Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Протас ТМ Примеры.doc
Скачиваний:
29
Добавлен:
05.11.2018
Размер:
1.6 Mб
Скачать

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.

Начало 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=m22хС2+εуС2)=m22·0+ε(–а))= –14·18,1686·0,12= –30,5232Н;

ФХ3=m32хС3+εуС3)=m32·0+ε(–а))= –10·18,1686·0,12= –21,8023Н;

ФХ5=m52хС5+εуС5)=m52·0+ε(0,5l2а))=3·18,1686(0,5·0,5–0,12) =7,0858Н.

ФХХ2Х3Х5= –30,5232 – 21,8023 +7,0858= –45,2397Н.

ФУ2=m22уС2–εхС2)=m22.(–а)–ε·0)=14·315,1412(–0,12)= –166847,3Н.

ФУ3=m32уС3–εхС3)=m32.(–а)–ε·0)=10·315,1412(–0,12)= –119176,6Н.

ФУ5=m52уС5–εхС5)=m52.(0,5l2а)–ε·0)=3·315,1412(0,5·0,5–0,12)= 38732,4.Н

ФУУ2У3У5= –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·(0,5l2а)·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

Х0Е–45,2=0; (7)

У0Е–247291,5=0; (8)

Z0-(m2+m3+m5)g=0 (9)

У02в–УЕ2в+(m2+m3)gа–m5(0,5l2а )+17876,5=0; (10)

–Х02вЕ2в–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)→ +

0Е–45,2=0 х 2в

–Х02вЕ2в–3,27=0

2ХЕ2в-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(0,5l2а)+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)→+

0Е–247291,5=0; х 2в

У02в–УЕ2в+17904,36=0.

02в–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

Заданный 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

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=0,5m44/r4)22=0,5·6(0,11/0,08)22=5,67192 Нм.

T5=0,5I5ω52=0,5m5ρ52(/r5)2=0,5m55/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)=

=31,92192+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

63,8438+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.