ПРИВЕДЕНИЯ МАШИННОГО АГРЕГАТА

Машинным агрегатом (рисунок 4.4) называется устройство, состоящее из двигателя 1, рабочей машины 2 и передаточного механизма 3 (редуктора, коробки скоростей, вариатора).

Рабочей машиной называется машина, в которой механическая работа преобразуется ее рабочим органом в работу, необходимую для совершения технологического процесса, на который рассчитана машина.

Передаточный механизм служит для преобразования момента, снимаемого с выходного звена двигателя, в момент на входном звене рабочей машины (как правило, это преобразование идет в сторону увеличения момента на входном звене рабочей машины).

Приведенный момент (сила), который стремится ускорить движение ведущего звена, называется движущим моментом, а приведенный момент (сила), который стремится замедлить движение ведущего звена, называется моментом сопротивления.

Первым шагом при решении задач о движении ведущего звена является приведение сил и масс к этому звену. К ведущему звену приводятся все силы, приложенные ко всем звеньям, и все массы звеньев механизмов, вошедших в состав машинного агрегата.

После приведения сил и масс к ведущему звену исследованию подлежит это звено, к которому оказываются приложенными момент движущих сил М_дв и момент сил сопротивления М_с.с. Это звено имеет массу, момент инерции которой определяется значением приведенного момента инерции I_пр (рисунок 4.5).

Приведенные моменты движущих сил и сил сопротивления зависят от механических характеристик машин, вошедших в агрегат. Механической характеристикой машины называется зависимость сил или моментов, приложенных к ее звеньям, от кинематических величин, характеризующих движение этих звеньев (перемещений, скоростей или ускорений).

Рассмотрим механические характеристики некоторых двигателей и рабочих машин.

Электродвигатель постоянного тока имеет характеристику, показанную на рисунке 4.6, т.е. М_дв = М_дв(ω), где М_дв – момент на валу ротора, ω – угловая скорость.

У электродвигателя переменного тока (асинхронного) механическая характеристика имеет вид, показанный на рисунке 4.7, т.е. М_дв = М_дв(ω).

На диаграмме: М_дп - пусковой момент; М_дн - номинальный крутящий момент; М_дк или М_дmax - критический или максимальный момент; ω_дн -номинальная круговая частота вращения вала двигателя; ω_дхх или ω_дс - частота вращения вала двигателя холостого хода или синхронная.

Механическая характеристика одноцилиндрового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (рисунок 4.8) представлена его индикаторной диаграммой, т.е. зависимостью удельного давления ргаза в цилиндре на дно поршня от перемещения поршня S.

Остановимся подробнее на описание процесса, протекающего в цилиндре четырехтактного двигателя внутреннего сгорания за четыре хода поршня, основываясь на индикаторной диаграмме (рисунок 4.8).

Полный цикл работы двигателя заканчивается в течение двух оборотов кривошипа. За первую половину оборота происходит расширение горючей смеси – участок ab, за вторую половину первого оборота – ее выхлоп (bc). Далее происходит всасывание горючей смеси (cd) и ее сжатие (dеa) – второй оборот кривошипа. Каждая из этих фаз отмечена на индикаторной диаграмме, на которой нанесены соответствующие кривые изменения давления газа в цилиндре. Тогда положения поршня 0,1,2 соответствую такту расширения, положения 3,4,5 – такту выхлопа, положения 6,7,8 – такту всасывания, положения 9,10,11 – такту сжатия (механизм при этом строится в шести положениях – рисунок 4.14).

Рисунок 4.8. - Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

и его индикаторная диаграмма

Сила давления газа Р_Г определяется

, (4.15)

где р_max – максимальное индикаторное давление (Па, обычно задается), у – ордината, замеренная на индикаторной диаграмме от линии атмосферного давления до соответствующего такта в рассматриваемом положении поршня; D – диаметр цилиндра (м).

Индикаторная диаграмма двухтактного двигателя внутреннего сгорания представлена на рисунке 4.9. Здесь полный цикл работы двигателя заканчивается в течение одного оборота кривошипа.

Рисунок 4.9.– Индикаторная диаграмма двухтактного двигателя внутреннего сгорания

Рисунок 4.10. – Механическая характеристика компрессора

На рисунке 4.10. представлена механическая характеристика одноступенчатого компрессора. Данный механизм предназначен для получения сжатого воздуха. При движении поршня вправо воздух всасывается из атмосферы в полость цилиндра, а при движении влево сжимается в ней до давления р_max.

Рисунок 4.11. – Индикаторная диаграмма поршневого насоса

Для механизмов насосов механическая характеристика имеет линейный вид (рисунок 4.11). При движении штока вправо жидкость нагнетается, при этом всасывающий клапан закрыт. При движении штока влево происходит всасывание жидкости в насос из резервуара. Давление всасывания при расчетах можно принять равным атмосферному, т.е. р_атм ≈ 0,09 МПа.

Данные характеристики применимы к механизмам, в которых движущие силы заданы в функции перемещения и приведенный момент от сил сопротивления является величиной постоянной ( ). Но существуют механизмы, у которых является величиной переменной.

Например, у строгального станка механическая характеристика (рисунок 4.12) представлена равенством F_C = F_C (S), где F_C – сила резания, приложенная к резцу, S – перемещение резца, закрепленного на суппорте (предполагается, что скорость резания постоянна).

Рисунок 4.12. – Механическая характеристика строгального станка

Рисунок 4.13. – Механическая характеристика пресса

Для механизма пресса (рисунок 4.13) сила полезных сопротивлений Р_ПС задана также в функции перемещения ползуна S(P_ПС =¦ (S)).

Механизмы очистки зерна зерноуборочного комбайна, механизмы качающихся конвейеров (грохоты) и некоторые другие механизмы имеют линейную механическую характеристику, аналогичную характеристики насоса (рисунок 4.11). Единственное отличие – движущей силой у этих механизмов является сила (или момент) полезных сопротивлений.

Рассмотрим примеры на построении механических характеристик и определении движущих сил.

Пример 1. Построить индикаторную диаграмму четырехтактного двигателя внутреннего сгорания и определить силу давления газа, когда поршень находится в 1-ом положении.

Исходные данные. Длина кривошипа ОА = 30 мм, длина шатуна АВ = 80 мм, максимальное индикаторное давление р_max= 5,0 МПа, диаметр цилиндра D = 0,15 м.

Определить. Р_Г1 (Па).

Данные для построения индикаторной диаграммы

Рисунок 4.14. - К построению индикаторной диаграммы

четырехтактного ДВС

Решение. 1) Строим механизм в 6-и положениях, начиная с крайних (рисунок 4.14). За начало отсчета примем крайнее правое положение. Построение механизма описано в п.2.1, Пример 1.

2). Для построения индикаторной диаграммы проведем линию атмосферного давления параллельно ходу поршня – ось S/S_max. Разделим ход поршня на 10 равных частей. Отметим точки 0,1; 0,2;…1. Проведем вертикальную ось p/p_max и отложим на ней 10 равных расстояний. Получим точки 0,1; 0,2;…1. Построим сетку. Далее по точкам (см. таблицу «Данные для построения индикаторной диаграммы») строим линии сжатия и рабочего хода (расширения). Линии выхлопа и всасывания будут проходить по линии атмосферного давления.

3) Определяем силу давления газа по формуле 4.15

.

Примечание. Положение поршня В₁ соответствует такту расширения. Поэтому ордината «у» замеряется от линии атмосферного давления до линии ab. Тогда получается, что у = 0,4.

Пример 2. Построить механическую характеристику сенного пресса и определить силу прессования сена в 4-ом положении (рисунок 4.15).

Исходные данные. Длина кривошипа ОА = 30 мм, длина шатуна АВ = 80 мм, максимальная сила сопротивления прессованию Р_ПС(max)= 3,2 кН.

Данные для построения механической характеристики

Рисунок 4.15. - К построению механической характеристики пресса

Определить. Р_ПС4 (кН).

Решение. 1) Построение механизма проводится аналогично Примеру 1.

2) Механическую характеристику строим следующим образом. Проводим линию параллельно ходу поршня – ось S/S_max. Разделим ход поршня на 10 равных частей. Отметим точки 0,1; 0,2;…1. Проведем вертикальную ось P_ПC/P_ПC(max) и отложим на ней 10 равных расстояний. Получим точки 0,1; 0,2;…1. Построим сетку. Далее по точкам (см. таблицу «Данные для построения механической характеристики») строим линию сопротивления прессованию сена. За первую половину оборота (положения ползуна 0, 1, 2) происходит прессование сена (сила отрицательная), за вторую половину оборота (положения ползуна 3, 4, 5) – холостой ход (сила положительная).

3) Силу сопротивления прессованию определяем по формуле

Р_ПС4 = у₄· Р_ПС(max) =0,4·3,2 = 1,28 кН.