employee
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
The analysis of the state of spatial mechanisms research with a special structure in recent years has been carried out. The peculiarity of the mechanisms lies in the fact that the geometrical axes of its hinges are crossed at different angles and decorated only on rolling or sliding bearings. In domestic and world science there is practically no information about its practical use in technology, because of the special conditions of research and production in models and natural samples. The priority of research and implementation of devices based on them belongs to Kazan scientists. At present, research is being conducted on spatial mechanisms with rotary hinges on further practical use of devices in various sections of technology. They are classified into planar (the links move in the same plane) and spatial (the links move in different planes). Flat mechanisms are rather deeply studied and researched, information about them can be obtained in any textbook on the theory of mechanisms and machines. The links of spatial mechanisms are interconnected in combination with the following kinematic pairs: rotational, ball, translational, ball with a finger, “ball-tube”. Spatial mechanisms with only rotational pairs (hinges) in their development had significant difficulties and problems. Spatial mechanisms with rotary joints have formed a new group in the theory of mechanisms and machines, have many functional properties and have shown the effectiveness of using technology and technology in various sections. Over the past three years, the composition of devices based on the mechanisms of this group has increased by fifteen units, protected by patents and utility models in seven sections of technology.
spatial mechanisms, rotational hinges, crossed axes, devices, model
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. Shitikov B.V. Issledovanie prostranstvennykh sharnirnykh mekhanizmov, Rukopis. Otchet o NIR. [Exploring spatial articulations, Manuscript. Scientific-research report]. – Kazan: KKhTI, 1958. P. 30.
7. Mudrov P.G. Prostranstvennye mekhanizmy s vraschatelnymi parami. [Spatial mechanisms with rotational pairs]. / P. G.Mudrov. - Izd-vo Kazanskogo universiteta, Kazan,1976. P. 264.
8. Mudrov A.G. Prostranstvennye mekhanizmy s osoboy strukturoy. [Spatial mechanisms with a special structure]. / A.G. Mudrov - Kazan: RITs “Shkola”, 2003. P. 300.
9. Patent polezn. model №163709 RF, MPK F16H 21/48. Mekhanizm sharnirnogo antiparallelogramma. [The mechanism of the articulated anti-parallelogram]. / A.G. Mudrov, R.L. Sakhapov; № 2015154577 / 11; zayavleno 18.12.2015. Opubl. 10.08.2016 Byul. № 22.
10. Patent № 2605955 RF, MPK V01F 21/48. Sharnirno-rychazhnyy mekhanizm. [Hinge-lever mechanism]. / A. G. Mudrov, R. L. Sakhapov; № 2015126182; zayavleno 30.06.2015. Opubl. 10.01.2017 Byul. № 1.
11. Patent polezn. model № 170126 RF, MPK A22C 9/00. Ustroystvo dlya massirovaniya myasa. [A device for massaging of meat]. / A. G. Mudrov, R. L. Sakhapov; № 2016107454 / 11; zayavleno 01.03.2016. Opubl. 14.04.2017 Byul. № 11.
12. Patent № 2602056 RF, MPK A63G 31/02 (2006.01). Ustroystvo dlya trenirovki vestibulyarnogo apparata. [Device for training the vestibular apparatus]. / A. G. Mudrov, R. L. Sakhapov; №2015100378; zayavleno 12.01.2015. Opubl. 10.11.2016 Byul. № 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.
