Рычажные механизмы: анализ, типы, применение: устройство, классификация, расчеты

 За длительный период было создано просто огромное количество различных механизмов, предназначенных для передачи усилия. Довольно большое распространение получил рычаг. Он характеризуется огромным количеством различных характеристик, которые должны учитываться. Провести точный расчет можно только при рассмотрении всех сил и моментов.

Структурный анализ рычажных механизмов

Проводя исследование рычажного механизма следует уделять внимание возможности выбора двух основных направлений, одно из которых связано с непосредственным анализом, другой синтезом. Оба понятия существенно отличаются друг от друга, что нужно учитывать. Структурный анализ – процесс определения структурных особенностей, который может заключаться в следующем:

1. Определении кинематической пары.
2. Изучение структур групп.
3. Определение особенностей связи кинематической цепи.

Сегодня анализ проводится для определения дефектов структуры, которые в дальнейшем при необходимости могут устраняться.

Каждый случай исследования по-своему уникален. В рассматриваемом случае уделим внимание плоскому рычажному механизму, характеризующийся нерациональной структурой. Его особенности заключаются в нижеприведенных моментах:

1. Работоспособность механизма сохраняется исключительно при определенном соотношении длины звеньев. Образующаяся фигура в ходе построения напоминает параллелограмм.
2. Для исключения вероятности эксплуатации устройства с дефектами следует точно знать о наличии или отсутствии избыточных взаимосвязях, возможности пассивного распространения и их количества. Стоит учитывать, что они могут возникать исключительно в кинематических цепях замкнутого контура.
3. На сегодняшний день выделяют два основных типа контуров: замкнутые и зависимые. Независимым считается вариант исполнения, у которого хотя бы один элемент контура отличается от других.

Зависимые варианты исполнения дублируют друг друга. Для определения числа контура применяется специальная формула.

Также для исключения вероятности появления дефекта проводится расчет количества структурных групп и некоторые другие моменты. В общем можно сказать, что проводимый анализ направлен на достижение следующих задач:

1. Построение различных механизмов. При этом проводится определение подвижности и маневренности, так как подобные параметры считаются основными.
2. Создание плоских механизмов. Процедура подразумевает анализ состава структуры, а также определяет подвижности.

В целом можно сказать, что преследуемые цели зачастую направлены на определение возможной деформации структуры. Провести полноценный анализ можно только при всестороннем рассмотрении механизма.

Классификация рычажных механизмов

Все рычажные механизмы классифицируются по достаточно большому количеству различных признаков. При этом общими свойствами можно назвать высокий показатель КПД и повышенную нагрузочную способность, простоту функционирования. Простейшие рычажные механизмы встречаются в самых различных областях промышленности. Основная классификация проводится по принципу действия:

1. Четырехзвенники.
2. Кривошипно-шатунный.
3. Кулисные механизмы.

Приведенные примеры могут устанавливаться для достижения самых различных целей.

Примером можно назвать установку для вертикального подъема различных грузов или устройств.

Большое распространение получил коленно-рычажный механизм по причине простоты конструкции и длительного эксплуатационного срока.

Качественные показатели рычажных механизмов

Для формирования общего описания устройства применяются различные качественные показатели, которые могут касаться самых различных моментов. Наиболее распространенными можно назвать:

1. КПД считается наиболее важным параметром, который рассматривается при создании самых различных механизмов. Эта безразмерная величина определяет количество энергии, которая применяется для достижения поставленных целей с учетом потерь. Стоит учитывать тот момент, что подобный показатель рычажного механизма находится всегда меньше единицы, то есть при работе возникают потери. При приближении значения КПД к единице существенно снижаются потери, а также повышается качество рычажного механизма. Провести расчет рассматриваемого показателя достаточно сложно, так как для этого требуются самые различные формулы.
2. Ход механизма также учитывается при проектировании подходящего устройства. Ход определяется начальной и конечной точкой. При этом стоит учитывать, что в некоторых случаях провести расчеты достаточно сложно, так как траектория движения может быть криволинейной.
3. Угол размаха коромысла измеряется путем вычитания двух крайних точек положения на момент работы. В большинстве случаев устройство совершает повторяющееся цикличное движение.
4. Коэффициент, отражающий неравномерность распределения средней скорости. Этот показатель определяется соотношением времени холостого хода к рабочему. Провести соответствующие расчеты можно только при применении формул, а также построении чертежа.
5. Угол давления и передачи. Подобный параметр представлен соотношением острого угла между векторной активной силы, которая действует на предшествующем звене.

Каждый параметр рассматриваемые в отдельности, после чего составляется оценочный анализ, отражающий общее состояние механизма.

Коленно-рычажный механизм

Современный коленно-рычажный механизм применяется в тех случаях, когда на исполнительный орган следует передать большое усилие, но при этом движущая сила не должна быть большой. При этом часто в качестве привода применяется гидравлика, которая во многом определяет основные свойства конструкции. Достоинствами можно назвать нижеприведенные моменты:

1. Высокая скорость перемещения при холостом ходе. За счет этого возникает возможность проводить установку устройства в случае, когда нужно обеспечить быстрый ход подвижного элемента. Примером можно назвать оборудование, предназначенное для фрезерования или точения, так как оно имеет большое количество подвижных узлов, которые должны периодически менять свое положение.
2. Небольшие линейные размеры рабочего гидравлического цилиндра. Это свойство определяет возможность создания компактной конструкции. В последнее время больше всего цениться именно компактность, так как оборудование становится все легче и меньше. За счет этого упрощается установка и обслуживание.
3. Низкий показатель количества рабочей жидкости в системе. За счет этого существенно снижаются расходы при обслуживании. Время от времени приходится проводить пополнение объема жидкости, так как работа конструкции приводит к его расходу.

Однако, у подобного варианта исполнения есть довольно большое количество недостатков, среди которых отметим:

1. Довольно высокая стоимость привода и необходимость в периодическом обслуживании. Именно поэтому устройство устанавливается в том случае, когда нужно провести передачу большого усилия. При производстве рычажного механизма подобного типа применяются материалы с высокой устойчивостью к воздействию окружающей среды.
2. Есть вероятность повреждения магистрали, что становится причиной вытекания рабочей жидкости и возникновения других проблем. Конструктивные особенности конструкции определяют то, что есть вероятность возникновения самых различных проблем, к примеру, проскок максимального положения.

Выделяют несколько разновидностей рассматриваемого устройства, все они характеризуются определенными эксплуатационными характеристиками.

Устройство и принцип действия одинарного механизма смыкания

Подобный агрегат представлен сочетанием нескольких конструктивных элементов, за счет которых обеспечивается передача и увеличение усилия. Основными деталями можно назвать:

1. Две неподвижные траверсы. Их соединение проводится при помощи цилиндрической колонны.
2. Крепление проводится при помощи гаек и контргаек, которые существенно повышают прочность конструкции.
3. Передача усилия осуществляется за счет гидравлического цилиндра. Его крепление проводится при помощи шарниров.
4. Также есть серьги.

Принцип действия механизма достаточно сложный. Характеризуется он следующим образом:

1. Смещение поршня вниз в гидравлическом блоке происходит выпрямление серьги, она совмещается с горизонтальной осью.
2. В результате совмещения осей происходит соединение шарниров.
3. Шарниры монтируются так, чтобы при контакте расстояние между ними было меньше, чем суммарная длина обеих серег.
4. Выпрямление серег происходит за счет распорного усилия.

Приведенная выше информация определяет то, что главным недостатком конструкции становятся нескомпенсированные боковые усилия, которая возникают из-за нагрузки втулок и колонн. Именно поэтому рекомендуется использовать подобный вариант исполнения только в случае передачи небольшого усилия.

Устройство и принцип действия сдвоенного механизма

Наибольшее распространение получила конструкция коленно-рычажный механизма сдвоенного типа. Она состоит из следующих элементов:

1. Неподвижной траверсы.
2. Гидравлического цилиндра.
3. Четыре колоны, служащие для соединения основной части к плите.
4. Подвижная плита.
5. Пятишарнирный механизм.
6. Серьги.
7. Шарниры.
8. Салазки.

Отличительной особенностью можно назвать наличие пятишарнирного механизма. Он состоит из нижеприведенных деталей:

1. Коромысла.
2. Короткой серьги.
3. Рычага.
4. Штока.
5. Траверсы.

Гидравлический выталкиватель обеспечивается удаление отлитых изделий из формы. При этом применение пятишарнирного механизма обеспечивает передачу высокого усилия для открытия формы. Увеличить ход плиты при открытии можно за счет изменения передней серьги. Также может проводится изменение расстояния между шарнирами, которые также расположены на неподвижной траверсе. Особые конструктивные особенности конструкции определяют практически полное отсутствие бокового усилия, которое полностью компенсируется. Именно поэтому устройство устанавливается намного чаще, так как вероятность потери груза существенно снижается.

Салазки можно назвать важной частью конструкции. Они требуются для разгрузки колонн от оказываемой нагрузки подвижной плиты. При их изготовлении применяется материал, который характеризуется высокой износостойкостью и другими привлекательными качествами. Точность размеров салазок позволяет исключить существенно отклонение при передвижении подвижного элемента.

Возможные проблемы и важные особенности

При работе рассматриваемого механизма велика вероятность возникновения самых различных проблем. Примером можно назвать проскок положения максимума и многие другие. Для предотвращения проблем следует:

1. Проводить своевременное обслуживание.
2. Соблюдать технику безопасности.
3. Выполнять периодическую замену различных деталей.

Также следует уделять внимание тому, какой период смазки коленно-рычажного механизма. Только при своевременной подаче смазывающего вещества можно существенно снизить степень износа основных элементов. Стоит учитывать, что для рассматриваемого рычажного механизма требуется специальная жидкость, обладающая особыми свойствами.

Проскок положения максимума

Как выше было указано, довольно большое распространение получил случай проскока положения максимума. Среди особенностей этого момента отметим следующее:

1. На момент, когда все три шарнира находится на одной линии оказывается наибольшее усилие смыкания.
2. В данном положении шток вытянут максимально, неосторожные действия могут стать причиной повреждения конструкции.
3. Если конструкция была настроено неправильно, то серьги проскакивают положение крайней точки. Подобное явление становится причиной, по которой шток не может вернуться в первоначальное положение.

На момент максимального перемещения штока оказывается сильное давление, за счет чего возникает вероятность деформации основных элементов. Именно поэтому проскок положения максимума приводит к механическому повреждения станка.

Оверлок

Проблема может возникать также в случае неправильной регулировки рычажного механизма. Примером можно назвать случай, когда усилия цилиндра недостаточно для открытия основных элементов. Особенности проблемы следующие:

1. На колонны в большинстве случаев надеваются ленточные нагреватели.
2. За счет нагрева до определенной температуры происходит удлинение колонны, за счет чего снижается степень оказываемой нагрузки.

В подобном случае запрещается открывать форму до полного открытия колонн. Это связано с тем, что возникающая нагрузка может стать причиной деформации направляющих элементов. Если они потеряют свою форму, то в дальнейшем существенно усложниться ход подвижных элементов.

Шарнирно-рычажные механизмы

Подобный тип механизма также получил весьма широкое распространение. При этом за его длительный срок эксплуатации было изобретено несколько вариантов исполнения, которые характеризуются своими определенными свойствами. Выделяют следующие виды шарнирно рычажных механизмов:

1. С двумя кривошипами.
2. Кривошипно-коромысловые.
3. Двух коромысловые.

Примером использования варианта исполнения с двумя кривошипами можно назвать перенос тяжелой заготовки с тележки на обрабатывающий станок. Его конструкция характеризуется следующими особенностями:

1. В качестве основы применяется две четырехлучевые звездочки, которые фиксируются на валу.
2. Также фиксация осуществляется за счет шарнирного соединения с осью и четырьма ложементами. На момент воздействия усилия они создают двухкривошпный механизм, который принимает часть нагрузки.
3. Валы фиксируются на подшипниках скольжения, которые расположены в корпусе. При помощи кронштейна они устанавливаются на общей раме, принимающую основную нагрузку.

Именно конструктивные особенности во многом определяют то, где и каким образом может применяться устройство.

Как рассчитать простой рычажный механизм самостоятельно?

Перед непосредственным созданием механизма следует провести расчеты основных показателей, а также построить схему распределения нагрузок. Силовой расчет рычажного механизма проводится после определения исходных данных:

1. Создается кинематическая схема массы и моментов, инерции звеньев и положения центров массы.
2. Учитывается закон движения механизма.
3. Определяется внешнее силовое нагружение.
4. Рассчитывается угол перекрытия рычажном механизме.

Проводимый кинематический и силовой предусматривает создание системы координат, которая используется для расчета кинематических характеристик. Кулисно-рычажный вариант исполнения проектируется при создании системы координат и обозначением всех сил. Для проектирования требуется большое количество различных формул, при этом в конце следует выполнить проверку.

Как правило, рассматриваемая работа выполняется инженерами, который учитывают ГОСТ проектирование. Это связано с тем, что структурная формула плоских рычагов выбирается в зависимости от области их применения.

Требования безопасности

При проектировании и монтаже рычажного механизма учитываются требований безопасности. Они во многом зависят от области применения устройства, а также особенностей самого механизма.

Среди особенностей этого момента можно отметить следующее:

1. При изготовлении должен подбираться материал, который будет соответствовать всем требованиям. Примером можно назвать высокую коррозионную стойкость. При проектировании указывается то, какой именно материал должен применяться при изготовлении устройства. Часто отдается предпочтение углеродистой стали и легированным сплавам. Некоторые элементы могут быть изготовлены из уплотнительных и других материалов, все зависит то конкретного случая.
2. При проектировании учитывается то, каким образом происходит перераспределение нагрузки. Это связано с тем, что в некоторых местах она будет критической.
3. Под активным элементом при подъеме тяжелых объектов не должно находится людей, другого оборудования, а также частей самого рычажного механизма. Это связано с высокой вероятностью падения переносимого груза.
4. Перед непосредственным применением оборудования следует проводить визуальный осмотр, который позволяет определить наличие или отсутствие повреждений. Кроме этого, должно проводится периодическое обслуживание. Даже незначительный дефект может стать причиной существенного снижения прочности рычажного механизма. Периодическое обслуживание позволяет существенно продлить срок службы устройства.
5. Запрещается применять механизм не по предназначению. Перед каждым его использованием проверяется надежность крепления. Нагрузка должна оказываться на конструкцию соответствующим образом, так как в противном случае происходит неправильное перераспределение силы. Именно поэтому при проектировании указывается то, каким образом устройство должно устанавливаться и как использоваться.
6. При применении учитывается то, на какую максимальную нагрузку рассчитано оборудование. Слишком высокий показатель может стать причиной, по которой происходит повреждение основных элементов. При проектировании учитывается то, какая нагрузка может оказываться на конструкцию.

Как правило, соответствующее руководство по применению устройства составляется непосредственно на месте его эксплуатации в соответствии с установленными нормами. Это связано с тем, что рычажные механизмы получили весьма широкое распространение, могут устанавливаться в качестве составного узла другого оборудования.

Как показывает практика, механизм смыкания является наиболее травмоопасной частью ТПА. Именно поэтому при его использовании следует уделять больше внимания моменту обеспечения безопасности.

При этом узел оборудован тремя важными независимыми системами:

1. Гидравлическая. Эта часть устанавливается в большинстве случаев для передачи усилия. Гидравлика получила весьма широкое распространение, так как она предназначена для непосредственной передачи усилия. Гидравлическая часть основана на подаче специальной жидкости, при помощи которой проводится передача усилия. Гидравлика несет с собой опасность по причине того, что подвижный элементы могут передавать усилие. Поэтому все основные элементы должны быть защищены от воздействия окружающей среды, для чего проводится установка различных кожухов.
2. Механическая. Механика отвечает за непосредственную передачу усилия и достижения других целей. Неправильная работа устройства может стать причиной повреждения и деформации. Механика также защищается специальными кожухами, так как попадание посторонних элементов запрещается.
3. Электрическая. Для управления механизмом проводится установка электрической части. Она должна быть защищена от воздействия окружающей среды, так как даже незначительное механическое воздействие может стать причиной повреждения магистрали электроснабжения.

Опасность с собой несет и электрическая часть, которая состоит из конечных выключателей. Схема подключения предусматривает использование как минимум двух выключателей, устройство должно обесточиваться в случае выхода из строя одного из них.

Механическая система защиты действует путем прерывания подачи масла в гидравлический цилиндр. При этом проводится слив масла с цилиндра в общую емкость. Подобная система срабатывает даже при незначительном повреждении устройства.

Область применения

Рычажные механизмы получили весьма широкое применение, что прежде всего можно связать с их преимуществами перед другими устройствами, которые устанавливаются для транспортировки грузов и иной передачи усилия. Рассматривая область применения следует уделить внимание следующим моментам:

1. Чаще всего рычаг устанавливается для подъема груза. Он является неотъемлемым элементом достаточно большого количества различных устройств, которые приводятся в движение ручной силой.
2. Встречаются в производственных цехах, в химической промышленности, в машиностроении и многих других отраслях.
3. Область применения ограничивается типом применяемого материала при изготовлении основных частей, принципом действия, а также максимальной возможной нагрузкой, которая оказывается на рабочий орган.

Сегодня рычажные механизмы получили весьма широкое распространение, могут применяться при создании различного оборудования. При этом если важна экономия, то рычаг можно создать своими руками.

В заключение отметим, что провести самостоятельно проектирование рычага достаточно сложно. Это связано с необходимостью применения достаточно большого количества различных формул, построением графиков соответствия и многими другими моментами. Допущенная ошибка может стать причиной повреждения механизма на момент эксплуатации, существенного снижения показателя КПД и возникновения многих других проблем.