STRUCTURAL CLASSIFICATION OF MECHANISMS WITH VARIABLE STRUCTURE
Abstract and keywords
Abstract (English):
The proposed classification of mechanisms with a variable structure reflects the structural features of segments and their connections on which these mechanisms change and then rebuild their structure. The functionality of mechanisms with a variable structure and the nature of kinematic circuits’ formation are taken into account; their classification is clarified.

Keywords:
mechanism with a variable structure, classification, kinematic circuit, functionality of mechanisms
Text
Механизмы по признаку постоянства структуры можно разделить на две группы: механизмы постоянной и переменной структуры. Структура и классификация механизмов первой группы нашли отражение в работах П. Л. Чебышева [1], И. О. Сомова [2], Г. Х. Гохмана [3], Л. В. Ассура [4] и других русских исследователей, и получили дальнейшее развитие в трудах советских учёных А. П. Малышева [5], В. В. Добровольского [6, 7], И. И. Артоболевского [8], разработавших основы рациональной классификации. В настоящее время опубликованы работы Л. Т. Дворникова [9, 10], излагающие принципиально новый подход к решению вопросов структурного синтеза механизмов. А. И. Смелягиным [11] создан новый метод структурного анализа и синтеза механизмов, разработаны структурные математические модели механизмов, предложены универсальные зависимости для определения подвижности простых и сложных механизмов. В. И. Пожбелко [12] установлена взаимосвязь между структурными параметрами механических систем с разными типами связей и подвижностью этих систем. Механизмы второй группы [13–15] находят весьма широкое применение в технике. При работе данных механизмов возможно мгновенное изменение количества звеньев, кинематических пар и их подвижности, геометрических размеров, инерционных и упругих параметров звеньев, разобщение и воссоединение кинематических цепей. Вопросы, касающиеся их структуры, впервые расcматриваются в работах С. Н. Кожевникова, Е. А. Антонюка [13, 14]. В работе С. Абдраимова, Т. О. Невенчанной [15] по анализу и синтезу подобных механизмов предложено учитывать конверсионное звено. Научные исследования по данной теме проводились под руководством проф. Т. О. Невенчанной на кафедре теоретической и прикладной механики Астраханского государственного технического университета (АГТУ) (при поддержке гранта РФФИ № 05-01-09502, получен патент РФ [16]). В 2005 г. в журнале «Вестник Астраханского государственного технического университета» рассматривались структурно-конструктивные особенности кинематических цепей механизмов переменной структуры [17]. Анализ механизмов, представленных в указанной работе, отобразил особенности конструктивного исполнения звеньев и их соединений, на основе которых механизмы изменяют и потом восстанавливают свою структуру. В диссертационной работе «Исследования динамики механизма переменной структуры с комбинированным шатуном» [18] одним из результатов стала уточненная классификация исследуемых механизмов, в которой принят во внимание характер соединения звеньев (постоянное или периодическое), что объясняет наличие постоянно замкнутых кинематических цепей и цепей, не соединенных друг с другом, и является одним из возможных принципов преобразования структуры механизмов. В классификации в левом столбце (рис. 1) указаны кинематические особенности цепей рассматриваемых механизмов, а в правом и центральном – за счет чего эти цепи образуются. Здесь же приводятся примеры механизмов, входящих в определенную структурную группу. Примером механизма, имеющего единую неразобщающуюся кинематическую цепь, является механизм двигателя, в котором неразрывно связаны кривошипно-шатунный механизм и механизм газораспределителя. Преобразование структуры возможно и у механизмов, состоящих из разобщенных кинематических цепей. К разобщенным кинематическим цепям относят несвязанные между собой кинематические цепи, которые, однако, являются составными частями одного механизма. Разобщенные кинематические цепи могут обособленно (попеременно) передавать движение ведомому звену, но могут приводить его в движение, сливаясь в единую кинематическую цепь. К последним относится механизм включателя (рис. 1). Рис. 1. Классификация МПС Механизм включателя, представленный на рис. 1, состоит из двух разобщенных кинематических цепей 1 и 2 и преобразуется в единую кинематическую цепь посредством замыкания элементов а и б кинематических пар свободных звеньев. Замыкание происходит при приложении усилия к звену механизма 1, которое может совершать поступательное движение. К механизмам, имеющим единую кинематическую цепь, но периодически разобщающуюся, относятся мальтийские и храповые механизмы (рис. 1). У мальтийского механизма в процессе работы кинематическая цепь постоянно распадается после каждой четверти оборота мальтийского креста. При этом ведущее звено продолжает вращаться, а мальтийский крест находится в неподвижном положении, механизм преобразуется в двухзвенный. В рабочем режиме механизм преобразуется в четырехзвенный кулисно-рычажный. К механизмам, не образующим единую кинематическую цепь, относится исполнительный механизм безмуфтового механического пресса (рис. 1). Он состоит из трех разобщенных кинематических цепей 1, 2, 3, которые попеременно передают движение ведомому звену, не сливаясь в единую кинематическую цепь. Кинематическая цепь 1, представляющая собой шестизвенный механизм с дисковыми звеньями, периодически соединяется во время работы либо с кинематической цепью 2 (рабочий режим работы), либо с кинематической цепью 3 (холостой режим работы). Кинематические цепи 2 и 3 состоят из трехзвенных механизмов пневмоцилиндров. В механизме коробки скоростей (механизм с разобщенной кинематической цепью) изменение структуры происходит за счет замыкания и размыкания элементов а-б или в-г кинематических пар свободных звеньев (рис. 2). Блок шестеренок 3, 4 перемещается вдоль вала по шпонке и может попеременно входить в зацепление шестернями 1 или 2, образуя при этом высшую кинематическую пару. Рис. 2. Коробка скоростей с промежуточным блоком шестерён В некоторых механизмах с составными звеньями структура изменяется за счет их преобразования. В кривошипно-ползунном механизме с составным шатуном (рис. 3, а) кривошип 1 приводит в движение составной шатун 2-2а. При наложении связей (остановка поршня 3 в момент его соприкосновения с упором 4) механизм из кривошипно-ползунного преобразуется в рычажный четырехзвенник (рис. 3, б). а б Рис. 3. Кривошипно-ползунный механизм с составным шатуном В механизме привода, имеющем предохранительные звенья, преобразование структуры происходит за счет разъединения кинематических цепей 1 и 2, соединяющихся с помощью шариковой муфты (см. рис. 1). При возникновении максимальной нагрузки на рабочем органе механизма муфта начинает пробуксовывать и кинематическая цепь 2 становится неподвижной. В движении находится только кинематическая цепь 1. В рыборазделочных машинах широко применяются механизмы измерения объектов обработки (рис. 4), составляющие единые кинематические цепи с механизмами настройки рабочих органов в зависимости от размеров рыбы. Рис. 4. Механизм измерения объектов обработки Эти механизмы также являются МПС, у которых изменение структуры происходит за счет воздействия на них объектов обработки. Рыба перемещается в кассете в направлении стрелки S под действием толкателя 1 и измеряется при этом пластинкой 2. Последняя приводится в движение с помощью реек 3 и 4 и шестерен 5 и 6. Рабочее движение толкателя 1 осуществляется под действием пружины 7, а холостое – с помощью ролика и цилиндрического кулачка (на схеме не показаны). Исследуя МПС различного назначения и конструктивного исполнения, отметим, что причины преобразования их структуры могут быть самые разные. Структура МПС может изменяться принудительно под воздействием внешних сил (в момент управления), что диктуется необходимостью изменения режима движения или положения звеньев при выполнении технологических функций. Примером подобных принудительных внешних сил могут являться силы упругости пружин в механизмах с упругими звеньями, работающие в определенный период цикла. Причиной преобразования структуры механизмов может также являться изменение их геометрии (длина звеньев, межопорные расстояния, изменения диаметров раздвижных шкивов у вариаторов). Существует, однако, ряд механизмов прерывистого движения (мальтийские, храповые, неполнозубые колеса), структура которых изменяется автоматически с заданной цикличностью за счет конструктивных особенностей элементов пар. Преобразование МПС возможно благодаря применению в их кинематических цепях особых звеньев и соединений. К их числу относятся свободные основные звенья (они передают движение другим цепям, перемещаясь друг относительно друга), у которых два структурно-конструктивных элемента (СКЭ) образуют кинематические пары. Конструктивно СКЭ выполнены таким образом, что при перемещении звеньев обеспечивается их замыкание и образование подвижных соединений и размыкание. Таким образом, в механизмах с разобщенными кинематическими цепями (мальтийские механизмы) происходит периодическое преобразование структуры. К основным звеньям могут относиться ползуны, кулачки, шатуны, ленты, цепи, пружины и т. п. Аналогичную роль выполняют и свободные вспомогательные звенья (они не служат для передачи движения другим звеньям и, следовательно, не влияют на выполнение механизмами заданных движений). Вспомогательные звенья обеспечивают заданное функционирование основных звеньев: способствуют выполнению ими движений или удерживают их в состоянии покоя (стопор храпового механизма). К вспомогательным звеньям могут относиться рычаги, полумуфты конусные и кулачковые и др. Исследование структуры механизмов различного назначения и конструктивного исполнения позволило расширить представление о структуре и особенностях кинематических цепей, звеньев и их соединений. Результатом этих исследований явилась предлагаемая классификация МПС, в которой впервые представлены дисковые механизмы переменной структуры.
References

1. Chebyshev P. L. O parallelogrammah // Soch. – T. 2. – SPb., 1907.

2. Somov I. O. O stepenyah svobody kinematicheskoy cepi // Zhurnal Russkogo fiz.-him. o-va. – 1887. – Vyp. 9, t. XIX.

3. Gohman H. I. Kinematika mashin. – T. I. Osnovy poznaniya i sozdaniya par i mehanizmov. – Odessa, 1896.

4. Assur L. V. Issledovanie ploskih sterzhnevyh mehanizmov s nizshimi parami s tochki zreniya ih struktury i klassifikacii. – SPb.: Izd-vo S.-Peterburg. politehn. in-ta, 1913–1918.

5. Malyshev A. P. Analiz i sintez mehanizmov s tochki zreniya ih struktury // Izv. Tomskogo tehnolog. in-ta. – 1923. – T. 44.

6. Dobrovol'skiy V. V. Osnovnye principy racional'noy klassifikacii mehanizmov // Dobrovol'skiy V. V., Artobolevskiy I. I. Struktura i klassifikaciya mehanizmov. – M.–L.: Izd-vo AN SSSR, 1939. – M.: Izd-vo AN SSSR, 1939.

7. Dobrovol'skiy V. V., Artobolevskiy I. I. Struktura i klassifikaciya mehanizmov. – M.–L.: Izd-vo AN SSSR, 1939.

8. Artobolevskiy I. I. Osnovy edinoy klassifikacii mehanizmov // Izv. AN SSSR. – 1939. – № 10. – S. 27–40.

9. Dvornikov L. T. Nachala teorii struktury mehanizmov. – Novokuzneck: Sibir. gos. gorn.-metal. akad., 1994. – 101 s.

10. Dvornikov L. T. K voprosu o strukturnom sinteze grupp Assura: materialy Mezhdunar. konf. «Problemy mehaniki sovremennyh mashin». – T. I. – Ulan-Ude: Izd-vo VSGTU, 2000. – S. 160–165.

11. Smelyagin A. I. Struktura, strukturnyy analiz i sintez mehanizmov. – Novosibirsk: NGTU, 1997. – 107 s.

12. Pozhbelko V. I. Universal'naya strukturnaya formula i klassifikaciya mehanicheskih sistem lyuboy struktury // Izv. vuzov. – 2000. – № 1–2. – S. 3–10.

13. Antonyuk E. Ya. Dinamika mehanizmov peremennoy struktury. – Kiev: Nauk. dumka, 1988. – 182 s.

14. Kozhevnikov S. N., Antonyuk E. Ya. Sistematizaciya dinamicheskih modeley mehanicheskih agregatov // Teoriya mehanizmov i mashin. – 1983. – Vyp. 35. – S. 3–6.

15. Abdraimov S., Nevenchannaya T. O. Postroenie mehanizmov peremennoy struktury i issledovanie ih dinamiki. – Frunze: Ilim, 1990. – 175 s.

16. Mehanizm peremennoy struktury s kombinirovannym shatunom mehanicheskogo pressa: pat. № 2219059 Ros. Federaciya / Nevenchannaya T. O., Hohlova O. A., Pazenko V. T.; zayavl. 08.01.2002; opubl. 20.12.2003.

17. Nevenchannaya T. O., Hohlova O. A. Strukturno-konstruktivnye osobennosti kinematicheskih cepey mehanizmov peremennoy struktury // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. – 2005. – № 2 (25). – S. 104–111.

18. Hohlova O. A. Issledovaniya dinamiki mehanizma peremennoy struktury s kombinirovannym shatunom: dis. … kand. tehn. nauk. – Astrahan', 2006. – 155 s.