XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Ножничный подъёмник с механизмом Липкина
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Опыт применения беспилотных аппаратов показал актуальность обеспечения радиосвязи между оператором и управляемым объектом. Это требование относится не только к летательным аппаратам, но и к наземной технике. Для обеспечения радиосвязи нужна антенна, причём обязательно поднятая на высоту, достаточную для выхода радиосигнала из области приземных помех. Получилось противоречивое техническое требование, потому что скрытность малого аппарата нарушается высотным объектом антенны. Предлагается антенну быстро разворачивать только на короткое время сеанса радиосвязи, а затем быстро убирать. Для этой цели разработан специальный рычажный механизм.
Цель работы и решаемые задачи
Исходя из сформулированной цели работы были определены следующие требования в виде технических условий и задач, которые необходимо было решить при разработке нового технического предложения.
1. Создать исключительно механическое устройство подъёма радиоантенны на заданную высоту, полностью отказавшись от силовых гидравлических и силовых электрических систем и приводов, таких как гидроцилиндры с поршнями или плунжерами, требующие гидрогенераторов давления с электрическими приводами или двигателями внутреннего сгорания, а также полностью отказавшись от силовых электрических приводов с тяжёлыми редукторами и не менее тяжёлыми аккумуляторными батареями.
2. Разработать техническое предложение компактного механизма подъёма радиоантенны, который может транспортироваться одним человеком в сумке, в рюкзаке или, максимум, на бытовой дорожной тележке или в чемодане с небольшими колёсами.
3. Общая масса механизма подъёма, без массы антенны и электронного оборудования, антенны не должна превышать 30 кг с целью транспортировки одним человеком.
4. Максимальная высота подъёма антенны должна быть легко настраиваемой в полевых условиях обычными инструментами (гаечные ключи и отвёртки) в зависимости от конкретных решаемых задач управления беспилотным аппаратом и в зависимости от оперативной обстановки.
5. Имеющийся опыт показал, что на первых образцах механизма достаточно реализовать настраиваемую максимальную высоту подъёма антенны 3-10 метров. После проверки правильности предложенного технического решения в реальных условиях можно обсуждать вопрос об увеличении этого показателя.
6. Подъём и опускание антенны на новом механизме должны выполняться за строго заданное время, определяемое единицами секунд, реально за 3-5 секунд, причём исключительно ручным способом. При этом опускание механизма, как правило, требует более быстрой работы, чем подъём, из-за возможного внезапного изменения окружающей обстановки.
Анализ литературы, аналоги и прототип
Первым аналогом выбран «Ножничный подъёмный стол (варианты)» [1]. В этом устройстве хорошо виден единичный ножничный механизм, состоящий из двух одинаковых рычагов, соединённых в центре шарниром, который позволяет регулировать высоту подъёма стола.
Вторым аналогом выбран механизм Липкина, который относится к классу инверсорных механизмов, потому что преобразует вращательное движение в движение рабочей точки строго по прямой линии [2]. В этом механизме есть очень важная для дальнейшего исследования особенность – движение рабочей точки строго по прямой линии. Эта особенность уже была исследована в авторских работах и применена для создания новых механизмов [3,4]. Автором получен патент на изобретение, в котором применена комбинация двух механизмов Липкина [5]. Чтобы в ножничном подъёмном механизме рабочая часть перемещалась строго вертикально, требуется тоже строго вертикально перемещать центральный соединительный шарнир пары ножничных шатунов. Техническая задача по созданию нового лёгкого и компактного механизма свелась, прежде всего, к замене гидравлических систем и электромеханических приводов исключительно механическим устройством, приводимым в действие силой и энергией одного человека. Нужно было найти механизм, обеспечивающий движение точки строго по вертикальной прямой линии, и для этой цели как нельзя лучше подошёл классический механизм Липкина, который часто называют механизмом Липкина-Посселье.
Основу нового технического решения составляет ножничный подъёмник с многократным повторением одинаковых пар ножничных шатунов. При разработке нового технического решения в качестве прототипа выбран самоходный электрический ножничный подъёмник LS1012H, который содержит несколько, конкретно пять, пар ножничных шатунов, приводимых в действие электродвигателем [6]. Недостатком прототипа является медленное действие (55-58 секунд), большая масса (2820 кг), большая требуемая электрическая мощность (3,3 кВт) и обязательное наличие соответствующей аккумуляторной батареи с напряжением питания 24 В. Такой подъёмник в принципе не предназначен для работы в полевых условиях, потому что автомобильное шасси работает только на ровных поверхностях складских помещений или на асфальтовых автомобильных дорогах, аккумуляторная батарея требует зарядки в специальных условиях, обслуживание оборудования проводится несколькими людьми – всё это доказывает нарушение технических требований к создаваемому устройству.
Новое техническое предложение
Для нового технического решения ни о каких машинах, электродвигателях, аккумуляторах и обеспечивающих всё это многообразие специальных системах управления не может быть речи. Должны соблюдаться главные требования: максимальная простота устройства – отсутствие электроники, дешевизна механизма – при повреждении проще взять новый вместо ремонта старого, оперативность и удобство эксплуатации – нажал на рычаг, отработал, свернул, перенёс. Однако в выбранном прототипе есть важное свойство сочетания простоты механизма с возможностью многократного повторения одной и той же унифицированной детали для обеспечения заданной высоты подъёма оборудования. Например, можно выполнить ножничный подъёмник с одной парой ножничных шатунов, как это сделано в первом аналоге подъёмного стола [1], с пятью парами ножничных шатунов, как в прототипе [6], а так же с ещё большим количеством пар ножничных шатунов для увеличения высоты подъёма оборудования. Если одна пара ножничных шатунов поднимает оборудование на высоту h, то кратное повторение k пар ножничных шатунов увеличит высоту подъёма оборудования в k раз, то есть общая высота подъёма оборудования будет равна H=kh.
Ножничный подъёмник обладает преимуществом увеличения высоты подъёма оборудования, кратного количеству пар ножничных шатунов. Но одновременно с этим преимуществом в многократном ножничном механизме существует очень строго требование движения первого центрального шарнира, который обеспечивает развёртку всех ножничных пар шатунов, строго по вертикальной прямой линии. Следовательно, необходим ещё один механизм, который обеспечит строгое прямолинейное вертикальное движение первого центрального шарнира в ножничном подъёмнике. Этому требованию хорошо соответствует механизм Липкина. На рис.1 показана общая кинематическая схема стыковки механизма Липкина с ножничным подъёмным механизмом.
В левой части на рис.1 показан ножничный подъёмный механизм. В нижней части ножничного подъёмного механизма расположены два качающиеся начальных коромысла, которые представляют собой точную половину ножничного шатуна. Два начальных коромысла крепятся к корпусу двойным шарниром, который позволяет этим двум рычагам поворачиваться относительно корпуса независимо друг от друга. К другим концам двух начальных коромысел соответственно с помощью шарниров крепятся нижние части рычагов первой пары ножничных шатунов.
Рис. 1. Общая схема ножничного подъёмника с механизмом Липкина
Верхние части рычагов первой пары ножничных шатунов шарнирно крепятся соответственно к нижним концам рычагов второй пары ножничных шатунов. Такие закрепления продолжаются до завершающей пары ножничных шатунов, то есть самой верхней, на схеме – это шестая пара ножничных шатунов снизу. Верхние концы завершающей пары ножничных шатунов соответственно с помощью шарниров крепятся к двум конечным шатунам, которые являются копиями рычагов двух одинаковых начальных коромысел, но совершают плоскопараллельное движение. Два конечных шатуна соединены в верхних точках шарниром, который является рабочей точкой предлагаемого подъёмника. На эту рабочую точку крепится оборудование, которое необходимо поднять, например, антенна.
К ножничному подъёмному механизму предъявлено очень жёсткое требование – все центральные шарниры, включая двойной шарнир крепления к корпусу и верхнюю рабочую точку, должны всегда располагаться строго на вертикальной прямой линии. Это требование будет выполнено, если все центральные шарниры в начальном состоянии находятся на одной вертикальной прямой линии, а потом в процессе работы механизма первый центральный шарнир, то есть центральный шарнир первой пары ножничных шатунов, расположенный над двойным шарниром корпусного закрепления, всегда будет двигаться тоже по этой же вертикальной прямой линии. Значит, к первому центральному шарниру надо тоже шарнирно присоединить выходную рабочую точку механизма Липкина.
Таким образом, два механизма, ножничный подъёмник и инверсор Липкина, оказались соединёнными в одной точке тройным шарниром. Механизм Липкина показан в правой части схемы на рис.1, располагается горизонтально, поэтому его выходная точка, то есть тройной соединительный шарнир, всегда двигается строго по вертикальной прямой линии.
Механизм Липкина надо доработать в части продолжения нижнего длинного коромысла до рабочей рукоятки, обозначенной на рис.1 тёмным цветом. Когда рабочая рукоятка движется вниз по дуге окружности, соединительный тройной шарнир перемещается вверх строго по вертикальной прямой линии, поэтому разворачивает, поднимает ножничный механизм, верхняя рабочая точка поднимается тоже строго по вертикальной линии.
Вместо достаточно сложного механизма Липкина ни в коем случае нельзя применить, например, обычный простой рычаг. Действительно, выходная рабочая точка простого рычага двигается по дуге окружности, поэтому ножничный механизм при разворачивании будет отклоняться от вертикали, причём чем выше развёртка, тем больше отклонение от вертикали. Такое движение рабочей точки противоречит техническому заданию. Именно поэтому пришлось применить вместо простого рычага семизвенный механизм прямолинейного движения. Советский Академик Иван Иванович Артоболевский доказал, что для получения точного прямолинейного движения точки плоский шарнирно-рычажный механизм должен иметь не менее семи рычагов. В механизме Липкина 7 рычагов, и движение его рабочей точки, то есть соединительного тройного шарнира, строго прямолинейное.
Кинематический анализ нового механизма
Предложенная кинематическая схема соответствует плоскому рычажно-шарнирному механизму, работоспособность которого можно проверить теоретически по формуле П.Л.Чебышева для расчёта количества степеней свободы: .
В этой формуле и в предлагаемом механизме введены следующие обозначения:
- количество степеней свободы плоского рычажно-шарнирного механизма;
- количество рычагов в механизме, не считая корпуса;
- количество шарниров в механизме с учётом их кратности.
Вычисляем количество степеней свободы предлагаемого нового механизма: .
Предлагаемый ножничный подъёмник с механизмом Липкина как единое устройство имеет одну степень свободы. Это означает, что каждому положению рабочей рукоятки соответствует вполне определённая высота подъёма рабочей точки, то есть верхнего шарнира, и наоборот. Таким образом, между углом поворота рабочей рукоятки и высотой подъёма рабочей точки установлено взаимно-однозначное соответствие в виде математического понятия биекции. Предложенный новый рычажно-шарнирный механизм теоретически работоспособен, кинематическая схема удовлетворяет требованиям технического задания.
Предварительная настройка механизма
Важное замечание касается требования предварительной настройки максимальной высоты подъёма рабочей точки. Такая настройка может быть выполнена даже в полевых условиях добавлением или удалением одной или нескольких пар ножничных шатунов. При таком изменении должно соблюдаться только одно кинематическое требование – ножничный подъёмный механизм должен иметь хотя бы одну пару ножничных шатунов. Общее количество пар ножничных шатунов ограничено сверху только прочностью и устойчивостью системы. Для установки одной пары ножничных шатунов требуется, грубо говоря, открутить и закрутить в общей сложности шесть гаек: снять два конечных верхних шатуна – отвинтить две гайки, установить вместо них два скреплённых уже центральным шарниром дополнительных ножничных шатуна – закрутить обратно эти же две гайки, установить на дополнительную установленную пару ножничных шатунов прежние два конечных шатуна – закрутить ещё две гайки. Следовательно, комплект ЗИП (запасные инструменты и принадлежности) должен содержать несколько пар уже скреплённых ножничных шатунов, винты с гайками и шайбами, пару гаечных ключей, возможно, отвёртку, если применены соответствующие винты.
Принцип действия механизма
Принцип работы предлагаемого ножничного подъёмника с механизмом Липкина поясняется тремя схемами на рис.2. Исходное состояние ножничного подъёмника с механизмом Липкина показано вверху на рис.2. В этом состоянии ножничный подъёмный механизм полностью сложен, пары ножничных шатунов максимально приближены друг к другу, соответствующие шатуны в любых двух соседних ножничных парах шатунов практически касаются друг друга, центральные шарниры в соседних парах ножничных рычагов максимально сближены, но при этом расположены строго на вертикальной прямой линии. Точно также тройной центральный шарнир в первой ножничной паре шатунов, то есть самой нижней на схеме, максимально приближен к двойному шарниру крепления начальных коромысел к корпусу механизма, но тоже находится строго на вертикальной прямой линии над ним. Это означает, что тройной центральный шарнир в первой ножничной паре шатунов занимает самое низкое положение за счёт связи с механизмом Липкина, который изображён справа. При этом в механизме Липкина правый конец удлинённого нижнего коромысла с выполненной на нём рабочей рукояткой занимает самое высокое положение, то есть максимально поднят. Такое исходное положение ножничный подъёмник с механизмом Липкина занимает во время транспортировки, потому что в этом случае устройство имеет минимальные габариты. Начало подъёма рабочей точки, то есть самого верхнего шарнира в ножничном подъёмном механизме, показано в середине на рис.2. Это повторение состояния механизма, приведённого ранее на рис.1. При начале смещения вниз по дуге окружности рабочей рукоятки на конце удлинённого нижнего коромысла в механизме Липкина тройной шарнир, соединяющий механизм Липкина с ножничным подъёмным механизмом начинает постепенно перемещаться вверх, причём перемещается строго по вертикальной прямой линии.
Рис. 2. Схема работы ножничного подъёмника с механизмом Липкина
Ножничный подъёмный механизм начинает разворачиваться с одновременным подъёмом всех пар ножничных шатунов. Величина подъёма рабочей точки ножничного подъёмного механизма равна сумме величин единичных подъёмов всех центральных шарниров во всех парах ножничных шатунов плюс такой же единичный подъём шарнира верхней пары конечных шатунов. Например, на рис.2 подъём первого центрального шарнира в первой паре ножничных шатунов, самой нижней, приводит к семикратному подъёму рабочей точки ножничного подъёмного механизма. При динамическом расчёте надо учитывать закон сохранения энергии, то есть в приведённом примере будет семикратное увеличение вертикального усилия на первом центральном шарнире в первой (нижней) паре ножничных шатунов по сравнению с полезной вертикальной нагрузкой, например, от силы тяжести, в верхней рабочей точке ножничного подъёмного механизма. Например, если надо поднять антенну массой 10 кг, то есть весом приблизительно 100 Н, прикреплённую к верхней рабочей точке ножничного подъёмного механизма, то на показанной схеме на нижний шарнир в первой паре ножничных рычагов соединительный трёхкратный шарнир от механизма Липкина должен действовать с вертикальной силой в 7 раз больше, то есть 700 Н – это средний вес человека.
На рис.2 снизу показан ножничный подъёмник с механизмом Липкина в положении с максимальной высотой подъёма верхней рабочей точки. Рычаги в каждой паре ножничных шатунов оказываются сложенными подобно исходному состоянию, но в другом направлении, в вертикальном, а не в горизонтальном, соседние соответствующие рычаги в прилегающих парах ножничных шатунов опять практически касаются друг друга. В этом положении соединительный трёхкратный шатун ножничного подъёмного механизма с механизмом Липкина находится в максимально высоком положении, как и все другие центральные шарниры в парах ножничных шатунов, включая конечную пару шатунов, но все перечисленные шарниры располагаются строго на одной вертикальной прямой линии. Максимальный подъём первого центрального шарнира в первой паре ножничных шатунов обеспечен соединительным трёхкратным шарниром с механизмом Липкина. При этом рабочая рукоятка на конце удлинённого нижнего коромысла механизма Липкина находится в самом низком положении после перемещения по дуге окружности сверху вниз.
Подъём и опускание рабочей точки ножничного подъёмника с механизмом Липкина с закреплённой на ней полезной нагрузкой, например, антенной радиопередатчика или радиоприёмника, происходит за считанные секунды. В уменьшенной модели устройства с высотой подъёма рабочей точки 1-2 метра поднимание и опускание рабочей точки выполнялись приблизительно за 1 секунду. Ожидается, что при высоте 10 метров подъёма рабочей точки потребуется 3-5 секунд. Такое малое время развёртывания оборудования очень важно для решения быстрых, оперативных задач, например, при быстрой передаче информации с быстрым развёртыванием и таким же быстрым свёртыванием радиотехнического оборудования.
Максимальная высота подъёма рабочей точки определяется не только размерами рычагов, но и количеством пар шатунов в ножничном подъёмном механизме. В зависимости от требуемой максимальной высоты подъёма рабочей точки количество пар шатунов в ножничном подъёмном механизме можно изменять от одной до множества, определяемого прочностью и устойчивостью поднятой системы.
Изготовление действующей модели
Для доказательства технической реализуемости предлагаемого устройства была изготовлена действующая модель ножничного подъёмника с механизмом Липкина, которая подтвердила правильность технического решения. На рис.3 показаны три фотографии модели ножничного подъёмника с механизмом Липкина, соответствующие трём характерным положениям рычагов, показанным на рис. 2.
Таким образом, цель достигнута, предложен ножничный подъёмник с механизмом Липкина, позволивший исключить из аналогов сложные и медленные гидравлические системы. Новое устройство характеризуется простотой и быстродействием, что важно во время быстрого изменения оперативной обстановки.
Рис.3. Фотографии трёх характерных положений подъёмника
Для развёртывания системы достаточно нажать на рабочую рукоятку и удерживать или зафиксировать её в нижнем положении. Для быстрого свёртывания системы рабочую рукоятку достаточно поднять, придерживая её для предотвращения ударных нагрузок.
Работа выполнена в школьном кружке «Юный физик – умелые руки» при поддержке Благотворительного фонда «Образование+» при МБОУ «Гимназия №5» города Королёва (мкр. Юбилейный) Московской области.
Выводы
1. Главный вывод – работа появилась из практики, из практической задачи быстрого развёртывания и свёртывания оборудования.
2. Были предъявлены очень жёсткие требования к новому механизму: только механика, лёгкий, удобный, быстрый, дешёвый. Эти требования выполнены совмещением двух известных механизмов.
3. Новизна работы в совмещении двух известных механизмов, на такое техническое решение подана заявка на патент на изобретение.
4. Действующая модель подтвердила предложенное техническое решение и научную гипотезу.
5. Изготовлено несколько действующих механизмов, которые позволили приспособить новое устройство к полевым условиям работы.
6. Простая конструкция и дешёвые материалы позволяют не заботиться о ремонте повреждённого механизма, а просто заменить его новым. Предлагаемое устройство вписывается в комплект ЗИП – запасные инструменты и принадлежности.
Список литературы
1. Патент на изобретение RU 2647340 C2. Российская Федерация. МПК B66F 7/06. Ножничный подъёмный стол (варианты) / МОР Кристоф (DE) - заявитель и патентообладатель. Заявка 2014153154, заявл. 28.05.2013, конвенционный приоритет 29.06.2012. Код документа в НЭБ: 000224_000128_0002647340_20180315_C2_RU
2. Андреев Н.Н. и др. Прямило Липкина // Математические этюды. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://etudes.ru/etudes/lipkin-inversor/ (дата обращения 19.08.2025).
3. Конорева М.М. Механизм для прямолинейного движения печатающей матрицы 3D принтера // Авиация. Космонавтика. Будущее. Труды Всероссийской научно-практической конференции, Москва, 24 августа 2024 г. - Изд-во: Санкт-Петербург, Спортивно-патриотический союз «Армада», 2024. - 80 с. - ISBN 978-5-907804-94-4. - С.47-50. - Ссылка на eLibrary: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=73405147 (дата обращения 19.08.2025).
4. Конорева М.М. Механизм Роберваля-Липкина для весов без горизонтального смещения чашек // Материалы и технологии XXI века. Сборник тезисов Всероссийской с международным участием школы-конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, Казань, 05-06 декабря 2024 г. Отв. Редактор Герасимов А.В. - Изд-во: ООО «Редакционно-издательский центр «Школа», 420059, Казань, ул. Военный городок - 33, 4-9, Казань, 2024. - С.261. - Ссылка на eLibrary: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=80444019 (дата обращения 19.08.2025).
5. Патент на изобретение RU 2840552 C2, рег. 26.05.2025. Российская Федерация. СПК F16H 21/04 (2025.01). Направляющий рычажно-шарнирный механизм для одновременного прямолинейного движения двух точек в противоположных направлениях / Конорева М.М. - заявитель и патентообладатель. - Заявка на патент на изобретение 2024128552, заявл., приоритет 26.09.2024. - Публ. 26.05.2025, Бюлл. №15. - Публ. заявки 05.11.2024, Бюлл. №31. – [Электронный ресурс] - Открытые реестры ФИПС: https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2840552&TypeFile=html (дата обращения 19.08.2025).
6. Самоходный электрический ножничный подъёмник LS1012H / СТТ Expo 2025. Каталог. Подъёмники. Самоходный электрический ножничный подъёмник LS1012H. Описание. [Электронный ресурс] - Каталог: https://liugongrussia.ru/catalog/item/ls1012h (дата обращения 19.08.2025).
7. Конорева М.М. Ножничный подъёмник с механизмом Липкина. – Заявка на патент на изобретение RU 2025123877 от 29.08.2025. – Открытые реестры ФИПС (Роспатент): https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=2025123877&TypeFile=html