suh, C. H., Radcliffe, C. W. 1978. Kinematics and Mechanisms Design. John Wiley and Sons. Canada.
