- •Министерство образования Республики Беларусь
- •Введение
- •Статика
- •Кинематика
- •Динамика
- •Определение динамической нагрузки на подшипники
- •Задача д8 Исследование свободных колебаний
- •Список использованных источников
- •Составитель Протас Анатолий Яковлевич Редактор т.Л. Бажанова Технический редактор а.А.Щербакова
- •212027, Могилев, пр-т Шмидта, 3.
- •Отпечатано на ризографе редакционно-издательского отдела
- •212027, Могилев, пр-т Шмидта, 3.
Определение динамической нагрузки на подшипники
Возьмем трехзначный вариант 495. Это означает, что необходимо взять схему по рис. Д5.4, основные данные из колонки «*9» таблицы Д5.1 и дополнительные данные из колонки «**5» таблицы Д5.2.
Из текста условия для всех вариантов следует: масса однородных стержней m2=14, m3=10кг; их длина l2=50, l3=30см; масса точечного груза m5=3кг; размеры ОА=АВ=ВД=ДЕ=в=20см, а=12см.
В колонке «*9» таблицы Д5.1 видим: подшипник должен быть в точке Е, груз с массой m5 – в точке L, а время разгона τ=2,5с.
В
таблице Д5.2 по варианту «**5» задано:
ω0=300с-1,
движущий момент М=2t2
Нм (вместо ω0 =200 с-1, М =
4Нм, заданных по тексту для двузначных
вариантов). С учетом этих данных исходная
схема по варианту представлена на рис.
Д5а.
Таким образом, задано: m2=14, m3=10, m5=3кг; l2=50, l3=30см; а=12, в=20см; М=2t2 Нм; ω0=300с-1; τ=2,5с;
определить: реакции подпятника О и подшипника Е для τ=2,5с.
Решение
Так как конструкция вращается вокруг оси, то величину нагрузки на подшипники будут определять не только заданные силы, но и силы инерции вращающихся масс. Поэтому воспользуемся расчетной схемой, представленной на
рис. Д5б, на которой показаны и система отсчета и действующие силы.
Н
ачало
неподвижной декартовой системы координат
помещено в точку В, хотя можно было
взять и другую точку, например О или Е.
Кроме этого, будем считать, что плоскость
«z,y» совпадает
в расчетный момент с плоскостью
конструкции. В качестве заданных
показаны силы тяжести
,
,
,
приложенные в соответствующих центрах
тяжести, движущий момент М, а также
главный вектор и главный момент сил
инерции трех тел после приведения их
к началу координат.
Используем принцип Даламбера и составим динамические уравнения равновесия конструкции с учетом действующих сил и выбранной системы координат.
![]()
;
(1)
(2)
;
(3)
;
(4)
;
(5)
.
(6)
Рассмотрим сначала уравнение (6), учитывая что М=2t2.
Так как момент сил инерции относительно оси «z»
,
то для определения моментов инерции тел используем теорему Гюйгенса-Штей-нера.
=0,4933кгм2.
=0,144кгм2.
=0,0507кгм2.
Следовательно
=0,4933+0,144+0,0507=0,688кгм2.
Тогда уравнение (6) можно записать как IZε=M= 2t2, а еще лучше представить в общем виде
.
(7)
Из выражения (7) определим угловое ускорение конструкции в заданный момент времени, т.е.
18,1686с-2.
Для расчета сил инерции необходимы не только угловое ускорение, но и угловая скорость, поэтому формулу (7) представим в виде
![]()
и произведем интегрирование
.
Следовательно, для заданных момента времени и начальной угловой скорости будем иметь
=315,141с-1.
Силы инерции, как уже указывалось, приведены к началу координат, расположенному на оси вращения. Выразим их поочередно, используя координаты центров масс всех трех тел.
ФХ2=m2(ω2хС2+εуС2)=m2(ω2·0+ε(–а))= –14·18,1686·0,12= –30,5232Н;
ФХ3=m3(ω2хС3+εуС3)=m3(ω2·0+ε(–а))= –10·18,1686·0,12= –21,8023Н;
ФХ5=m5(ω2хС5+εуС5)=m5(ω2·0+ε(0,5l2–а))=3·18,1686(0,5·0,5–0,12) =7,0858Н.
ФХ=ФХ2+ФХ3+ФХ5= –30,5232 – 21,8023 +7,0858= –45,2397Н.
ФУ2=m2(ω2уС2–εхС2)=m2(ω2.(–а)–ε·0)=14·315,1412(–0,12)= –166847,3Н.
ФУ3=m3(ω2уС3–εхС3)=m3(ω2.(–а)–ε·0)=10·315,1412(–0,12)= –119176,6Н.
ФУ5=m5(ω2уС5–εхС5)=m5(ω2.(0,5l2–а)–ε·0)=3·315,1412(0,5·0,5–0,12)= 38732,4.Н
ФУ=ФУ2+ФУ3+ФУ5= –166847,3–119176,6+38732,4= –247291,5Н= –247,3кН.
ФZ=0, т.к. координаты zC тел не изменяются.
Для определения моментов сил инерции необходимы центробежные моменты инерции всех тел. Так как вся конструкция расположена в плоскости уz, то координата х для всех тел равна нулю, поэтому
.
IYZ2=
;
IYZ3=![]()
=
–0,18кгм2;
IYZ5=m5y5z5=3·(0,5l2–а)·0=0.
Таким образом,
IYZ=IYZ2+IYZ3+IYZ5=0–0,18+0=-–0,18кгм2.
Тогда моменты сил инерции:
=0·ω2+0·ε=0;
–(–0,18)·ω2+0·ε=0,18·315,1412=17876,5Нм;
=0·ω2+0·ε=0;
=0+17876,5+0=17876,5Нм.
=0·ω2+0·ε=0;
=0·ω2+(–0,18)·ε=
–0,18·18,1686= –3,27Нм;
=0·ω2+0·ε=0;
=0–3,27+0=
–3,27Нм.
=
–12,50Нм (уже использовано).
С учетом этих данных уравнения (1)–(6) могут быть записаны в виде
Х
0+ХЕ–45,2=0;
(7)
У0+УЕ–247291,5=0; (8)
Z0-(m2+m3+m5)g=0 (9)
У02в–УЕ2в+(m2+m3)gа–m5(0,5l2–а )+17876,5=0; (10)
–Х02в+ХЕ2в–3,27=0. (11)
Решаем систему уравнений (7)–(11).
(9)→ Z0=(m2+m3+m5)·g=(14+10+3)·9,81=264,87Н.
Х
(7),(11)→ +
0+ХЕ–45,2=0
х 2в
–Х02в+ХЕ2в–3,27=0
2
ХЕ2в-45,2·2в–3,27=0→
2·ХЕ·2·0,2–45,2·2·0,2–3,27=0→ 0,8ХЕ=21,35→
ХЕ=26,69Н.
(7)→ Х0= –ХЕ+45,2=0→ Х0= –26,69+45,2=18,51Н.
Уравнение (10) для дальнейших расчетов конкретизируем
У02в–УЕ2в+(m2+m3)gа-m5(0,5l2–а)+17876,5=0→
У02в–УЕ2в+(14+10)·9,81·0,12 –3(0,5·0,5–0,12)+17876,5=0→
У02в–УЕ2в+17904,36=0. (12)
Тогда
У
(8),(12)→+
0+УЕ–247291,5=0;
х 2в
У
02в–УЕ2в+17904,36=0.
2У02в–247291,5·2в+17904,36=0→
2·У0·2·0,2–247291,5·2·0,2+17904,36=0→
0,8У0= 81012,24→ У0=101265,3Н=101,3кН.
(8)→ УЕ= –У0+247291,5= –101265,3+247291,5=146026,2Н=146,03кН.
Как видно по результатам расчета, нагрузка на подшипники в направлении оси «у» вследствие действия центробежных сил инерции оказалась значительно выше, чем в направлении оси «х».
Ответ: Х0=18,51Н; У0=101,3кН; Z0=264,87Н;
ХЕ=26,69Н; УЕ=146,03кН.
2-й вариант решения
Второй вариант обусловлен тем, что силы инерции можно привести к простейшему виду и другим способом. Рассмотрим схему, представленную на рис. Д5в.
Груз 5 является точечным, размерами его можно пренебречь, поэтому сила инерции здесь одна, и ее можно представить в виде двух состававляющих, направленных противоположно соответствующим ускорениям. К другому центру их можно не приводить, а считать приложенными прямо в этой точке.
.
.
Никакого момента относительно этой же точки С5 силы инерции создавать не будут.
Силы инерции всех точек стержня 3 равны по величине и одинаково направлены в пространстве, т.к. их расстояния до оси вращения одинаковы. Это означает, что все силы инерции стержня 3 параллельны и могут быть представлены одной равнодействующей, равной их главному вектору, если их приводить к центру масс С3. Следовательно,
![]()
;
.
Все силы инерции стержня 2 также параллельны и их можно привести к двум равнодействующим, если стержень условно разделить на две части, находящиеся на обе стороны от оси вращения. Но проще будет привести их к точке В на оси вращения. Тогда
;
.
Ну а для моментов сил инерции используем уже употреблявшиеся формулы
=0·ω2+0·ε=0;
=0·ω2+0·ε=0;
.
С учетом этого динамические уравнения равновесия конструкции (1)-(6) несколько изменятся.
![]()
;
(13)
(14)
;
(15)
;
(16)
;
(17)
.
(18)
В этом случае то же самое угловое ускорение ε получится из уравнения (18), а расчеты по уравнениям (15)–(17) дадут уже полученные ранее результаты.
Задача Д6
Применение принципа возможных перемещений к определению сил, обеспечивающих равновесие механической системы с одной степенью свободы
Возьмем двузначный вариант 67, согласно которому схема должна соответствовать рис. Д6.6, а данные взяты из таблицы Д6.1 (столбец 7).
И
сходная
схема представлена на рис. Д6а, а из
текста условия следует, что массой
звеньев можно пренебречь а углы и
размеры звеньев необходимо принять
равными: γ = 600, l1
= 0,6, l2
= 1,2м.
По таблице Д6.1 на механизм действует пара сил с моментом М=2Нм, и сила Q = 24Н, углы α = 300, β = 600. Исходя из условия равновесия механизма, требуется определить величину силы Р.
Таким образом, задано: γ = 600, α=300, β=600, М=2Нм, Q=24Н; l1 = 0,6, l2 = 1,2м;
определить Р.
Решение
З
аданный
механизм находится в равновесии, но
допускает перемещения, поэтому для
решения задачи можно применить принцип
возможных перемещений. С учетом заданных
углов и размеров представим схему
механизма и дадим ему возможное
перемещение (см. рис. Д6б).
По принципу возможных перемещений
![]()
Выразим перемещения через угол δφ2:
;
;
.
Следовательно,
δφ1 = (2/3)(l2 /l1)δφ2;
δSO
=l1
cos300
(2/3)(l2/l1)δφ2
=
l2δφ2.
Тогда уравнение работ преобразуется к виду
(Р
l2+М–Ql2cos300)δφ2=0.
Так как δφ2 величина бесконечно малая, но не нулевая, то нулю должно равняться выражение в скобках, откуда
Р=(–М+Ql2cos300)
/l2=
–М
/l2+3Q/2=
–2
/1,2
+3·24/2 =33,113Н.
Таким образом, для равновесия механизма в представленном положении требуется сила Р = 33,1Н.
Задача Д7
Применение уравнений Лагранжа 2-го рода к исследованию движения механической системы с двумя степенями свободы
Возьмем трехзначный вариант 586, согласно которому схема должна быть по рис. Д7.5, основные данные – из таблицы Д7.1 (столбец 8), дополнительные данные – из таблицы Д7.2 (столбец 6).
Тогда из текста условия задачи следует, что размеры шкивов r4= 8, R4 = 12; r5= 10, R5 = 15; r6 = 9, R6 = 14см; радиусы инерции ρ4 = 11см, ρ5 = 13см. Масса шкивов составляет: m4 = 6, m5 = 5кг, а массой блока 6, тросов и сопротивленимем трения скольжения можно пренебречь.
Из таблицы Д7.1 следует, что углы α = 300, β =0.
П
о
дополнительной таблице Д7.2 имеем: m1=30,
m2
= 20, m3
=40кг вместо заданных по тексту условия
m1
= 20, m2
= 30, m3
= 40кг.
С учетом этих данных исходная схема должна выглядеть как представлено на рис. Д7а.
Требуется определить, в какую сторону и с каким ускорением будут двигаться грузы 1, 2, 3, если система придет в движение из положения покоя под действием сил тяжести.
Таким образом,
задано: m1=30, m2=20, m3=40, m4=6, m5=5кг, m6=0; r4=8, R4=12; r5= 10, R5 = 15; r6 = 9, R6 = 14, ρ4 = 11, ρ5 = 13см; α = 300, β =0;
найти: а1, а2, а3.
Решение
Механическая система имеет две степени свободы, поэтому для решения задачи удобнее всего использовать уравнения Лагранжа 2 рода. Выберем в каче-
стве обобщенных координат перемещения грузов «х1» и «х2», как показано на рис, Д7б. Тогда уравнения Лагранжа должны иметь вид
.
(1)
Выразим кинетическую энергию системы через обобщенные скорости.
T
=T1+T2+T3+T4+T5+T6.
(2)
T1=0,5m1V12
=0,5m1
=0,5·30
=15
Hм.
T2=0,5m2V22
=0,5m2
=0,5·20
=10
Hм.
T3=0,5m3V32 =0,5m3[0,5(VA+VB)]2.
Но
VA=
R4/r4;
VB=
R5/r5.
После преобразования получим
T3=0,125m3(R4/r4)2
+0,25m3(R4R5/r4r5)![]()
+0,125m3(R5/r5)2
=
=0,125·40(0,12/0,08)2
+0,25·40(0,12·0,15/0,08·0,1)![]()
+
+0,125·40(0,15/0,1)2
=11,25
+22,5![]()
+11,25
Нм.
T4=0,5I4ω42=0,5m4ρ42(
/r4)2=0,5m4
(ρ4/r4)2
2=0,5·6(0,11/0,08)2
2=5,6719
2
Нм.
T5=0,5I5ω52=0,5m5ρ52(
/r5)2=0,5m5
(ρ5/r5)2
=0,5·5(0,13/0,1)2
=4,225
Нм.
Т6=0, т.к. массой тела можно пренебречь.
Таким образом,
Т=(15+11,25+5,6719)
2+22,5![]()
+(10+11,25+4,225)
=
=31,9219
2+22,5![]()
+25,475
Нм.
Далее формируем левую часть уравненгий Лагранжа, взяв соответствующие производные.
;
31,9219·2
+22,5
=63,8438
+22,5
;
22,5
+25,475·2
=22,5
+50,590
;
63,8438
+22,5
;
22,5
+50,590
.
Для вычисления обобщенных сил необходимы еще расчетные схемы перемещений тел под действием сил. На рис. Д7в представлена схема перемещений для случая, когда δх1>0, а х2=сonst, при этом из всех сил тяжести работу будет совершать только сила G3.
Получим
δА1=G3δS3=m3g(0,5R4/r4)δx1=40·9,81(0,5·0,12/0,08)δx1=294,3δx1.
Следовательно,
Q1=δА1/δx1=294,3Н.
Составим еще одну расчетную схему для получения второй обобщенной силы. На рис. Д7г представлена схема перемещений, когда неизменной остается первая обобщенная координата х1, а координата х2 получает положительное приращение δx2. Из всех действующих сил показаны только силы, которые совершают работу, т.е. G2 и G3.
Тогда, согласно расчетной схеме будем иметь
δА2=G3δS3*–G2sinα·δx2=[m3(0,5R5/r5)–m2sinα]g·δx2=
[40(0,5·0,15/0,1)–20sin300]9,81δx2=196,2δx2.
Или
Q2=δА2/δx2=196,2Н.
С учетом этих расчетов вместо выражения (1) получим конкретную систему дифференциальных уравнений
6
3,8438
+22,5
=294,3;
22,5
+50,590
=196,2.
Р
ешение
системы дает
=196,2/22,5-(50,590/22,5)
=8,72-2,248
.
63,8438(8,72-2,248
)+22,5
=294,3,
или
=2,168м/с2.
=3,846м/с2.
аС=0,5(
R4/r4+
R5/r5)=0,5(3,846·0,12/0,08
+ 2,168·0,15/0,1)=4,5105м/с2.
Таким образом, выбранное направление обобщенных координат соответствует согласно полученным результатам действительному направлению движения с ускорениями:
а1=3,85; а2=2,17; а3=4,51м/с2.
