Неравномерность движения механизмов
До сих пор исследование движения механизмов проводилось с учетом, если угловая скорость ведущего звена была постоянной. На самом деле скорость кривошипа при установившемся движении является переменной величиной (§2, п. 3.2.1). Колебания скоростей вызывают в кинематических парах дополнительные динамические нагрузки. Это, в свою очередь, приводит к понижению общего КПД механизма и надежности его работы, к ухудшению технологического процесса.
Рассматривая колебания скорости ведущего звена, можно обнаружить, что эти колебания бывают двух различных типов:
Ø Периодические колебания – такие колебания, при которых через каждый полный цикл установившегося движения кинетическая энергия механизма принимает первоначальное значение, и скорости ведущего звена периодически повторяются с одним и тем же циклом.
Ø Непериодические колебания – такие колебания, при которых колебания скоростей не имеют определенного цикла. Непериодические колебания вызваны различными причинами: внезапное изменение полезных или вредных сопротивлений, включение в механизм дополнительных масс и др.
Во многих механизмах наблюдается оба вида колебания скоростей. Колебания скоростей могут достигнуть такой величины, которая не допустима с точки зрения работы механизма. Тогда возникает задача о регулировании колебаний скоростей при установившемся движении, которую мы рассмотрим в п. 2.4 этой же главы.
3.2.3.1. Средняя скорость механизма и его коэффициент
неравномерности движения
Для изучения периодических колебаний скоростей во время установившегося движения необходимо знать среднюю скорость механизма. Т.к. скорость меняется от минимального значения до максимального, то средняя скорость будет равна средней арифметической
ωср=(ωmax+ωmin)/ 2. (3.67)
На паспорте двигателя такая скорость обычно указывается как номинальная.
Отношение разности максимальной и минимальной скоростей к среднему значению, называется коэффициентом неравномерности движения механизма δ
(3.68)
Формула (3.68) показывает: чем меньше разность между ωmax и ωmin, тем равномернее вращается ведущее звено.
а) б)
ω ω
ωmax
ωmin ωср
2π φ 2π φ
а - с плавным изменением угловой скорости; б - менее плавным.
Рисунок 3.18 - Графики зависимости угловой скорости от угла поворота
Физический смысл коэффициента неравномерности δ. Коэффициент неравномерности движения характеризует только перепад угловой скорости ведущего звена в пределах от ωmin до ωmax, но не показывает динамику движения внутри одного полного цикла периода установившегося движения, т.е. не зависит от частоты колебаний. На рисунке 3.18 показаны два графика зависимости ω = ω(φ), у которых ωmax и ωmin равны, но угловые ускорения для графика б) значительно больше. Поэтому и динамические характеристики различны, т.е. различны кинетическая энергия, момент инерции и др. Коэффициент неравномерности рассчитан для некоторого вида машин. Для каждого вида машин имеется своя допустимая величина δ, выработанная практикой. Для двигателей внутреннего сгорания δ = 0,0125- 0,006; для насосов δ = 0,2 - 0,03; для сельхозмашин δ = 0,1- 0,02 и т.д. Наилучшие условия работы всех машин – абсолютно равномерное вращение их главного вала (ведущего звена), т.е. когда δ = 0. Допустимые δ приводятся в справочной литературе и учебных пособиях по расчету механизмов. В частности, δ приводятся в источнике [1] данного пособия.
Теперь рассмотрим зависимость коэффициента неравномерности от момента инерции, кинетической энергии и от угловой скорости.
3.2.3.2 Связь между приведенным моментом инерции, кинетической
энергией, средней угловой скоростью и коэффициентом
неравномерности движения механизма
Выразим из формулы (3.66) значения ωmax и ωmin:
ωmax = 2ωср - ωmin
ωmin = 2ωср - ωmax (а)
Теперь из формулы (3.67) выразим эти же значения:
ωmax = δωср + ωmin
ωmin = ωmax - δωср (б)
Приравняем формулы (а) и (б):
2ωср- ωmin = δωср+ ωmin
2ωср- ωmax = ωmax - δωср
После преобразования получим:
2ωmin=2ωср- δωср
2ωmax=2ωср+ δωср
Разделим обе части обоих уравнений на 2:
ωmin=ωср- δωср/2
ωmax=ωср+ δωср/2
и вынесем за скобки ωср:
ωmin=ωср(1+δ/2)
ωmax=ωср(1-δ/2)
Возведем обе части этих уравнений в квадрат:
ω2min=ω2ср(1-δ+δ2/4)
ω2max=ω2ср(1-δ+δ2/4)
При малых значениях коэффициента δ членом δ2/4 можно пренебречь
ω2min=ω2ср(1+δ)
ω2max=ω2ср(1-δ) (в)
Запишем уравнение приведенного момента инерции через кинетическую энергию (формула 3.53):
Jmaxпр=2Т/ω2max
Jminпр=2Т/ω2min (г)
Подставим формулы (в) в уравнения (г)
Jmaxпр=2Т/ω2ср(1+δ)
Jminпр=2Т/ω2ср(1-δ) (3.69)
Формулы (3.69) отображают зависимость кинетической энергии от приведенного момента инерции Т = Т(Jпр), которая может изображаться графически. График зависимости Т = Т(Jпр) называется графиком энергия-масса или диаграммой Ф. Виттенбауэра, названной по имени русского ученого. В дальнейшем мы рассмотрим ее построение.
3.2.3.3 Маховик и его физический смысл
В установившемся режиме работают очень многие машины – станки, прессы, прокатные станы, лесопильные рамы, текстильные машины, генераторы электрической энергии, компрессоры, насосы и т.д. Наилучшее условие для работы всех этих машин – абсолютно равномерное вращение их главного вала (принимаемого обычно в качестве ведущего звена). Колебания скорости главного вала вызывают дополнительные нагрузки, вследствие чего снижаются долговечность и надежность машин. Но поскольку колебания скорости полностью устранить невозможно, нужно хотя бы по возможности сократить их размах. Иными словами, значение коэффициента неравномерности δ надо сделать приемлемо малым. Рассмотрим, каким образом можно решить эту задачу.
Все звенья механизма обладают инертностью. Чем инертнее материальное тело, тем медленнее происходят изменения его скорости.
Уравнения (3.69) показывают, что при уменьшении величины δ возрастает приведенный момент инерции Jпр механизма, а, следовательно, его масса и кинетическая энергия. Поэтому увеличение равномерности движения ведущего звена может быть достигнуто за счет увеличения приведенного момента инерции механизма. Увеличение приведенных масс или приведенных моментов инерции ведет за собой увеличение масс отдельных звеньев механизма. На практике это увеличение производится посадкой на один вал машины добавочной детали, имеющий заданный момент инерции. Эта деталь носит название махового колеса или маховика.
Задачей маховика является уменьшение амплитуды периодических колебаний скорости ведущего звена, обусловленных свойствами самих механизмов или периодическим изменением соотношений между величинами движущих сил и сил сопротивлений. Подбором массы и момента инерции маховика можно заставить ведущее звено двигаться с заранее заданным отклонением от некоторой его средней скорости.
Маховик является аккумулятором кинетической энергии механизма. Он накапливает ее во время ускоренного движения и отдает обратно во время замедления механизма. Такая аккумулирующая роль маховика позволяет использовать накопленную им энергию для преодоления повышенных полезных нагрузок без увеличения мощности двигателя.
Физически роль маховика в машине можно представить следующим образом. Если в пределах некоторого угла поворота ведущего звена работа движущих сил больше работы сил сопротивления (Адв.с.>Ас.с), то ведущее звено вращается ускоренно и кинетическая энергия увеличивается. При наличии в машине маховика приращение кинетической энергии распределяется между массами звеньев механизма и массой маховика, а при его отсутствии все приращение кинетической энергии должно быть отнесено к массам звеньев механизма. Если же Адв.с.< Ас.с, то ведущее звено вращается замедленно и кинетическая энергия уменьшается.
Форма маховика может быть любой. Но по конструктивным соображениям наиболее удобной является форма в виде диска с тяжелым ободом, колесо со спицами (рисунок 3.20) или другая форма, симметричная относительно главных осей инерции. Это позволяет избежать дополнительных давлений на вал подшипника, на который насажен маховик.
Итак, чтобы определить размеры махового колеса, нужно знать его массу, а та, в свою очередь, зависит от момента инерции маховика. Существует несколько способов определения момента инерции маховика. Мы остановимся только на двух.
3.2.3.4 Приближенный метод определения момента
инерции маховика
Уравнение движения механизма можно записать в форме уравнения кинетической энергии:
Адв.с.-Ас.с= .
Изменение кинетической энергии есть разность работ, которая в свою очередь равна работе, т.е.:
ΔТ = Адв.с.- Ас.с = А.
Тогда
А= ,
где Jсрпр есть среднее значение приведенного момента инерции. Вынесем его за скобку:
А= .
Учитывая, что
ω2max - ω2min=(ωmax+ωmin)(ωmax-ωmin)
и, принимая во внимание формулы (3.66), (3.67), получим выражение для работы
А= ω2ср δ.
Если пренебречь изменением момента инерции механизма и представив, что = , то можно вычислить момент инерции маховика приближенно
. (3.70)
В этой формуле изменение момента инерции механизма не учитывается, он принимается постоянной величиной. Более точным является определение момента инерции маховика методами Н.И. Мерцалова и К.Э. Рериха. Эти методы подробно рассмотрены в источнике [3] данного пособия. Еще одним методом, позволяющим более точно определить Jмах является метод профессора Ф. Виттенбауэра. Его мы рассмотрим более подробно.
3.2.3.5 Определение момента инерции маховика
методом Ф.Виттенбауэра
Ключом для определения Jмах этим методом является построение графика энергия-масса или диаграммы Ф.Виттенбауэра (см. гл. 3, §2, п. 3.2.3.2). Для этого строится зависимость момента инерции от кинетической энергии Jпр= Jпр (ΔТ). При определении момента инерции маховика заданным является коэффициент неравномерности, силы же инерции не должны входить в диаграммы движущих сил и сил сопротивления. Средняя угловая скорость ведущего звена должна равняться истиной (формула 2.21, гл. 2, п. 2.3.3)
ωср = ω1 =
Порядок проведения метода Ф. Виттенбауэра
1. Строится механизм в n положениях, начиная с «мертвого» (гл.2, §2 и §3, п. 3.3). Для каждого положения (в нашем примере в 6-ти) строится план скоростей и план ускорений.
2. Рассчитываются внешние силы, действующие на звенья механизма. В частности для двигателя внутреннего сгорания вычисляются силы давления газа на поршень РГ по формуле (3.2).
3. Для каждого положения вычисляется приведенная сила (формула 3.48):
= (Н).
Также Рпр можно вычислить по методу Н.Е.Жуковского (гл.3, §3.1, п. 3.1.7), тогда Рпр= -Рур (там же, п. 3.1.9).
4. Для каждого положения вычисляется приведенный момент от движущихся сил или от сил сопротивления, смотря какое движение совершает ведущее звено – ускоренное или замедленное (там же):
Мпр=РпрℓОА=(Нм).
5. Строится график приведенного момента от движущихся сил (в нашем примере движение ускоренное). Для этого высчитываем масштабный коэффициент приведенного момента:
μМпр=Мпр1/h1=(Нм/мм).
И рассчитываем амплитуды приведенных моментов в мм:
h2 = Мпр2/μМпр, μМпр = Мпр1/h1 и т.д.
Проводим оси Мпр и φ. Ось φ делим на 6 равных частей и откладываем высоты h1, h2 и т.д. Соединяем их плавной линией (рисунок 3.19, а).
6. Методом графического интегрирования строим график работы движущих сил Адв.с. (рисунок 3.19, б). Соединяя начало графика с его концом, получаем график работы сил сопротивления Ас.с. (для замедленного движения наоборот).
7. Строится график изменения кинетической энергии, как разность работ (рисунок 3.19, в):
ΔТ = Адв.с.- Ас.с. (3.71)
Высчитываются масштабные коэффициенты полученных графиков
μА=μΔТ = μМпрμφН =(Дж/мм),
где Н – полюсное расстояние в мм.
8. Считаем для каждого положения осевой приведенный момент инерции по формуле 3.55 (гл. 3, § 3.1, п. 3.1.9):
Jпр = = (кгм2).
9. Строим график Jпр, повернутый на 90о, чтобы ось φ стала вертикальной (рис. 3.19, г). Для его построения высчитываем масштабный коэффициент
μJпр=Jпр1/Х1=(кгм2/мм).
10. На пересечении графиков Jпр и ΔТ строится диаграмма Виттенбауэра (график энергия-масса), исключая параметр φ.
11. Определяем углы ψmax и ψmin. Т.к. по оси абсцисс отложен приведенный момент инерции Jпр в масштабе μJпр, а по оси ординат ΔТ в масштабе μΔТ, то
tgψ = y/x = ТμJпр /JпрμΔТ.
Откуда выразим соотношение, учитывая углы для каждой касательной
Т/Jпр =μΔТtgψmax/μJпр
Т/Jпр =μΔТtgψmin/μJпр (а)
Зная формулу кинетической энергии (Т=Jпрω2/2), определим отношение
Т/Jпр=ω2max /2
Т/Jпр=ω2min /2 (б)
Приравнивая выражения (а) и (б) и выразив угловую скорость, получим
ω2max =2μΔТtgψmax/μJпр
ω2min=2μΔТtgψmin/μJпр (в)
В формулы (в) из п. 3.2.3.2
ω2min= ω2ср(1+ δ); ω2max= ω2ср(1- δ)
подставим полученные соотношения, и, выразив углы, имеем:
tgψmax= μJпрω2ср (1+δ)/2μΔТ
tgψmin= μJпрω2ср (1-δ)/2μΔТ (3.72)
12. Находим отрезок [kℓ]. Для этого проводим касательные к диаграмме ΔТ = f(Jпр) под углами ψmax и ψmin (рис. 3.19, д). Пересечение их с вертикальной осью φ даст нам отрезок [kℓ].
13. Определяем момент инерции маховика Jмах.
Jмах = = (кгм2), (3.73)
где [kℓ] - отрезок в мм. Формула (3.73) позволяет с необходимой точностью определить момент инерции маховика Jмах.
При подсчете углов ψmax и ψmin по формулам 3.72 может оказаться, что они будут очень велики. Пересечение касательных с осью ординат диаграммы ΔТ = f(Jпр) получится внизу, вне пределов чертежа. Поэтому из конструктивных соображений необходимо изменить углы до 45о – 60о.
График приведенного осевого Графики приведенных моментов
момента инерции Jпр от движущихся сил Мпрдв.с. и от сил
сопротивления Мпрс.с.
μJпр=(кгм2/мм) μМпр=…= (Нм/мм)
г) а) μφ=…= (рад/мм)
0 0 Jпр Мпр
х1
1 х2 1 h2
2 2 Мпрс.с. h5
Р
3 3 0 1 2 3 4 5 6 φ
4 4 h1
5 5 Н h4
Мпрдв.с.
6 6 б) Графики работы движущихся сил Адв.с.
и сил сопротивления Ас.с.
φ А μА=…= (Дж/мм)
Aс.с.
0 1 2 3 4 5 6 φ
Адв.с.
Диаграмма Ф.Виттенбауэра График изменения кинетической
(график энергомасс) энергии ΔТ
д) в) μΔТ =…= (Дж/мм)
ΔТ
ψmax
3
k 0,6 0 1 2 3 4 5 6 φ
4 5
2 1 ψmin
ℓ ψmax
ψmin
Рисунок 3.19 - Построение диаграммы Ф. Виттенбауэра
Метод Ф.Виттенбауэра не учитывает влияние скорости на действующие силы и моменты. Так график приведенного момента от движущих сил построен в виде зависимости от угла поворота ( ), а не от угловой скорости . Пренебрежение влиянием скорости на силы и моменты допустимы по той причине, что скорость ведущего звена отклоняется от среднего значения не более чем на ± 2 %. Поэтому изменения сил и моментов, приложенных к ведущему звену и зависящих от скорости, также будут небольшими и ими можно пренебречь.
Если известен момент инерции маховика, можно определить его размеры.
3.2.3.6 Определение размеров махового колеса
Размеры маховика зависят от его установки в машине. Если маховик закрепляется на валу ведущего звена, то его момент инерции равен вычисленному. В некоторых случаях маховик устанавливается на ведомом валу. В этом случае найденный расчетом момент инерции будет являться приведенным моментом инерции маховика. Зная Jмах можно рассчитать размеры маховика для различных типов.
а) Маховик выполнен в виде сплошного диска со ступицей (рисунок 3.20, а).
Диаметр этого вида маховика вычисляется по формуле
=(м). (3.74)
а) б)
h
dст dст
Dмах Dмах
b b
bст bст
а – маховик в виде сплошного диска со ступицей;
б - в виде колеса со спицами
Рисунок 3.20 - Изображение маховика
б). Маховик выполнен в виде колеса со спицами (рисунок 3.20, б). При определении размеров такого вида маховика весом втулки и спиц пренебрегают, считая, что момент инерции маховика определяется только его ободом. Диаметр маховика будет вычисляться по формуле:
=(м). (3.75)
В формулах (3.74) и (3.75) принято: Jмах - момент инерции маховика в кгм2, γ = 93000 Н/м3 - удельная плотность, g = 9,8 м/с2 - ускорение свободного падения, β=b/Dмах = 0,07…0,1 - отношение ширины обода к диаметру маховика, ξ = h/Dмах = 0,1…0,15 - отношение толщины обода к диаметру маховика.
Вопросы для самоконтороля
1. Что понимают под механическим КПД механизма?
2. Чему равен КПД при последовательном (параллельном) соединении механизмов?
3. Расскажите о причинах, вызывающих колебания скорости входного звена механизма.
4. Объясните назначение маховика в машине.
5. Выведите формулу для расчета момента инерции маховика при постоянном приведенном моменте инерции звеньев механизма.
6. Чем следует руководствоваться при выборе места установки маховика в машине?
Дата добавления: 2015-10-19; просмотров: 1320;