CC BY
12
УДК 621.01
О СОЗДАНИИ РАЦИОНАЛЬНОГО ЧЕТЫРЕХЗВЕННОГО КРИВОШИПНОГО МЕХАНИЗМА КАЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА
Л.Н. Гудимова, Л.Т. Дворников, А.Г. Никитин, К.В. Торушпанов E-mail: [email protected] Сибирский государственный индустриальный университет, Новокузнецк, Россия
Аннотация. Наиболее широко в современной промышленности, в том числе и в металлургической, применяются плоские шарнирные механизмы. До настоящего времени само понятие избыточности связей сформулировано не четко, нередко ошибочно. В научной школе Сибирского государственного индустриального университета проведены исследования: избыточными связями в механических системах следует называть такие, которые возникают в кинематических парах в результате неизбежной принужденной сборки системы. Количество звеньев, количество и классы используемых кинематических пар этой системы не соответствуют самоустанавливающейся системе, описываемой формулой подвижности А.П. Малышева. Показано, что при обеспечении движения звеньев в параллельных плоскостях или с минимальным отклонением от параллельности возможно существенно уменьшить усилия, возникающие в кинематических парах. В металлургической промышленности такие механизмы работают в условиях высоких температур и нагрузок, которые часто приводят к увеличению деформации деталей, а нередко и к заклиниванию в местах их соединения. Создание механизмов, способных адаптироваться к изменяющимся нагрузкам, позволит решить задачу не только увеличения коэффициента полезного действия механизма, но и улучшения всего выполняемого технологического цикла.
Ключевые слова: кинематическая пара, четырехзвенный механизм, рациональный механизм, избыточная связь, механизмы качения и прижима кристаллизатора.
ON THE CREATION OF A RATIONAL FOUR-LINK CRANK ROLLING MECHANISM
OF A MOLD
L.N. Gudimova, L.T. Dvornikov, A.G. Nikitin, K.V. Torushpanov E-mail: [email protected] Siberian State Industrial University, Novokuznetsk, Russia
Abstract. Planar articulated mechanisms are most widely used in modern industry, including metallurgy. Up to now, the concept of redundancy of links itself has not been formulated clearly and is often incorrect. The research has been carried out in the scientific school of Siberian State Industrial University: the redundant links in the mechanical systems arise in kinematic pairs as a result of the inevitable forced assembly of the system. The number of links, the number and classes of the used kinematic pairs of this system do not correspond to the self-aligning system described by the A.P. Malyshev. It is shown that by ensuring the movement of the links in parallel planes or with a minimum deviation from parallelism, it is possible to reduce significantly the forces arising in the kinematic pairs. In the metallurgical industry, such mechanisms operate under conditions of high temperatures and loads, which often lead to an increase in the deformation of parts, and often to jamming at their joints. The creation of mechanisms capable of adapting to changing loads will solve the problem of not only increasing the efficiency of the mechanism, but also improving the entire technological cycle performed.
Keywords: kinematic pair, four-link mechanism, rational mechanism, redundant links, rolling and clamping mechanisms of the mold.
Техническое перевооружение в металлургической промышленности должно проводиться путем внедрения нового высокопроизводительного оборудования. Решения этой проблемы можно
добиться созданием рациональных кинематических схем шарнирных рычажных механизмов без избыточных связей [1 - 4]. Такие механизмы получили широкое применение в металлургии,
Рис. 1. Механизм качения кристаллизатора (а), избыточность связей в шарнирном четырехзвеннике (б)
благодаря возможности передачи значительных усилий.
В настоящей работе, основываясь на ранее проведенных исследованиях по созданию механизмов без избыточных связей [5], поставлена и решена задача определения одного из динамических параметров, реакций связи (усилий, возникающих в местах соединения деталей) на примере четырехзвенного кривошипного механизма. Подобные кинематические схемы используются в механизмах качения кристаллизатора (рис. 1), щековых дробилок, ножниц для резки металла, в прессах кузнечно-штамповочного производства и т.п.
В рассматриваемых структурах шарнирных механизмов звенья соединяются только кинематическими парами пятого класса.
Проведено динамическое исследование шарнирного четырехзвенного механизма с использованием программного комплекса Т-Иех (рис. 2, а, б). Трехмерные модели механизмов созданы таким образом (рис. 2, в), что ведущее звено 1 (кривошип) совершает полный оборот (рис. 1, б).
При проведении эксперимента звенья одного механизма были соединены между собой вращательными кинематическими парами р5 с позиционным отклонением между реальным расположением осей шарниров и номинальным (А) в пределах плоскости (рис. 3, а) и с отклонением от параллельности плоскостей относительно общей плоскости (рис. 3, б) соответствующим шестому квалитету точности. Реальное проявление избыточных связей при работе механизмов можно показать на примере плоского шарнира, когда соединяемые в шарнир звенья оказываются в пересекающихся плоскостях (рис. 3, г).
В случае обеспечения параллельности перемещения звеньев (рис. 3, в), момент Мх звена 1 беспрепятственно передается звену 2 (М2 = М{). При пересечении в пространстве плоскостей, в которых движутся звенья (рис. 3, б, г) (соответствует условию работы механизма с избыточными связями), момент М1 лишь частично передается второму звену в виде М2. При этом появляется момент М21 в плоскости, перпендикулярной той, в которой задано движение звену 1. Чтобы ликвидировать появление избыточных связей, звенья второго механизма (рационального) были соединены между собой с полным совмещением осей шарниров и с обеспечением строгого параллельного их движения в плоскости (рис. 3, в). При проведении эксперимента использовались следующие условия: угловая скорость ведущего звена w составляет 600 об/мин; вращающий момент ведущего звена М составляет 500 Нм.
На рис. 4 приведены графики изменения усилий (реакций связи) в местах соединения звеньев за полный оборот ведущего звена (кривошипа), возникающие во втором и третьем шарнирах (рис. 1, б), в механизме с избыточными связями и с их отсутствием.
Анализ проведенного эксперимента убедительно доказывает, что появляющееся смещение относительно центра шарнира и отклонение от параллельности плоскостей вращения звеньев приводят к возникновению контактов звеньев (рис. 3, г). Эти контакты вызывают появление дополнительных сил ^ и ^12, которые являются вредными, приводящими к потере передаваемой мощности. То есть появляются ненужные, избыточные связи.
б
а
ЕЮ Модель Ф х
Щ
© Материаль : 1
Е ч_I 30 Построения
Е ч_) Операции
Е ч_I Геометрические элементы
|)|(| Сопряжения : Ё + _ Сопряжение_1 В Сопрнжение_2 + Сопрнжение_3 Е1 Сопрпжение_4 Е1 Сопрпжение_5 + Сопр пжение Ь + Сопрнжение_7 В ®П Сопряжение_3 Е 3 Задачи : 1
В ^ Динамический анализ_1 В-£ Шарниры : 4 Е Шарнир_5 Е Шарнир_6 + [$3 Шарнир_7 Е Шарнир_3 В & Силы : 1
Е 'Э1 Вращение_1 [+ ^ Скорости : [} [+ _ . Датчики : О В Результаты : О Е ' 30 Фрагмент_4 (,ЛПсстроения\Деталь 4.дгЬ) Е 51 Фрагмент_1 (..\Построения\Цеталь 1.дгЬ) Е 30 Фрагмент_2 (..'-.Построения-Летаг^ 2.дгЬ) Е
Зи Фрагмент_И I...-.ПостроенияЧОеталь :.:■::
51
а
б
в
Рис. 2. Параметры программы Т-Иех (а, б) и размеры исследуемого механизма (в)
Усилия, возникающие в местах соединения звеньев (деталей) в механизме с избыточными связями, более чем в десять раз больше усилий в механизме без избыточных связей. Несмотря на то, что в рациональном механизме в реальных условиях работы возникающие усилия возможно будут иметь более высокие значения, чем полученные в проведенном эксперименте, можно утверждать, что исключение избыточных связей дает возможность получить более производительные механизмы и машины [8 - 10].
Отметим, что при создании рациональных механизмов соединять звенья можно, например, известными кинематическими парами третьего (сферический шарнир) и четвертого (шарнир с пальцем) классов, а также и парами, геометрические элементы звеньев которых выполнены криволинейными (рис. 3, г). Это уже не будет сферический шарнир в полном его понимании, а будет шарнир квазивысокого класса. Кривизна соединения может быть рассчитана, исходя из требований допусков на соединение звеньев (деталей).
Рис. 3. Условия соединения звеньев
б
д
а
в
г
0,025 0,050 0,075 0,100 Время, с
35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0
0,025 0,050 0,075 0,100 Время, с
0
О 200
а а
а
tu
а
0,025 0,050 0,075 0,100 Время, с
35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000
0
0,025 0,050 0,075 0,100 Время, с
0
Рис. 4. Реакции связи в соединениях: а, в - механизм без избыточных связей; б, г - механизм с избыточными связями
Выводы
Применение в металлургических машинах механизмов без избыточных связей позволит исключить влияние изменения размеров деталей не только из-за износа в соединениях, но и из-за возникающих в них деформаций, в том числе и от воздействия высоких температур. В результате увеличится срок эксплуатации, повысится коэффициент полезного действия, надежность всей металлургической машины.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. -640 с.
2. Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3-х томах. Т. 1. Машины и агрегаты доменных цехов / А.И. Целиков, П.И. Полухин, В.М. Гребеник и др. - М.: Металлургия, 1987. - 440 с.
3. Uicker J.J., Pennock G.R. Theory of Mechanisms. - New York: Oxford Univ. Press, 2003. - 928 p.
4. Родионов Н.А. Исследование долговечности подшипников шарнирно-рычажного механизма качения кристаллизатора МНЛЗ. -В кн.: Современное машиностроение. Наука и образование. Материалы 3-й Междунар. науч.-практ. конференции / Под ред. М.М. Радкевича, А.Н. Евграфова. - СПб.: изд. Политехн. ун-та, 2013. С. 371 - 378.
5. Гудимова Л.Н., Дворников Л.Т. Основы теории избыточности связей в механизмах. - Новокузнецк: ООО Полиграфист, 2018. - 174 с.
6. About preparation of new section of terminology IFToMM on MMS: Chapter 16 "Compliant Mechanisms" / N.T. Pavlovic et al. - In book: Terminology for the mechanism and machine science: Proceedings of the scientific seminar (Saint-Petersburg, Russia, June 23-29, 2014). 25th Working Meeting of IFToMM Permanent Commission on MMS. - Gomel - Saint-Petersburg, 2016. P. 47 - 49.
7. Audi R. The Cambridge dictionary of philosophy. - Cambridge University Press, 1999. - 1031 p.
8. Boegelsack G. Twenty-five years IFToMM Commission A "Standardization of terminology" - history, methodology, results and future work // Mech. Mach. Theory. 1998. Vol. 33. No. 1/2. P. 1 - 5.
9. Khurmi R.S., Gupta J.K. Theory of machines. -Ram Nagar, New Delhi, India, 2011. - 1071 p.
10. Saura M., Celdran A., Dopico D., Cuadrado I. Computational structural analysis of planar multibody systems with lower and higher kinematic pairs. Mechanism and Mashine Theory, 71. - Elsevier, 2014. P. 79 - 92.
© 2021 г. Л.Н. Гудимова, Л.Т. Дворников, А.Г. Никитин, К.В. Торушпанов Поступила 7 декабря 2020 г.
