Исследование работы механизма свободного хода бесступенчатой передачи

Вариаторы, отличаясь простотой конструкции, бесступенчатым регулированием находят применение в автоматических и ручных приводах технологических машин. Появление новых материалов и технологий позволили значительно повысить показатели качества конструкций, что привело к бурному развитию вариаторостроения во всем мире [1]. Значительное количество существующих конструкций, элементов и протекающих процессов, требуют создания и исследований новой информационной универсальной среды, интегрирующейся в современные технологии проектирования и производства [2]. Для целого ряда машин применение механических бесступенчатых приводов является наиболее простым способом совершенствования их технико-экономических показателей.

Под бесступенчатой передачей понимается механизм для плавного изменения передаточного числа, т.е. отношения частоты вращения ведущего звена к частоте вращения ведомого. Бесступенчатая передача – часть вариатора, который состоит из одной или нескольких бесступенчатых передач и устройств, обеспечивающих их функционирование [3]. Применение бесступенчатых приводов машин позволяет обеспечить плавное изменение их скоростных параметров, что является одним из эффективных способов повышения производительности труда и выпуска качественной продукции. Бесступенчатые фрикционные передачи относятся к передаточным механизмам машин и служат для трансформации механической энергии по частоте вращения и передаваемым усилиям. Располагаются они, как правило, в приводе машин между двигателем и ее исполнительными органами. Фрикционным передачам по сравнению с другими видами передач присущ ряд достоинств: они позволяют легко и в широком диапазоне осуществлять бесступенчатое регулирование скорости, содержат простые по форме тела качения, обеспечивают равномерность вращения при высоких скоростях, обладают высоким КПД.

В передачах периодического действия ведомое звено получает движение импульсами. При таких передачах в них и приводимых ими в движение системах имеют место инерционные воздействия, снижающие долговечность элементов машин. Этот недостаток импульсных передач ограничивает их распространение, хотя конструктивно они просты. Импульсные вариаторы отличаются компактностью на единицу мощности, широким диапазоном регулирования частотно-амплитудных характеристик, могут быть автоматическими без каких-либо дополнительных устройств, имеют возможность совмещать в себе функции редуктора и устройства для предохранения от перегрузок. Импульсную механическую передачу можно представить как механический генератор колебаний с регулируемой амплитудой с механизмом свободного хода (МСХ), позволяющим преобразовывать колебательное движение ведомого вала в однонаправленное.

В последние годы существенно возрос интерес к импульсным передачам, обеспечивающим бесступенчатое регулирование скорости в приводах технологических машин. Обычно вращательное движение ведущего вала у этих передач преобразуется в колебательное движение, которое с помощью МСХ вновь трансформируется во вращательное движение, но уже ведомого вала. Механизм, преобразующий вращательное движение ведущего вала передачи в колебательное движение звена, жестко связанного с ведущим звеном МСХ, называют преобразующим механизмом. В качестве преобразующих механизмов в импульсных передачах применяют различные рычажные, зубчато-рычажные и кулачковые механизмы.

Условно представим преобразующий механизм в виде четырёхзвенника. Синтез механизма шарнирного четырехзвенника в общем случае заключается в определении значений основных линейных размеров его звеньев l₁ , l₂ , l₃ , l₀ и значения угловой координаты φ₁, определяющей положение кривошипа при синтезе (рис. 1).

Рис 1. Параметры четырехзвенника

Динамика работы МСХ вносит существенные особенности в работу передачи. Работа МСХ можно разделить на четыре фазы: включение, включенное состояние, выключение, выключенное состояние. Переход к каждой фазе обусловлен конструкцией, показателями точности, материалами, рабочей средой и сочетанием прочих условий работы механизма. Каждая последующая фаза зависит от предыдущей. Поведение и свойства вариатора в автоматической системе не являются суммой свойств отдельных компонент. Задача управления сводится к построению решающего правила. Предлагается для построения решения по управлению использовать парадигму ситуационного управления [4]. Разработанные математические модели позволили исследовать ряд кинематических и динамических процессов. При переходном режиме работы механизма свободного хода наблюдается неравномерность работы за счет импульсного характера движения. На рис. 2 показаны зависимости движения преобразующего механизма.

Рис 2. Кинематические характеристики преобразующего механизма

На основе решения уравнений графоаналитическим методом построен алгоритм движения выходного вала преобразующего механизма (рис. 3):

если , то ; иначе ;

если , то ;

если и , то ;

если , то .

Рис 3. Построение динамической характеристики выходного вала преобразующего механизма

Для планирования заданного движения системы необходимо решить обратную задачу о положении механизма. Суть данной задачи состоит в определении требуемых перемещений звеньев системы по заданному закону движения рабочего органа. Для этого проведено исследование динамики работы преобразующего механизма, построены кинематические характеристики преобразующего механизма при неизменном и увеличивающемся эксцентриситете. В соответствии с логикой включения и выключения механизма свободного хода построена динамическая характеристика.

Литература:

1. Карабань, В.Г. Использование экспертных систем и искусственных нейронных сетей при информационном сопровождении стадии проектирования бесступенчатых передач приводов технологических машин / В.Г. Карабань, О.Г. Максимова // Изв. ВолгГТУ. Серия "Прогрессивные технологии в машиностроении". Вып. 5 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2009. - №8. - C. 90-92.

2. Карабань, В.Г. Использование CBR-систем для оценки качества механизмов свободного хода импульсных вариаторов / В.Г. Карабань, О.Г. Мохова // Инновационные технологии в обучении и производстве : матер. VI всерос. науч.-практ. конф., г. Камышин, 15-16 дек. 2009 г. В 6 т. Т. 3 / ГОУ ВПО ВолгГТУ, КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - C. 49-52.

3. Мохова, О.Г. Динамика работы механизма свободного хода импульсной бесступенчатой передачи [Электронный ресурс] / О.Г. Мохова, В.Г. Карабань // XXIII международная инновационно-ориентированная конференция молодых учёных и студ. МИКМУС-2011, Москва, 14-17 декабря 2011 г. / Ин-т машиноведения им. А.А. Благонравова РАН. - М., 2011. - C. 120. – Режим доступа : http://www.imash.ru/conf/mega/2011/Prec2011.pdf.

4. Мохова, О.Г. Разработка информационной модели вариатора как сложного технического объекта / О.Г. Мохова // XXII Международная инновационно-ориентированная конференция молодых учёных и студентов (МИКМУС-2010) "Будущее машиностроения России" : сб. матер. конф. с элементами науч. Школы для молодёжи (г. Москва, 26-29 октября 2010 г.) / РАН, Ин-т машиноведения им. А.А. Благонравова. - М., 2010. - C. 156.