Технические науки/2 Механика

Д.т.н. Мудров А.Г., Мудрова А.А.

Казанский государственный аграрный университет

Свойство шатуна механизма Беннетта

В технике широко используются пространственные механизмы, которые содержат в структуре шаровые, шаровые с пальцем, поступательные, вращательные пары. Такие механизмы образуют без затруднений, но они имеют низкую несущую нагрузку и срок службы. Более перспективны механизмы, которые содержат только вращательные шарниры, оформляемые стандартными подшипниками качения или скольжения. Наиболее известны из них сферические, особенно механизм Кардана. Механизмы этой группы простой комбинацией звеньев образовать невозможно, поскольку необходимо соблюдать угловые и линейные параметры и их взаимосвязь, кроме этого их невозможно изготовить без знания «ноу-хау». По этой причине они были известны в небольшом количестве и только теоретически.

Яркий пример тому - механизм Беннетта, который был открыт английским математиком Беннеттом в 1903 г., который сомневался в практическом использовании механизма, так как изготовить модель ему не удалось, ибо звенья не проворачивались[1]. В последующие годы механизм исследовали многие отечественные и зарубежные ученые, но никому не удалось изготовить хотя бы работоспособную модель, не говоря уж о практическом использовании.

Только спустя 75 лет казанским ученым Б.В.Шитикову и П.Г.Мудрову [2] удалось изготовить модель механизма и натурный образец (Рисунок 1). Как выявили наши исследования, этот механизм имеет огромный потенциал практического использования в разнообразных функциях и разделах техники (34 устройств на базе механизма признаны изобретениями)[3]. Как видно из рисунка, механизм прост по конструкции, имеет станину, два кривошипа и шатун. В этой статье рассмотрим только свойство шатуна в различных производственных функциях.

При вращении ведущего кривошипа с постоянной угловой скоростью, ведомый будет вращаться с переменной скоростью в пределах одного оборота, т.к. кривошипы вращаются под углом, шатун будет иметь сложное пространственное неравномерное движение. Это свойство шатуна использовано в смесителях, когда роль шатуна выполняет емкость (Рисунок 2).

Смешиваемый материал получает сложное движение с регулируемым в широких пределах силовым инерционным воздействием, что обеспечивает получение однородных по составу смесей из различных компонентов: сыпучих с разной плотностью, трудносмешиваемых в известных устройствах, вязких, жировых с комбикормом и т.п. В данной конструкции без переналадок также эффективно проводят безразмерную обработку деталей (галтовку, полировку), протравливание зерна ядохимикатом перед посевом, очистку и мойку корнеклубней, деталей перед ремонтом, дробление и измельчение материалов и т.п.

Другая модификация смесителя на базе шатуна механизма показана на рисунке 3. Здесь емкость совершает также сложное неравномерное движение, но другой закономерности. Емкость смесителя 80 л.

Если на шатуне закрепить кресло для пассажира, то получится устройство для тренировки вестибулярного аппарата и для развлечений. Пассажир будет испытывать сложное неравномерное движение с регулируемым силовым воздействием инерционных сил.

Следующая функция шатуна – копирование различных движений. При анализе движений точек шатуна механизма оказалось, что здесь можно получать различные траектории копирования движений. При определенных значениях углов скрещивания и длин звеньев, а также увеличенной длине шатуна, на конце которого закреплена лопасть крыла, копируется траектория машущих движений крыльев птиц при полете. Модель машущего крыла показана на рисунке 4.

Шатун механизма при определенных параметрах звеньев (углы и длины и их взаимосвязь) может копировать ковш землеройной машины (Рисунок 5). При одном обороте ведущего кривошипа ковш сначала заглубляется под острым углом и движется горизонтально – происходит заполнение ковша грунтом, затем происходит выглубление ковша, отвод его в сторону и подъем на определенную высоту. После ковш значительно наклоняется, днище устанавливается под углом 80-85⁰ к горизонтальной поверхности и резко отводится назад. При этом происходит выгрузка массы грунта, затем ковш возвращается в исходное положение и цикл повторяется.

Шатун механизма также эффектно копирует движение гребного весла лодок.

Кроме перечисленных примеров использования шатуна, на базе самого механизма создано 34 устройства, признанными изобретениями[4].

Таким образом, механизм Беннетта является универсальным многофункциональным механизмом и эффективным при производственном использовании. Литература

1. Bennett G.T. A new mechanism. Engineering, vol.76,1903.

2. Мудров П.Г. Пространственные механизмы с вращательными парами//Изд-во Казанского университета, Казань, 1976.-264 с.

3. Мудров А.Г. Пространственные механизмы с особой структурой. -Казань: РИЦ «Школа»,2003.-300с.

4. Мудров А.Г. Практическое использование механизма Беннетта в технике// The Eigth IFToMM International Symposium on Theory of Machines and Mechanisms. SYROM 2001. Bucharest-ROMANIA, 2001. Vol.11, pp.221-228.