МЕХАНИЗМ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ПЕРЕМЕННЫХ СИЛОВЫХ НАГРУЗОК Российский патент 1999 года по МПК F16H21/00 

Изобретение относится к четырехшарнирным механизмам (шарнирным четырехзвенинкам), которые применяются в машинах различных отраслей промышленности, в станках, прессах, подъемно-транспортных и других устройствах, и может быть использовано в составе механического оборудования, предназначенного для передачи изменяющихся по величине силовых нагрузок. Четырехзвенники используются в качестве базовых, на основе которых создаются многозвенные механизмы.

Известен, например, шарнирный четырехзвенник в составе промышленного молота для свободной ковки изделий, содержащий шарнирно связанные кривошип, шатун, коромысло и стойку, в котором коромысло является двуплечей рессорой с закрепленным на ее свободном конце рабочим органом (бабой), воздействующим на объект ковки (Щеглов В.Ф., Максимов Д.Ю. Линц В.П. Кузнечно-прессовые машины. -М: Машиностроение, 1979. -С. 16 (рис. 2.1, д), 72-73 (рис. 2, 50).

Основным недостатком данного механизма в составе молота с рессорой является невысокая его эффективность как результат значительного расхода мощности на реализацию процесса с переменной силовой нагрузкой. Первопричина недостатка заключается в несоответствии переменной силовой работоспособности четырехзвенника изменению технологической нагрузки, т.е. характеру изменения сил, возникающих при работе молота. Объясняется это тем, что в интервале кинематического цикла силовая работоспособность механизма непрерывно изменяется, достигая в определенных положениях его звеньев своих экстремальных значений. При этом положения экстремумов в интервале цикла и их численные значения зависят от соотношения длин звеньев механизма. Как известно, силовая работоспособность шарнирного четырехзвенника в любом из его положений определяется величиной угла передачи, который обеспечивается при соответствующем текущем положении звеньев. Для преодоления приложенной к коромыслу четырехзвенника технологической нагрузки шатун механизма должен быть нагружен соответствующей движущей силой. Известно, что при любом значении силы полезного сопротивления уменьшение угла передачи приводит к необходимости увеличения движущего момента на валу кривошипа и к росту расхода мощности на реализацию процесса.

Для обеспечения работы механизма при мало изменяющихся значениях движущей силы в шатуне необходимо обеспечить условия, при которых характер изменения силовой работоспособности четырехзвенника (характер изменения угла передачи) будет соответствовать характеру изменения прилагаемой к коромыслу силы полезного сопротивления. При работе молота сила полезного сопротивления в интервале рабочего (прямого) хода коромысла оказывается величиной переменной. Она возрастает с начала рабочего хода (в процессе изгиба рессоры при подъеме бабы), достигает максимума внутри интервала движения и несколько уменьшается к концу хода, в результате энергии изгиба несущего плеча рессоры. Иными словами, сила полезного сопротивления Q_п.с. является функцией переменной с максимумом внутри интервала ее существования.

Силовая работоспособность механизма, т. е. функция его угла передачи μ = f(ϕ), может быть аналогична функции изменения технологической нагрузки Q_п.с = f(ϕ) лишь при вполне определенных соотношениях длин его звеньев, где ϕ - текущий угол поворота ведущего звена (кривошипа) механизма. Другими словами, соответствие функций можно обеспечить только при вполне определенных значениях геометрических параметров механизма. Практически достигнуть такого соответствия можно лишь за счет изменения аргументов функции μ = f(ϕ), поскольку Q_п.с = f(ϕ) изменять нельзя, так как она определяется массой падающих элементов молота, т.е. массой рабочего органа - бабы.

Возрастающие с последующим уменьшением силовые нагрузки характерны для большого ряда энергоемких операций многих отраслей промышленности. Возможность эффективной реализации таких операций шарнирными четырехзвенниками основана на соответствующем повышении их схемной и конструктивной силовой работоспособности.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности путем уменьшения расхода мощности при передаче механизмом переменных силовых нагрузок.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в механизме для передачи переменных силовых нагрузок, содержащем шарнирно связанные кривошип, шатун, коромысло и стойку, соотношение длин звеньев соответствует выражению
(1+λ₁)² = λ22

+λ23, (1)
где λ₁ = r/d - относительная длина кривошипа;
λ₂ = l/d - относительная длина шатуна;
λ₃ = b/d - относительная длина коромысла;
r, l, b - соответственно длина кривошипа, шатуна, коромысла;
d - длина стойки, т.е. расстояние между центрами вращения кривошипа и качания коромысла.

При этом относительная длина кривошипа соответствует выражению 0 < λ₁ ≤ (1,0) , a относительные длины шатуна и коромысла выражению 0 < (λ₂;λ₃) ≤ 1,4143.
Заявляемый механизм отличается от прототипа значениями геометрических параметров, т. е. такими значениями длин звеньев в указанных пределах их изменения, при которых выполняется равенство (1).

Для механизма, удовлетворявшего равенству (1), характерно то, что максимум его силовой работоспособности (максимум угла передачи) имеет место в начальной части интервала рабочего хода, а минимум силовой работоспособности (минимум угла передачи) приходится на интервал холостого хода. Такое расположение экстремумов в интервале кинематического цикла оказывается благоприятным для передачи технологической нагрузки, возрастающей при рабочем ходе механизма с последующим ее уменьшением. Благоприятно также, что, варьируя длины звеньев механизма в соответствии с равенством (1), можно иметь функцию угла передачи при больших или меньших значениях ее ординат. Это дает возможность выбора механизма, предпочтительного с учетом абсолютных значений величины передаваемой силовой нагрузки.

Таким образом, выражение (1) определяет параметры механизма, который может обеспечивать передачу переменной технологической нагрузки при изменении движущей силы в шатуне, соответствующей характеру изменения нагрузки. Это способствует выравниванию движущего момента на валу кривошипа и уменьшению расхода мощности на реализацию процесса, т.е. повышению эффективности работы механизма.

Предлагаемый механизм для передачи переменных силовых нагрузок поясняется чертежами.

На фиг. 1 механизм представлен в крайних положениях (OA₁B₁O₁ и OA₂B₂O₁) и в положении максимального угла передачи (OABO₁), из положения механизма при максимальном угле передачи получено выражение (1); на фиг. 2 - график изменения угла передачи в интервале рабочего хода механизма, при λ₁ = 0,26; λ₂ 1,0733; λ₃ = 0,66.

Механизм для передачи переменных силовых нагрузок содержит шарнирно связанные кривошип 1, шатун 2, коромысло 3 и стойку 4, длины которых соответствуют выражению (1). Коромысло 3 выполнено в виде двуплечей рессоры, на свободном конце которой укреплен рабочий орган - баба 5 для взаимодействия с объектом ковки.

Шарнирный четырехзвенник в функции молота работает следующим образом.

При вращении кривошипа 1 коромысло 2 с бабой 5 совершает возвратно-поворотные движения. В интервалах прямого и обратного ходов коромысло - рессора изгибается в направлении хода шатуна 2, обеспечивая подъемно-опускное движение бабы 5, скорость падения которой увеличивается за счет энергии, накопленной при изгибе рессоры. Сопротивление, оказываемое массой бабы движению коромысла при ее подъеме, преодолевается развиваемой в шатуне 2 необходимой движущей силой. Подъем бабы соответствует интервалу прямого, т.е. более нагруженного хода коромысла. При этом, поскольку изменение угла передачи четырехзвенника соответствует характеру изменения нагрузки, движущая сила в шатуне будет незначительно отличаться от сил сопротивления.

Выполнение длин звеньев механизма в соответствии с равенством (1) создает условия для повышения эффективности работы четырехзвенника при передаче переменных силовых нагрузок.

Схема молота на фиг. 1 имеет верхнее расположение привода. Предлагаемый механизм может быть также использован в составе молота с нижним расположением привода. В этом случае, по сравнению с графиком на фиг. 2, изменение угла передачи в механизме будет идти в обратном направлении, что предпочтительнее для тяжелых молотов.

Механизм относится к устройствам, используемым в составе механических систем, предназначенных для реализации энергоемких операций. Механизм содержит шарнирно связанные кривошип, шатун, коромысло и стойку. Коромысло выполнено в виде двуплечей рессоры, на свободном конце которой укреплен рабочий орган - баба для взаимодействия с объектом ковки. Длины звеньев механизма удовлетворяют выражению (1+λ₁)²= λ22

+λ23, где λ₁,λ₂,λ₃ - относительные длины кривошипа, шатуна и коромысла. В соответствии с ним максимальное значение угла передачи (μ_max= 90^°) обеспечивается внутри интервала прямого хода. Изобретение повышает эффективность работы механизма при передаче переменных силовых нагрузок, возрастающих с последующим уменьшением. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Механизм для передачи переменных силовых нагрузок, выполненный в виде шарнирного четырехзвенника, содержащий шарнирно связанные кривошип, шатун, коромысло и стойку, отличающийся тем, что соотношение длин звеньев соответствует выражению
(1+λ₁)² = λ22

+λ23,
где λ₁ = r/d - относительная длина кривошипа;
λ₂ = l/d - относительная длина шатуна;
λ₃ = b/d - относительная длина коромысла;
r, l, b - соответственно длина кривошипа, шатуна, коромысла;
d - длина стойки: расстояние между центрами вращения кривошипа и качания коромысла. 2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что относительная длина кривошипа составляет до 1,0 длины стойки, а относительные длины шатуна и коромысла - до 1,4143 длины стойки.