Кулисно рычажный механизм качающегося цилиндра с гибким приводом

Кулисный механизм

В технике под кулисным механизмом понимается такое устройство, которое преобразовывает качательное или же вращательное движение в движение возвратно-поступательное, а также в обратном порядке. Что касается классификации, то кулисы бывают вращающимися, движущимися прямолинейно и качающимися.

По сути дела, любой кулисный механизм относится к категории механизмов рычажных. Само слово «кулиса» имеет французское происхождение, и переводится на русский язык, как «деталь» или «звено» («coulisse»). Сама кулиса составляет поступательную пару с так называемым ползуном, который является еще одним вращающимся звеном конструкции.

Главным преимуществом кулисного механизма является то, что он обеспечивает достаточно высокую скорость, которую ползун имеет в обратном ходе. Эта его особенность широко используется в том оборудовании, которое имеет холостой обратный ход. В то же самое время кулисный механизм по сравнению с кривошипно-шатунным способен транслировать намного меньшие усилия.

Материалом для изготовления основных деталей кулисного механизма (то есть самой кулисы, «сухаря», кривошипного диска) является в большинстве случаев чугун, а для деталей вспомогательных (зубчатых колес, валов, втулок, пальцев) – легированная сталь. В конструкции этого механизма кривошипный диск, помимо своей основной функции, играет еще и роль маховика.

Кулисные механизмы используются для того, чтобы равномерное вращательное движение кривошипа эффективно преобразовывать во вращательное движение кулисы, осуществляемое неравномерно. В тех случаях, когда расстояние между осями опор кривошипа и кулисы равняется длине самого кривошипа, то кулисный механизм является одновременно и кривошипно-шатунным, снабженным кулисой, движущейся равномерно.

В настоящее время наиболее распространена такая конструкция кулис, как четырехзвенная. В зависимости от того, какой именно тип имеет третье звено, эти кулисы подразделяются на двухкулисные, кулисно-ползунные, кулисно-коромысловые и кривошипно-кулисные.

Чаще всего куличные механизмы используются в зубодолбежных, поперечно-строгальных и других металлорежущих станках.

По своей сути кулисный механизм представляет собой одну из разновидностей механизма кривошипно-шатунного. Он используется тогда, когда есть необходимость в преобразовании вращательного движения в движение возвратно-поступательное. В строгальных станках обычно применяются качающиеся кулисы, а в долбежных станках – вращающиеся кулисы.

Вращательное движение кулисным механизмам передается от коробок передач металлообрабатывающего оборудования. Его они преобразовывают в движение возвратно-поступательное, которое осуществляет ползун. От качающейся кулисы он получает неравномерную скорость хода, причем наибольшая ее величина достигается тогда, когда кулиса находится в среднем положении, а наименьшая (то есть равная нулю), – когда кулиса располагается в одном из крайних положений.

Поскольку у ползуна скорость холостого хода существенно выше, чем хода рабочего, то так называемое непроизводительное время использования металлорежущего оборудования значительно сокращается. Помимо этого, использование кулисного механизма позволяет устанавливать такую длину хода ползуна, которая напрямую зависит от длины обрабатываемых заготовок.

В поперечно-строгальных станках движение кулисы обеспечивается за счет вращения кулисных зубчатых колес. Они соединены с коробками скоростей, приводимых в движение электродвигателями посредством клиноременных передач. Наличие механической коробки скоростей позволяет получать различные числа двойного хода ползуна.

Источник

Где используется механизм кулисный?

Если говорить о кулисном механизме, то начать стоит с того, что «кулиса» — это французское слово, которое можно перевести на наш язык, как «деталь» или же «звено».

Общая информация

С технической точки зрения под кулисным механизмом понимают устройство, задачей которого является преобразовывать вращательное или же качательное движение в возвратно-поступательное. Однако данный механизм может выполнять и обратную функцию. Если говорить об общей классификации данного устройства, то оно может быть трех типов — это вращающийся тип, качающийся тип или движущийся прямолинейно. Однако, если разбираться в сути кулисного механизма, то становится понятно, что любую его разновидность можно отнести к рычажному типу устройств. Кроме того, важно отметить, что работа кулисы осуществляется в паре с еще одной деталью, которая называется ползун. Данная деталь также является вращающейся частью в общей конструкции механизма.

Преимущества и материал

Основным преимуществом данного механизма является обеспечение довольно высокой скорости ползуна, которую он развивает при выполнении обратного хода. Данное преимущество привело к тому, что такое устройство стало очень широко использоваться в том оборудовании, которое имеет холостой обратный ход. К тому же, если мы будем сравнивать кулисный механизм с кривошипно-шатунным, к примеру, то первый способен транслировать намного меньше усилия в сравнении со вторым.

Чаще всего кулисное устройство используется для того, чтобы как можно эффективнее преобразовывать равномерное вращательное движение кривошипа во вращательное движение непосредственно кулисы. Стоит отметить, что это движение осуществляется неравномерно. Однако бывают случаи, когда движение кулисы будет все же равномерным. Чаще всего это происходит в том случае, если расстояние между опорами кривошипа и его кулисой равняется длине самого кривошипа. В такой системе кулисный механизм будет одновременно являться еще и кривошипно-шатунным, который снабжен кулисой с равномерным движением.

Конструкция и распространение механизма

На сегодняшний день самой распространенной конструкцией кулисы является четырехзвенная. Кроме того, все конструкции этого типа можно классифицировать на несколько групп в зависимости от того, какого типа третье звено в устройстве. Существуют такие классы, как: двухзвенные, кулисно-ползунные, кулисно-коромысловые, кривошипно-кулисные.

Наиболее частое применение эти механизмы находят в различного рода станках, таких как зубодолбежные, поперечно-строгальные и другие станки, которые можно отнести к металлорежущим типам. Суть кулисного механизма заключается в том, что эта одна из множества разновидностей кривошипно-шатунного. К использованию механизма с кулисой прибегают в том случае, если есть необходимость в оборудовании преобразовать вращательное движение в возвратно-поступательное. В строгальных типах станков применяется качающегося типа кулиса, а в долбежных станках устанавливается кулиса вращающегося типа.

Конструкция четырехзвенного механизма

Четырехзвенный кулисный механизм с кулисным камнем — это система, которую можно рассмотреть на примере строгального станка, где используется именно такой тип устройства. Работу данной системы можно описать следующим образом. Кривошип осуществляет круговое движение вокруг оси через кулисный камень, тем самым он побуждает кулису совершать качательное движение. Однако в это же время, если смотреть на движение кулисного камня относительно кулисы, то он будет совершать уже движение возвратно-поступательного типа. Такой вид устройства также часто используется в гидронасосах, которые обладают механизмами ротационного типа, с вращающимися лопастями. Кроме того, четырехзвенный механизм нашел свое применение и среди различных гидро- и пневмоприводов. В данном случае конструкция предполагает входной поршень на шатуне, который скользит во вращающемся или же качающемся цилиндре.

Кулисно-ползунный механизм

Данная модель механизма чаще всего применяется в лабораторных условиях, а также используется для обучения и ознакомления с этим устройством в условиях учебных лабораторий по таким дисциплинам, как прикладная и теоретическая механика.

Стоит сказать о том, что распространенный довольно широко многозвенный кулисно-ползунный механизм обладает достаточно большими размерами. Это происходит из-за того, что конструкция второго шатуна с ползуном проходит ниже, чем прямолинейное расположение стержня кулисы. Такая конструктивная особенность говорит о том, что начало шатуна будет проходить ниже, чем непосредственно кулисно-рычажное устройство. Это, в свою очередь, говорит о том, что такой механизм должен обладать высокой основой или станиной, а это значит, что необходимо будет затратить большее количество средств на его создание, так как лишний материал уходит на создание подобной станины. Стоит отметить, что именно этот фактор и считается наибольшей проблемой и главным недостатком всей системы в целом.

Кулисно-рычажное устройство

Кулисно-рычажный механизм — это изобретение, которое нашло свое применение в области машиностроения. Основной задачей данной системы является преобразование возвратно-поступательного движения в полноприводное вращательное. Цель, с которой изобретался этот механизм, состояла в том, чтобы повысить срок службы системы, а также поднять ее коэффициент полезного действия, или КПД. К тому же преследовались еще и такие цели, как расширение возможностей в области кинематики, за счет того, что система снабжалась второй кулисой, а также звенья системы выполнялись по-другому.

Кривошипно-кулисный механизм

После изобретения данной системы ее стали относить к шарнирно-рычажным механизмам, которые обладают гидроустройствами или пневмоустройствами, а целью их применения стала вентиляция на складах. Конструкция данного механизма довольно проста, и содержит она три основных элемента: это стойка, кривошип и кулиса. Задача, которая ставилась перед изобретателями данного устройства, — это улучшение надежности с одновременным упрощением в плане конструкции механизма. Прототипом для изобретения этой модели стали гидравлические или же пневматические механизмы, которые также использовали кулису с выполнением поступательного движения. Кроме того, в конструкцию входили также стойка, ползун, кривошип.

Ремонт

Как и любой другой механизм, кулисный также имеет свой срок службы. По истечении этого срока службы наступает время ремонта кулисного механизма. Однако случается и так, что устройство выходит из эксплуатации раньше положенного срока. Чаще всего в данном механизме изнашиваются или стираются такие его части, как кулиса, кулисный камень, зубчатое колесо, винты и гайки перемещения ползушки, а также сама ползушка с пальцем. Если поверхности пазов кулисы получили износ более чем на 0,3 мм, а также на них имеются глубокие задиры, то в качестве ремонта используют фрезерование с последующей операцией шабрения. Если износ не слишком сильный, можно обойти лишь шабрением, без фрезеровки.

Если изнашивается кулиса, то в качестве ремонта сначала приводят в порядок стенки паза. При проведении работ чаще всего ориентируются на те участки, которые изношены менее, чем другие.

Источник

Кулисный механизм: виды, схема, принцип работы

Кулисная пара – это разновидность рычажных механизмов. Она преобразует вращательное движение в возвратно-поступательное или наоборот. При этом вращающееся звено может совершать не полный оборот. Тогда его называют качательным. Механизм состоит их двух основных звеньев- кулисы и ползуна. Один конец кулисы закреплен на неподвижной оси.

Кулисный механизм

Кулиса представляет собой прямой или изогнутый рычаг с прорезью, в которой скользит конец другого рычага. Он движется относительно кулисы прямолинейно. Кулисные механизмы бывают качающиеся, вращающиеся и прямые.

Кривошипно-кулисные механизмы способны обеспечивать высокую скорость линейного перемещения исполнительных органов. Характерным примером механизма кулисного типа служит система управления клапанами в автомобильных моторах, устройство управления реверсом парового двигателя и т. д.

Используются кулисные пары в металлообрабатывающих и деревообрабатывающих станках, там, где рабочий орган должен совершать многократные линейные перемещения с возвратным ходом.

Еще одна область применения- аналоговые вычислительные устройства, там кулисные пары помогают определять значения синусов либо тангенсов заданных углов.

Виды кулисных механизмов

В исходя из типа подвижного звена рычажной схемы в установках и подвижных узлах используются следующие виды кулисных пар:

• Ползунный. Система рычагов, состоящая из четырех звеньев. Основные части- это кулиса и ползун с зафиксированной направляющей. Она дает ползуну единственную степень свободы, для совершения линейных перемещений. Качания кулисы превращаются устройством в линейное перемещение ползуна. Кинематическая схема обратима- возможно и обратное преобразование движения.
• Кривошипный. Кривошипно-кулисного механизм построен по четырехрычажной кинематической схеме. Передает вращение кривошипа кулисе, также вращающейся или качающейся. Распространен в промышленных установках, например — в продольно-долбежных и строгальных. Для них применяют кривошипно-коромысловый механизм c вращающейся кулисой. Такая схема обеспечивает очень высокую скорость прямого ходя и медленный возврат. Применяется также в установках для упаковки.
• Двухкулисный. В кинематической четырехзвенной схеме есть пара кулис. Передается вращение или качание через промежуточный рычаг. Передаточное число неизменно и всегда составляет единицу. Применяется в компенсирующих муфтах.
• Коромысловый. Состоит из коромысла, кулисы и связывающего их шатуна. Позволяет располагать оси симметрии зон движения, ведущего и ведомого звеньев под углом около 60°. Находит применение в автоматизированных производственных линиях

Реже находит применение в транспортных средствах и некоторых измерительных приборах стоящий несколько особняком прямолинейно- направляющий или конхоидальный механизм.

Конструктивные особенности

Устройство является одним из подвидов кривошипно-шатунного механизма. Большинство кулисных пар построены по четырехзвенной кинематической схеме.

Третье звено определяет тип механизма: двухкулисный, ползунный, коромысловый или кривошипный.

Схема содержит как минимум две неподвижные оси и от одной до двух подвижных осей.

В середине кулисы располагается прорезь, по которой перемещается подвижная ось. К ней шарнирно закреплен конец (или другая часть) ползуна, коромысла или второй кулисы.

В зависимости от соотношения длин в каждый момент исполнительный орган может описывать как простые траектории (линейные, круговые или часть окружности), таки сложные в виде многоугольников или замкнутых кривых. Вид траектории определяется законом движения кинематической пары – функцией координат исполнительного органа от угла поворота оси, положения ползуна или от времени.

Принцип действия механизма

Принцип действия основывается на базовых законах прикладной механики, кинематики и статики, описывающий взаимодействие системы рычагов, имеющих как подвижные, так и неподвижные оси. Элементы системы полагаются абсолютно жесткими, но обладающими конечными размерами и массой. Исходя из распределения масс рассчитывается динамика кулисного механизма, строятся диаграммы ускорений, скоростей, перемещений, рассчитываются эпюры нагрузок и моментов инерции элементов.

Силы считаются приложенными к бесконечно малым точкам.

Рычажное устройство, имеющее два подвижных элемента (кулиса и кулисный камень) называют кинематической парой, в данном случае кулисной.

Чаще всего встречаются плоские схемы из четырех звеньев. Исходя из вида третьего звена рычажного механизма, различают кривошипные, коромысловые, двухкулисные и ползунные механизмы. Каждый из них обладает собственным способом преобразования вида движения, но все они используют единый прицеп действия- линейное или вращательное перемещение рычагов под действием приложенных сил.

Траектория движения каждой точки кривошипно кулисного механизма определяется соотношением длин плеч и рабочими радиусами элементов схемы.

Вращающееся или качающееся звено системы рычагов оказывает воздействие на поступательно движущееся звено в точке их сочленения. Оно начинает перемещение в направляющих, оставляющих этому звену только одну степень свободы, и движется до тех пор, пока не займет крайнее положение. Это положение соответствует либо первому фазовому углу вращающегося звена, либо крайнему угловому положению качающегося. После этого при продолжении вращения или качании в обратную сторону прямолинейно движущееся звено начинает перемещение в обратном направлении. Обратный ход продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто крайнее положение, соответствующее либо полному обороту вращающегося звена, либо второй граничной позиции качающегося.

После этого рабочий цикл повторяется.

Если кулисный механизм, наоборот, преобразует поступательное движение во вращательное, взаимодействие осуществляется в обратном порядке. Усилие, передаваемое через сочленение от ползуна, прикладывается в стороне от оси вращения звена, обладающего возможностью поворота. Возникает крутящий момент, и вращающееся звено начинает поворачиваться.

Преимущества и недостатки кулисного механизма

Основным достоинством устройства служит его способность обеспечить высокую линейную скорость возвратного движения. Это свойство нашло применение в станках и механизмах, которые по условиям работы имеют холостой возвратный ход. Это прежде всего долбежные и строгальные станки. Применение кулисно-рычажного механизма привода позволяет существенно повысить общую эффективность использования установки, сократив время на непроизводительные такты.

Преимуществом двухкулисных систем, применяемых в аналоговых вычислительных устройствах, служит высокая надежность и стабильность их работы. Они отличаются высокой устойчивостью к таким факторам внешней среды, ка вибрации и электромагнитные импульсы. Это обуславливало их широкое применение в системах сопровождения целей и наведения вооружений.

Недостатком данной кинематической схемы является малые передаваемые усилия. Кривошипно-шатунная схема позволяет предавать в несколько раз большую мощность.

Недостатком аналоговых вычислительных устройств является исключительная сложность или даже невозможность их перепрограммирования. Они могут вычислять только одну, наперед заданную функцию. Для вычислительных систем общего назначения это неприемлемо. С развитием программно- аппаратных средств цифровой техники, повышением ее надежности и устойчивости к воздействиям внешней среды такие вычислительные системы сохраняются в нишах узкоспециальных применений.

Проектирование (производство) кулисного механизма

Несмотря на кажущуюся простоту устройств кулисного механизма, для того, чтобы он работал эффективно, требуется провести большую работу по его расчету и проектированию. При этом рассматриваются следующие основные аспекты:

• производительность и КПД;
• себестоимость производства и эксплуатации;
• отказоустойчивость и межремонтный ресурс;
• точность действия;
• безопасность.

Учитывая сложность взаимовлияния этих аспектов друг на друга, расчет кривошипно-кулисного механизма представляет из себя многоступенчатую итеративную задачу.

В ходе проектирования проводят следующие виды расчета и моделирования:

• расчет кинематики;
• динамический расчет;
• статический расчет.

Обычно проектирование и расчет разбивается на следующие этапы:

• Определение требуемого закона движения расчетно-аналитическим или графоаналитическим методом.
• Кинематическое моделирование. Выполнение общего плана, скоростного плана, графическое моделирование моментов инерции, графика энерго-массовых зависимостей.
• Силовое моделирование. Построение плана ускорений, эпюр сил, приложенных к звеньям в нескольких положения.
• Синтез кулисно-рычажного механизма. Построение графиков перемещения, скорости, ускорений графико-дифференциальным методом. расчет динамики кулисного механизма и его динамический синтез.
• Проверка на соответствие закону движения. Окончательное профилирование кулис.
• Проверка на соблюдение норм безопасности и охраны труда.
• Выпуск чертежей.

Расчет и проектирование кулисного механизма долгое время представлял собой весьма трудоемкий процесс, требовавший большого сосредоточения и внимательности от конструктора. В последнее время развитие средств вычислительной техники и программных продуктов семейства CAD-CAE существенно облегчил все рутинные операции по расчету. Конструктору достаточно выбрать подходящую кинематическую пару или звено из поставляемых производителем программ библиотек и задать их параметры на трехмерной модели. Существуют модули, на которых достаточно отобразить графически закон движения, и система сама подберет и предложит на выбор несколько вариантов кинематической его реализации.

Область применения

Кулисные механизмы находят применение в тех устройствах и установках, где требуется преобразовать вращение или качание в продольно- поступательное перемещение или сделать обратное преобразование.

Наиболее широко они используются в таких металлообрабатывающих станках, как строгальные и долбежные. Важное преимущество кулисно-рычажного механизма, заключается в его способности обеспечивать высокую скорость движения на обратном ходе. Это дает возможность существенно повысить общую производительность оборудование и его энергоэффективность, сократив время, затрачиваемое на непроизводительные, холостые движения рабочих органов. Здесь же находит применение кулисный механизм с регулируемой длиной ползуна. Это позволяет наилучшим образом настаивать кинематическую схему исходя из длины заготовки.

Механизм конхоидального типа применяется в легком колесном транспорте, приводимом в действие ножной мускульной силой человека- так называемом шагоходе. Человек, управляющий машиной, имитируя шаги, поочередно нажимает на педали механизма, закрепленные на оси с одного конца. Кулисная пара преобразует качательное движение во вращение приводного вала, передаваемое далее цепным или карданным приводом на ведущее колесо.

В аналоговых вычислительных машинах широко применялись так называемые синусные и тангенсные кулисные механизмы. Для визуализации различных функции в них применяются ползунные и двухкулисные схемы. Такие механизмы использовались в том числе в системах сопровождения целей и наведения вооружений. Их отличительной чертой являлась исключительная надежность и устойчивость к неблагоприятным воздействиям внешней среды (особенно- электромагнитных импульсов) на фоне достаточной для решения поставленных задач точности. С развитием программных и аппаратных средств цифровой техники область применения механических аналоговых вычислителей сильно сократилась.

Еще одна важная сфера применения кулисных пар- устройства, в которых требуется обеспечить равенство угловых скоростей кулис при сохранении угла между ними. Муфты, в которых допускается неполная соосность валов, системы питания автомобильных двигателей, устройство реверса на паровом двигателе.

Источник