Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Динамическое действие нагрузок. Учет сил инерции при поступательном и вращательном движении

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
24.11.2025
Размер:
3.24 Mб
Скачать

РЕШЕНИЕ:

При вращении инерции груза Q

регулятора возникает сила , которая изгибает гибкий

стержень

и горизонтально перемещает

груз на расстояние

д

. Определим эту силу и

 

 

 

величину перемещения.

Сила инерции груза равна:

где

F

 

ma

Q

2

 

Q

2

c

 

, (1)

ин

g

 

g

 

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

д

 

– полный радиус вращения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

груза относительно оси с учетом отклонения;

 

– угловая скорость вращения, равная

n

 

3,14 150

15,7

30

30

 

 

сек 1

.

Так как сила инерции

Fин

 

приложена на конце

стержня

 

, то для данной расчетной схемы

изгиба прогиб в точке приложения силы можно

определить как:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д

 

F

ин

3

 

F

ин

 

3

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3EI

н.о.

 

3EI

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hb

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где I y

 

 

35 3

78,75

мм

4

– момент инерции сечения

 

 

 

 

 

12

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стержня

относительно нейтральной оси (здесь н.о.‒ ось

Отсюда выражаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

 

3E I

y

д

.

 

 

 

 

 

ин

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

).

(2)

Приравниваем величины (1) и (2) и получаем значение д :

Q

2

c

 

 

3EI

y

 

д

,

откуда

 

 

 

 

 

g

 

 

д

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д

 

Q c 2 3

 

 

 

 

 

15 60 15,72 3003

16,5 мм.

3g EI y Q 2

3

 

3 9800 2 105 78,75 15 15,72 3003

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

41

 

Из выражения (2)

F

 

 

3EI

y

 

 

 

 

ин

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

определяем силу инерции

Fин

д

 

3 2 10

5

78,75

16,5

28,84

 

 

 

3003

 

 

 

 

 

 

 

:

H .

Определяем

max

д

в стержне

:

max

д

 

max

 

F

 

 

28,84 300

 

 

 

ин

 

 

 

164,8 МПа.

 

hb2

/6

35 32

/6

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 15

Вал

диаметром d 24 мм и длиной

1,6 м , жестко

соединенный с двумя стержнями, имеющими длину

b 0,4 м

 

и площадь поперечного сечения

50 мм2 ,

 

несущими на концах грузы Q 40 H ,

вращается

 

с постоянной угловой скоростью n 210 об/мин

(

n 30

22

сек 1).

Определить

динамические напряжения в стержнях и на валу, вызванные силами инерции. Собственным весом элементов пренебречь.

РЕШЕНИЕ:

Определяем силы инерции, создаваемые грузами Q :

F

 

ma

Q

2

40 222 400

790 H 0,79 кН .

ин

g

b

9800

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примечание.

Как видно из расчета, вес груза Q значительно ниже силы инерции,

которую он создает, поэтому влиянием веса на элементы можно пренебречь и считать, что напряжения в них возникают только от действия сил инерции.

42

Определяем динамические напряжения в стержнях, несущих грузы Q . Пренебрегая собственным

весом стержней, считаем, что силу инерции создает только груз и стержни работают на растяжение под действием этой силы:

д Fин 0,79 103 15,8 МПа. 50

Вал под действием тех же сил инерции изгибается. Строим эпюру

изгибающих моментов и для опасного сечения, где изгибающий момент максимальный, определяем напряжения:

max

д

 

max

 

max

 

32 0,158 106

116,5 МПа.

 

 

d3

/32

3,14 243

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 16

Ломаный стальной стержень диаметром

d 20 мм

и длиной

участков

скоростью

0,2 м вращается вокруг оси

 

с

постоянной

n 800 об/мин ( n/30 83,7 сек

1

).

Установить

 

вид нагружения и вычислить напряжения на каждом участке, а также определить коэффициент запаса прочности стержня, если для материала предел текучести

равен стали:

т 240 МПа . Принять для

7,85 10 5 Н/мм3 .

РЕШЕНИЕ:

Для удобства расчетов

определим для стержня геометрические характеристики, применяемые в формулах для вычисления напряжений:

d2/4 314 мм2 ;

x d3/32 785 мм3 .

43

При вращении ломаного стержня относительно оси возникает сила инерции его участков, которая воздействует и на сами участки, и на соседние, соединенные с ними. Рассмотрим условия работы каждого участка, установим вид нагружения и определим на каждом участке максимальные динамические напряжения:

Участок лежит параллельно оси , поэтому все точки имеют одинаковый радиус вращения и несут одинаковую инерционную нагрузку qин ( ) , равномерно распределенную по

длине участка. Равнодействующая этих сил и интенсивность их распределения соответственно равны:

F

 

 

ma

 

 

2

 

 

)

 

 

 

ин (

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7,85 10 5 314 83,72 (0,2 103)2

 

 

 

 

 

9800

 

0,7 кН;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

)

 

0,7

 

 

q

 

 

 

ин (

 

3,5 кН/м .

 

ин (

)

 

 

0,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Под действием инерционных сил участок работает на изгиб. Опасным является сечение и максимальные напряжения здесь равны:

 

 

 

 

 

qин (

)

2

 

3,5 0,2

2

 

max(

 

)

 

2

 

 

 

2

 

0,07 кНм;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

max(

)

 

0

,07 10

6

89,2 МПа .

 

 

 

 

max(

)

 

 

 

 

785

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На этот участок действует сила инерции его собственной массы и сила инерции

участка

:

 

а) Сила инерции участка

вызывает

на участке

растяжение

силой Fин ( )

и изгиб моментом m , равными:

44

F

)

0,7 кН;

 

 

ин (

 

 

)

/2 0,07 кНм.

m Mизг (

) Fин (

б) Кроме растяжения под действием силы

F

)

ин (

участок

Fин

(

растягивается также силой инерции собственной массы ) , которая непостоянна по его длине и изменяется от

нуля на нижнем конце участка до максимального значения на

оси вращения. Для определения равнодействующей

инерционных сил, действующих на участке, найдем сначала

силу инерции

бесконечно

малого элемента

длиной

d ,

вырезанного на

расстоянии

от оси вращения, а затем,

интегрируя полученное значение, определим Fин (

) :

 

dFин(

 

) dm a

 

d

 

2

 

 

2

d

Fин (

)

 

 

2

d

 

 

 

 

g

 

 

 

 

g

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

7,85 10

5

314 83,72 (0,2 103)2

0,35 кН.

 

 

 

2g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 9800

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в) Суммарная сила, растягивающая участок

 

, равна:

 

 

 

 

F

 

)

F

 

 

 

)

F

 

 

)

0,7 0,35 1,05 кН.

 

 

 

 

раст (

 

 

 

ин (

 

 

ин (

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г) Таким образом, на участке

 

возникает растяжение с

 

изгибом. Определяем здесь максимальные напряжения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

)

 

изг (

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

раст (

 

 

 

 

 

 

 

max (

 

 

)

раст

изг

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,05 103

 

0,07 106

92,5 МПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

314

 

 

 

785

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чтобы установить действие участков переносим сюда инерционную нагрузку

ина участок

F

, F

)

ин ( )

ин (

,

и

момент изг (

) . Участок

 

работает на изгиб. Определяем

максимальные напряжения в опасном сечении :

 

 

 

 

max(

)

 

0,14 106

178 МПа.

max (

)

x

 

785

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

45

 

Это напряжение — наибольшее из всех, возникающее в сечениях ломаного стержня .

Коэффициент запаса прочности стержня равен:

n

 

т

 

 

240

1,34.

 

max (

)

178

 

 

 

 

 

Задача 17

Стальной стержень

диаметром

0,8 м

вращается

вокруг оси с

d и длиной постоянной

скоростью

n 300 об/мин

( n/30 31,4 сек

1

).

 

Определить диаметр стержня, если для материала

7

,85 10

5

H/мм

3

и

100 МПа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕШЕНИЕ:

При вращении стержня возникает сила инерции его массы, которая направлена от оси вращения и действует на каждую точку стержня, вызывая его изгиб. Поскольку все точки стержня имеют

одинаковый радиус вращения

 

/2

, поперечная

инерционная нагрузка равномерно распределена по его длине и имеет интенсивность qин .

Определяем равнодействующую инерционных сил

 

 

Q

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Fин ma

 

 

 

 

 

 

 

 

/2

 

2

2

 

g

 

g

 

2g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где Q

– вес стержня.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интенсивность инерционных сил равна:

 

 

 

 

 

q

ин

 

Fин

 

 

 

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

46

 

 

 

 

 

 

 

Fин

,

:

Максимальный изгибающий момент возникает посередине стержня и для данной расчетной схемы равен:

 

 

q

 

2

 

 

3 2

 

d

 

/4

 

 

 

 

d2

3 2

 

 

 

 

ин

 

 

 

 

 

 

2

 

 

3

2

 

 

 

 

max

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

8

 

 

16g

 

16g

 

 

64g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Записываем условие прочности для опасного сечения и

определяем диаметр стержня:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

max

 

 

 

2

3

2

 

 

3

 

 

2

 

 

 

 

 

 

max

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

откуда

 

 

 

x

64g d

3

/32

 

 

 

2g d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

3

2

 

7,85 10 5 0,8 103 3 31,4

2

20 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

9800

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 18

Цилиндрическая пружина с грузиками Q 10 H на концах

вращается относительно вертикальной оси с постоянной угловой скоростью . Пружина имеет следующие параметры: длина

30

см

, диаметр

6

см

, диаметр прутка

d 5

мм

, число

витков

n

30

, материал

G 8 104

МПа.

Определить, при какой

скорости вращения удлинение каждой половины пружины

будет равно

д 5 см.

Определить в пружине максимальные

динамические напряжения max

. Массой пружины пренебречь.

 

 

д

 

РЕШЕНИЕ:

Определяем скорость вращения пружины, при которой возникает заданное удлинение д каждой ее половины.

47

Растяжение пружины происходит под действием сил инерции

Fин , которые создают грузы Q , прикрепленные на ее концах.

Полное удлинение пружины составляет

 

д

2

д

10 см

и

 

 

 

 

 

согласно закону Гука определяется по формуле:

 

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

откуда

Fин

 

д

G d 4

 

 

 

 

8

3 n

 

 

 

 

8F

ин

3 n

,

 

 

G d 4

 

 

 

100 8 104 54 96,5 H. 8 603 30

(1)

(2)

С другой стороны, силу инерции

F

грузом, можно определить как:

 

F

 

ma

Q

2

 

Q

2

ин

g

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ин

, создаваемую каждым

/2 д ,

(3)

где

 

/2 д

– радиус вращения груза относительно оси

учетом его отклонения.

Подставляем значение (2) в выражение (3) и получаем:

с

 

 

F

 

g

 

 

 

Q

ин

 

 

 

 

 

 

 

 

/2

д

 

 

 

 

 

 

 

 

96,5 9800 10 300/2 50

21,7

сек 1

,

где

n , откуда

30

n

30

 

30 21,7

207 об/мин

 

3,14

 

 

 

.

Определяем динамические напряжения в пружине:

max

д

 

8Fин

 

8 96,5 60

118 МПа.

d3

3,14 53

Задача 19

Винтовая пружина с грузом

Q 10 H

на конце вращается вокруг вертикальной оси с постоянной угловой скоростью . Пружина имеет параметры: диаметр8 см , диаметр прутка d 6 мм , число

48

витков

n 30,

материал пружины

G 8 104

МПа.

Определить

критическую скорость вращения пружины

которой ее удлинение бесконечно возрастает. пренебречь.

кр

( nкр ), при

Массой пружины

РЕШЕНИЕ:

Удлинение пружины под действием силы инерции согласно закону Гука определяется по формуле:

д

8F

ин

3 n

 

 

G d 4

 

, откуда

F

 

 

 

д

G d 4

.

ин

 

 

8

3 n

 

 

 

 

 

 

 

(1)

С другой стороны, силу инерции

Fин

, создаваемую грузом Q ,

можно определить как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

ma

Q

2

 

Q

2

 

 

 

,

(2)

 

 

 

ин

g

 

g

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

д

– полный радиус вращения груза относительно

оси с учетом его отклонения.

Приравниваем значения (1) и (2) и выражаем из полученного уравнения величину удлинения пружины:

 

д

G d

4

 

Q

 

2

 

 

 

, отсюда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

д

д

 

 

 

 

8

3 n

g

 

gG d 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8Q

3

n

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3)

Определяем скорость вращения кр , при которой удлинение пружины бесконечно возрастает. Значение д возможно при условии, когда знаменатель формулы (3) будет равен нулю:

 

gG d 4

 

 

1 0.

8Q

3 n

 

2

кр

 

 

 

 

 

Отсюда

 

 

 

 

 

 

 

gG d 4

 

 

9800 8 104 6

4

28,8 сек 1 ,

 

 

кр

8Q 3n

 

 

8 10 803 30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

nкр

 

, откуда

n

 

 

30 кр

 

30 28,8

275 об/мин.

кр

30

 

 

кр

 

 

 

3,14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

49

 

 

 

 

 

 

Задача 20

Длинный стальной тонкостенный барабан диаметром

2 м

укрепленный на оси вращения, вращается с постоянной

скоростью

n 750 об/мин

( n/30 78,5

сек 1).

Определить

динамические напряжения в барабане. Какую максимальную скорость вращения может иметь

барабан, если для

Принять для стали:

материала

7,85 10

 

80 МПа?

 

 

5

 

3

 

H/мм .

РЕШЕНИЕ:

Вращающийся барабан работает в условиях радиальной инерционной нагрузки, равномерно распределенной по его окружности и имеющей интенсивность, определяемую как:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

q

ин

 

2g

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В результате, в сечении барабана возникает растягивающая

динамическая сила, равная:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

 

q

 

 

 

2

2

д

ин

ин

 

4g

.

 

 

 

 

2

 

 

 

Определяем динамические напряжения в барабане для заданной скорости вращения:

 

 

 

 

 

2

2

 

7,85 10

5

 

78

,5

2

2 10

3

 

2

 

 

 

д

 

 

49,4 МПа.

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4g

 

 

4

9800

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из условия прочности барабана определяем максимальную допустимую скорость его вращения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

откуда

 

 

 

 

4g

 

 

 

 

 

 

30

 

 

302

4g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4g

302

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

9800

 

80

 

30

 

 

 

 

 

 

955 об/мин.

 

 

 

2 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7,85 10 5 3,142

2 103

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50