Роль моделей в исследовании пространственных устройств

Появились публикации о пятизвенных и шестизвенных механизмах этой группы. Но ни одному из ученых или производственников не удалось изготовить ни одной модели или натурного образца механизма этой группы. Механизмы считали бесперспективными, представляющие интерес только с чисто теоретической стороны. Почему же возникла трудность в изготовлении моделей? Почему звенья механизмов моделей не проворачивались и часто образовывали неподвижное соединение – раму?

Проблема состояла в том, что в теоретических расчетах у механизмов концы кратчайших расстояний (длины) звеньев кинематических пар совпадают, т.е. пересекаются в одной точке. Это достаточно хорошо представлялось теоретически, однако в моделях или производственных образцах добиться совпадения кратчайших расстояний звеньев в одной точке ученым не удавалось, поэтому звенья не проворачивались и механизм был не работоспособным. Лишь 75 лет после теоретического описания механизма Беннетта казанским ученым профессорам Б.В. Шитикову [5] и П.Г. Мудрову [6] удалось решить проблему изготовления моделей и натурных образцов.

Четырехзвенный механизм с цилиндрическими шарнирами (впоследствии механизм Беннетта) стал первообразующим из группы пространственных механизмов с вращательными шарнирами, хотя описан он был как механизм с цилиндрическими шарнирами. На историческом уровне развития пространственных механизмов изготовление моделей, на первый взгляд, является ничем не примечательным событием, не заслуживающим серьезного внимания. Но факты говорят об обратном, ибо за 75 лет после открытия механизма не было создано ни одной работоспособной модели механизма ни у нас в стране, ни за рубежом из этой группы, и ни один из механизмов не был доведен до практического использования в технике. И лишь после изготовления моделей эти механизмы получили развитие от теории до практического внедрения [7, 8].

34. Смесител

3>5.Чстр. для мойки

Ас «698809

с«П615И о 715128 \Ас« 618831

Ас «1310044

53.Смеси тель

Ас 730548 7)2.Смеситель

31.Смесител а

А с«1694396

1. Mcluqakcl

Pa5w. лопастями

6. Смеситель

Ас «848 509

Асу 742 НА

21 Смеситель

Ас.« 895485

Асм 1530182

22.7стр. для мойки _Т

Д.О560 7 78 9.Тренажер

Асу 808035

Ас«77956 7 ' Ас кЖ58969

А су 643305

1 (ПриКод диска свеклокомбайна

A.c.fJ8S4350 О-Спесиглель

2. Плонетарнвя 5. Мешалка <3 А-Чстрдла моими 5.Протра&ли!атель Мешалка РлЯла дпплстяки          .

Ac/J 967353 |5. Гадто5оте/1Ь

Пат.^207др39

ЗО.Смеситель

А.сы755577

13. Смеситель

A.caJ950216

Ю.Ре*. аппарат

Ас и 766675 27. Смеситель

Адл1841663

8 .Сиесигел^. Е-ертик

Ac«G>51835

12.7 ренатер

Ас«753611

26. Для закалки де талей

Асу <442241 14. Чстр, очистки

АсИ69Ш0 А с к 876146 । 28,Для очистки 29. Чстр. ДЛЯ полых изделий мойки

Рис. 1. Применение механизма Беннетта в технике

16.Для мойки Асм-169998

17Дл^ пог^чжени^ Ас л/12456 56

18. Привод крыла орнитоптера Ac v 87865^

19. инерционный двигатель Дсау939817

20. Землеройная машина г^ Ас,883248

23. Смеситель

24.СмеситеАЬ 25.ШлидаАатель

В чем же было преткновение при изготовлении моделей? Как в моделях, так и в натурных образцах только у одного звена, как правило, шатуна, концы кратчайших расстояний между геометрическими осями шарниров равны конструктивному расстоянию между геометрическими осями тела звена. У других звеньев кратчайшее расстояние между геометрическими осями шарниров расположено вне звена, т.е. у тела звена расстояние между его осями не равнялось теоретическому кратчайшему расстоянию. В отсутствии определения и согласования теоретического кратчайшего расстояния и действительного расстояния между осями тела звена, высотой головки подшипников и заключалась причина неработоспособности моделей.

Модели пространственных механизмов с вращательными парами сыграли ключевую роль в исследовании и, самое главное, в практическом использовании механизмов в технике. Вот факты, подтверждающие это. Если за 75 лет не было ни одного практического использования механизмов в технике и имелось их небольшое количество в теоретическом исполнении, то с изготовлением моделей за 15-20 лет образовано около сотни новых механизмов и что важно, изготовлено и внедрено в различных разделах техники более 50 устройств. Следует отметить, что только на базе механизма Беннетта создано 34 устройств на уровне изобретений (рис. 1) [9].

Развитие механизмов в моделях началось с механизма Беннетта, кинематическая схема которого показана на рис. 2, параметры механизма имеют следующие значения. Угол α 1 скрещивания геометрических осей шарниров ведущего кривошипов 1 и α 3 ведомого кривошипа 3 равны, т.е. α 1 = α 3 . Кратчайшие расстояния между этими осями также равны, т.е. ℓ 1⁼ ℓ 3 . Соответственно равны углы скрещивания геометрических осей шарниров шатуна 2 и стойки 4 и кратчайшие расстояния между ними, т.е. α 2 = α 4 и ℓ 2 =ℓ 4 . Параметры связаны между собой соотношением, sin α 1 /ℓ 1 =sin α 2 /ℓ 2 .

На схеме рис.2 кратчайшие расстояния у звеньев 1 , 3 , 4 показаны вне тела, у шатуна 2 кратчайшее расстояние ℓ 2 будет по телу. Поскольку оси шарниров звеньев расположены в пространстве (см. рис. 3-5) на плоском чертеже углы и кратчайшие расстояния изображены с некоторым искажением.

Модель механизма показана на фото рис. 2, фотография механизма - на рис.3, на рис.4 – фото лабораторного смесителя вместимостью емкости 10 л. У лабораторного смесителя угол скрещивания геометрических осей шарниров шатуна 2 и угол у стойки равны 90⁰, это сделано для упрощения изготовления шатуна и стойки. Кроме приведенных на рис. 2-5 иллюстраций, на базе механизма Беннетта создано 35 устройств самого различного функционального назначения для многих направлений техники (рис. 1), 34 из которых признаны изобретениями.

Особенность пространственных механизмов с вращательными шарнирами заключается в том, что из-за особой структуры при постоянной угловой скорости ω ведущего кривошипа, ведомый кривошип будет вращаться с переменной угловой скоростью ω 3 в пределах одного оборота, определяемой выражением

ω ₃

cω a - b cosϕ

где с=cos α 2 -cos α 1 ; a=α 1 -cos α 1 ∙cos α 2 ; b=sin α 1 ∙sin α 2 ; φ – угол поворота ведущего кривошипа.

Рис. 3. Модель механизма

Рис. 4. Фото механизма

Рис. 2. Схема механизма Беннетта

Рис. 5. Фото смесителя

Максимальное значение угловой скорости будет при угле ф поворота ведущего кривошипа, равном 00, будет

исследовании пространственных механизмов с вращательными шарнирами.

^ω max

сω

a - b ,

минимальное значение при ф=1800:

^ω max

сω a+b

■

Степень неравномерности б вращения ведо-

мого кривошипа определится как

2 b 2 sin α ₁ ⋅ sin α ₂

с     cos α ₂ - cos α ₁

Рис. 7. Фото смесителя

Так как ведущий кривошип вращается с постоянной угловой скоростью за оборот, а ведомый кривошип - с переменной, и вращаются они в плоскостях, расположенных под углом си, то шатун будет иметь сложное пространственное неравномерное движение, соответственно, закрепленная с шатуном емкость будет иметь такое же сложное пространственное неравномерное движение. Материал, находящийся в емкости, будет иметь сложное турбулентное движение с дополнительным силовым инерционным воздействием, что в совокупности будет содействовать существенной интенсификации обработки материала (перемешивание, поверхностная обработка деталей, дробление, очистка и мойка деталей и т.п.).

С таким же успехом изготавливались модели и производственные устройства пространственных пятизвенных и шестизвенных механизмов, в качестве примера показана на рис. 6 модель, а на рис. 7 на базе пятизвенного механизма показано производственное устройство - смеситель. Как видно из приведенных рисунков, производственные устройства не всегда копируют модель, иногда фото модели выглядит сложнее, чем производственное устройство.

Рис. 6. Модель пятизвенника

Итак, модели пространственных механизмов с вращательными шарнирами существенно развили и расширили знания о пространственных механизмах. Вот краткие сведения о роли моделей в

- На моделях в первую очередь проверялось теоретическое условие проворачиваемости звеньев. Подтверждалось или опровергалось свободное вращение звеньев, проверялась жесткость механизмов.

- На моделях определялось движение звеньев относительно друг друга и стойки, т.е. кинематические параметры механизмов, в частности, зависимость угла поворота ведомого звена относительно ведущего и т.д.

- На моделях проверялись аналитические зависимости кинематических параметров. В нашем случае аналитические зависимости полностью совпали с экспериментальными данными, полученными на моделях.

- Модели позволили наглядно увидеть и оценить законы движения звеньев и наметить возможные варианты использования механизмов в технике. С помощью моделей выявлен огромный функциональный потенциал механизма Беннетта, по этому показателю ему нет равных среди сотен известных механизмов. Это подтверждается 34 авторскими свидетельствами на изобретения, созданными на базе механизма Беннетта [10].

- Модели использовались на этапе предварительных экспериментальных лабораторных исследованиях по практическому использованию механизмов в том или ином устройстве или процессе.

- Модели способствовали созданию семи направлений техники, где механизмы начали эффективно использоваться. Приводы сельскохозяйственных машин (элеватор картофелекопателя, диск свеклокомбайна, режущий аппарат, передаточные механизмы и т.д.), устройства для первичной обработки изделий (для галтовки и полировки деталей, для протравливания семян, для шлифовки семян, для закалки изделий, для гальванопластической обработки деталей), устройства для мойки и очистки изделий (устройства для жидкостной обработки изделий, для очистки полых изделий, устройства для мойки изделий), устройства для копирования движений (привод крыла птиц, гребное устройство, захват, землеройная машина, для расчесывания меха), устройства для измельчения (молотковая мельница, для переработки полимерных материалов, измельчитель), инерционные устройства (инерционный двигатель, для погружения свай, тренажеры), устройства для эффектов (вращающийся фонтан, устройства для развлечений).

Выводы:

• 1.    Следует отметить, что первым рождением пространственных механизмов с вращательными шарнирами стало теоретическое открытие механизма Беннетта, ставшего модулем образования пяти, шести, семизвенных и дифференциальных механизмов.

• 2.    Вторым рождением пространственных механизмов можно считать год создания моделей и изготовления устройств производственного назначения. С этого момента началось активное и плодотворное развитие механизмов этой группы, их всестороннее исследование и внедрение в различные разделы техники.

• 3.    Четырехзвенный механизм Беннетта за 80 лет со дня опубликования исследовался отечественными и зарубежными учеными только теоретически, сведений о внедрении его в производство за этот период не выявлено.

• 4.    Механизмы комплексно были исследованы, изготовлены в моделях и производственных образцах и внедрены в производство казанскими учеными.

• 5.    Механизм Беннетта является «жемчужиной» функциональных свойств, по числу которых ему нет равных среди сотен других механизмов.

• 6.    Инженерно-технические специалисты нашей страны и конструкторы новой техники практически не знакомы с пространственными механизмами этой группы, так как ни в одном учебнике по теории механизмов и машин (ТММ) о них нет даже элементарных сведений.

• 7.    Отечественные и зарубежные ученые исследуют механизмы этой группы только теоретически и в своих статьях и диссертациях вообще не упоми-

• нают о том, что эти механизмы уже изготовлены в моделях, производственных образцах и внедрены в производство. Это нам не понятно и труднообъяснимо. Создание моделей механизмов этой группы сыграло решающую роль в исследовании и создании нового направления в теории пространственных механизмов и их внедрение в производство.