Наукові основи розробки регульованих сферичних опор рідинного тертя для просторових механізмів

В результаті досліджень обґрунтовано основні конструктивні і експлуатаційні параметри регульованих сферичних опор. Достовірність запропонованих результатів підтверджується виготовленням дослідного зразка сферичної опори, який використано в реальній конструкції просторового механізму.

Ключові слова: сферична опора, просторовий механізм, гідростатика, аеростатика, струменеве регулювання, теорія, моделювання, характеристики, проектування, виготовлення.

Струтинский С.В. Научные основы разработки регулируемых сферических опор жидкостного трения для пространственных механизмов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - Машиноведение, Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2011.

Работа посвящена научным основам разработки регулируемых сферических опор жидкостного трения для пространственных механизмов.

Сферические опоры жидкостного трения позволяют существенным образом повысить параметры точности и динамические характеристики пространственных механизмов типа гексапода. Проведено математическое моделирование механизма гексапода методом Монте-Карло с заданием шестимерных векторов положения платформы механизма генератором случайных чисел. В результате сепарации физически нереальных положений механизма, которые не соответствуют его рабочему простанству определены диапазоны угловых положений сферических опор.

Разработан ряд вариантов регулируемых гидростатических и аэростатических опор. Разработанный вариант гидростатической опоры имеет точную сферу с хвостовиком. Сфера помещена в корпус, в котором размещены гидростатические опорные элементы и измерители "сопло-заслонка", служащие для определения положения сферы относительно корпуса. Регулировка положения сферы осуществлена различными методами. В частности, использован метод регулирования дросселированием потока жидкости на входе в гидростатические опорные элементы.

Аэростатическая опора со струйным регулированием реализована в качестве макетного образца. При его изготовлении решены технологические проблемы производства точных сферических поверхностей, контроля качества поверхностей, а также проблемы сборки и регулирования опоры. При определении фактической геометрической формы изготовленных сферических поверхностей использована высокотехнологическая пятикоординатная мерительная машина. Полученные массивы измерений обработаны по специальной методике. В результате найдены номинальные сферические поверхности, отклонения от сферичности, параметры волнистости сферических поверхностей.

Детали струйной системы управления изготовлены методами лазерной стереолитографии (Rapid Prototyping). При этом обеспечен оптимальный подвод рабочей среды к малоразмерным управляющим соплам посредством специально сформированной системы криволинейных каналов.

Проведены теоретические исследования статических и динамических характеристик сферической опоры жидкостного трения со струйным регулированием. Выполнено математическое моделирование опоры и системы управления.

Теоретически и экспериментально исследованы рабочие процессы в малоразмерных щелях опор. Установлены особенности процессов, которые заключаются в ограниченном проникновении струй в щель опоры с образованием застойных областей, в которых скорость частиц жидкости близка к нулю, а также в образовании обратных течений. Разработанный струйный способ регулирования потока является новым. Его новизна подтверждена патентом Украины.

Экспериментально изучены статические характеристики аэростатической сферической опоры. Предложено оригинальную методику обработки экспериментальных данных с использованием пространственных матриц. Результаты измерений перемещения сферы в процессе регулирования представлены в виде набора матриц. Изменение одной из проекций перемещения сферы при постоянной нагрузке описано трехмерной (кубической) матрицей. Вектор перемещения центра сферы при постоянной нагрузке определен в виде матрицы четвертой размерности или трех кубических матриц. Вектор перемещения сферы при различных фиксированных нагрузках на опору определен в виде пятимерной матрицы. Результаты экспериментов обобщены с получением сравнительно несложных нелинейных математических моделей регулировочных и нагрузочных характеристик.

Определены изменения характеристик опоры в зависимости от знака перемещения. Показано, что характеристика имеет незначительную (до 7%) петлю гистерезиса.

В результате исследований обоснованы основные конструктивные и эксплуатационные параметры регулируемых сферических опор. Достоверность полученных результатов подтверждается реализацией опытного образца сферической опоры. Опытный образец имеет сферу, изготовленную из стали или карбида бора. Использование керамической сферы существенным образом повышает надежность работы опоры, практически исключает износ сферы в процессе ее эксплуатации.

Опытный образец сферической опоры использован в разработанной конструкции механизма гексапода.

Ключевые слова: сферическая опора, пространственный механизм, гидростатика, аэростатика, струйное регулирование, теория, моделирование, характеристики, проектирование, изготовление.

Strutinsky S.V. Scientific fundamentals of the designing of adjustable spherical hydraulic joints for spatial mechanisms. - Manuscript.

The dissertation for a scientific degree of a Candidate of Technical Sciences on a speciality 05.02.02 - Engineering Science. - National Technical University of Ukraine „Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2011.

The dissertation is devoted to scientific fundamentals of the designing of adjustable spherical hydraulic joints for spatial mechanisms. Spherical hydraulic joints allow to increase parameters of accuracy and dynamic characteristics of spatial mechanisms of the hexapod type. Mathematical modeling of the hexapod type mechanism by a method of Monte-Carlo with use of six-measured vectors of position of a platform by the generator of random numbers is executed. As a result of separation of physically unreal positions of the mechanism the ranges of angular positions of spherical supports are defined.

Some variants of adjustable hydrostatic and aerostatic supports are designed. The aerostatic support with jet regulation is realized as a pre-production model. At manufacturing of this support technological problems of manufacture of exact spherical surfaces, quality assurance of surfaces and problems of assemblage and support regulation are solved. Details of a jet control system are made by methods of laser stereolithograph (Rapid Prototyping).

Theoretical researches of static and dynamic characteristics of spherical hydraulic joints are executed with the stream control. The mathematical modeling of support and control system is executed.

Working processes in low-sized slots of supports are theoretically and experimentally investigated. Features of processes which consist in penetration of streams into a slot of a support with formation of stagnant areas in which speed of particles of a liquid is close to zero, and also in formation of return currents are established.

Static characteristics of an aerostatic support are experimentally studied. The original procedure of experimental data processing with use of spatial matrixes is offered. Results of experiments are generalized with obtaining of rather simple nonlinear mathematical models of regulating and loading characteristics.

As a result of researches the basic constructive and servicing parameters of adjustable spherical support are proved. Reliability of results are confirmed by using of a pre-production model of a spherical support in a real spatial mechanism.

Keywords: spherical hydraulic joint, spatial mechanism, hydrostatics, aerostatics, , stream regulation, theory, simulation, characteristics, designing, manufacturing.

Размещено на Allbest.ru