Кулисный механизм

Кулисный механизм — это механическое устройство, предназначенное для преобразования вращательного движения ведущего звена в возвратно-поступательное или качательное движение ведомого звена (кулисы) с изменяемой амплитудой и направлением, либо для преобразования одного вида качательного движения в другое. Основным элементом механизма является кулиса — деталь с пазом (прорезью), в котором скользит палец (камень) кривошипа или другого ведущего звена. Кулисные механизмы широко применяются в машиностроении, станкостроении, приборостроении и других отраслях техники.

История

Идея использования направляющей с пазом для преобразования движения известна с античных времён. Простейшие прототипы кулисных механизмов встречались в водяных мельницах и токарных станках Древнего Рима. Однако систематическое изучение и классификация кулисных механизмов начались в эпоху промышленной революции XVIII—XIX веков.

Значительный вклад в теорию механизмов и машин (ТММ) внесли российские учёные. В 1830-х годах профессор Петербургского технологического института И. А. Вышнеградский разработал основы кинематического анализа кулисных механизмов. В конце XIX века русский инженер и изобретатель В. Г. Шухов применял кулисные механизмы в конструкции нефтяных насосов и буровых установок. В советский период теория кулисных механизмов была развита в трудах академиков И. И. Артоболевского и Н. И. Левитского, которые создали единую классификацию и методы синтеза таких механизмов.

Классификация

Кулисные механизмы классифицируются по нескольким признакам:

По типу движения кулисы

• Прямолинейно-возвратные — кулиса совершает возвратно-поступательное движение вдоль направляющих. Применяются в строгальных станках, долбежных станках, насосах.
• Качательные — кулиса совершает качательное (колебательное) движение вокруг неподвижной оси. Широко используются в приводах золотников паровых машин, в механизмах газораспределения двигателей внутреннего сгорания.

По взаимному расположению звеньев

• Плоские — все звенья механизма движутся в одной плоскости. Наиболее распространённый тип.
• Пространственные — звенья движутся в разных плоскостях, что позволяет передавать движение между непараллельными осями.

По наличию дополнительных звеньев

• Простые — состоят из кривошипа, кулисы и стойки.
• Сложные — содержат дополнительные шатуны, ползуны или кулисы, что позволяет получать сложные траектории движения.

Устройство и принцип работы

Основными элементами кулисного механизма являются:

• Кривошип — ведущее звено, совершающее вращательное движение. На конце кривошипа закреплён палец (камень).
• Кулиса — деталь, имеющая прорезь (паз), в которой скользит палец кривошипа. Кулиса может быть выполнена в виде стержня с пазом или в виде качающейся рамки.
• Стойка — неподвижное основание, к которому крепятся оси вращения кривошипа и кулисы.
• Ползун (опционально) — деталь, соединённая с кулисой и совершающая возвратно-поступательное движение по направляющим.

Принцип работы: при вращении кривошипа его палец движется по окружности, одновременно скользя внутри паза кулисы. Это скольжение заставляет кулису совершать качательное или возвратно-поступательное движение. Изменяя длину кривошипа или положение оси качания кулисы, можно регулировать амплитуду и скорость движения ведомого звена.

Кинематические характеристики

• Ход кулисы — максимальное перемещение ведомого звена за один оборот кривошипа.
• Коэффициент изменения средней скорости — отношение средней скорости прямого хода к средней скорости обратного хода. В кулисных механизмах этот коэффициент часто больше 1, что позволяет реализовать «быстрый обратный ход» (например, в строгальных станках).

Применение

Кулисные механизмы находят применение в различных областях техники:

Станкостроение

• Строгальные и долбежные станки — механизм обеспечивает рабочее движение резца с постоянной скоростью на прямом ходу и ускоренный обратный ход для повышения производительности.
• Поперечно-строгальные станки — кулисный механизм преобразует вращение электродвигателя в возвратно-поступательное движение ползуна с резцом.

Двигателестроение

• Паровые машины — кулисный механизм (механизм Джеймса Уатта) используется для преобразования качательного движения балансира во вращательное движение маховика.
• Двигатели внутреннего сгорания — в некоторых конструкциях газораспределительного механизма (например, в двигателях с золотниковым распределением) применяются кулисы для управления клапанами.

Сельскохозяйственная техника

• Зерноуборочные комбайны — кулисные механизмы используются в приводах режущих аппаратов (ножей) для обеспечения возвратно-поступательного движения ножа.
• Молотилки — для привода соломотрясов и других рабочих органов.

Приборостроение и робототехника

• Манипуляторы — кулисные механизмы позволяют реализовать сложные траектории движения захватных устройств.
• Измерительные приборы — в самописцах и осциллографах для перемещения пера или луча.

Транспортное машиностроение

• Железнодорожный транспорт — в некоторых конструкциях тормозных систем и рессорных подвесок.
• Автомобильная промышленность — в механизмах стеклоочистителей (дворников) и в приводах некоторых типов подвесок.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота конструкции и низкая стоимость изготовления.
• Возможность получения «быстрого обратного хода» без дополнительных устройств.
• Высокая надёжность при правильной смазке.
• Возможность регулировки хода ведомого звена.

Недостатки

• Наличие скользящего трения в пазу кулисы, что приводит к износу и снижению КПД.
• Ограниченная скорость работы из-за инерционных нагрузок.
• Необходимость точной регулировки зазоров для обеспечения плавности хода.
• Сложность балансировки при высоких частотах вращения.

Интересные факты

• Кулисный механизм является одним из четырёх основных типов механизмов, изучаемых в курсе теории механизмов и машин (наряду с кривошипно-шатунным, кулачковым и зубчатым).
• В 1784 году Джеймс Уатт запатентовал параллелограмм Уатта — один из первых кулисных механизмов, который использовался в паровых машинах для преобразования движения.
• В советском станкостроении кулисные механизмы применялись в серийных строгальных станках моделей 7Б35 и 7Б36, выпускавшихся на Московском станкостроительном заводе «Красный пролетарий».

См. также

• Кривошипно-шатунный механизм
• Кулачковый механизм
• Теория механизмов и машин
• Строгальный станок

Источники

• Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1988.
• Левитский Н. И. Кулисные механизмы. — М.: Машиностроение, 1965.
• Вышнеградский И. А. О кулисных механизмах. — СПб.: Типография Императорской Академии наук, 1837.
• ГОСТ 2.721-74. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения.