Змістовий модуль 3. Динамічний аналіз механізмів Лекція 15.
Вступ до динамічного аналізу механізмів і машин
План лекції:
15.1. Загальні відомості. Основні задачі.
15.2. Сили, що діють в механізмах.
15.3. Механічні характеристики машин.
15.4. Режим руху механізмів.
15.1 Загальні відомості. Основні задачі.
При розгляді кінематичного аналізу механізмів, ми вважали, що закон руху ведучих /вхідних/ ланок заданий. Рух ведених /вихідних/ ланок вивчався в залежності від заданого закону руху ведучих ланок. При цьому сили, які діють на ланку механізму, і сили, що виникають при його русі, нами не враховувалися. Таким чином, при кінематичному аналізі, дослідження руху механізмів ведеться з врахуванням тільки структури механізмів і геометричних співвідношень між розмірами їх ланок.
Динаміка механізмів і машин вивчає рух ланок з врахуванням сил, які визивають цей рух.
Основні задачі динамічного аналізу механізмів:
а) Вивчення впливу зовнішніх сил на ланки механізму і їх елементи, на кінематичні пари і нерухомі опори і визначення способу зменшення динамічних навантажень, які виникають при рухові механізму;
б) Вивчення режиму руху механізму під дією заданих сил і визначення способів, які забезпечують задані режими руху механізму.
Перша задача має назву силового, або кінетостатичного аналізу механізмів, а друга задача - динаміки механізмів.
15.2. Сили, що діють в механізмах.
Усі сили, що діють в механізмах, поділяються на:
рушійні сили Fp;
сили виробничого /корисного/ опору Fко;
сили тяжіння ланок Fg /гравітаційні сили/;
сили тертя та інших невиробничих опорів Ff ;
реакції зв’язків FR ;
сили інерції Fі ;
Сила – це дія навколишнього середовища на тіло, яка прагне змінити його стан спокою, або руху.
Величина сили – це міра механічної взаємодії двох тіл.
Всі сили умовно можна розділити на зовнішні і внутрішні. Рушійні сили Fp створюються двигунами, які здійснюють перетворення якогось виду енергії /теплової, електричної, гідравлічної/ у механічну роботу. Ці сили намагаються прискорити рух ланок механізму. Елементарна робота dAp, що здійснюється рушійною силою на елементарному переміщенні dS, завжди додатна:
dAp= FpdScos(Fp^V). /15.1/
Отже, рушійна сила збільшує кінетичну енергію машин. В двигуні внутрішнього згоряння рушійна сила створюється в результаті тиску газу, що розширюється, на поршень. В електродвигуні момент рушійних сил виникає в результаті взаємодії між струмом і обмотці ротора і магнітним полем.
Сили виробничого /корисного/ опору Fко – це сили, для переборювання яких призначена машина /сили опору різання в металообробних верстатах, опору, що виникає при стисканні повітря у компресорах та ін. /.
Сили виробничих опорів з напрямком швидкості точок їх прикладання утворюють тупий кут, або кут, що дорівнює 1800. Елементарна робота dAko, що здійснюється силою Fко на елементарному переміщенні dS, від’ємна :
-
/15.2/
Сила Fко зменшує кінетичну енергію машин.
Робота Ag сил тяжіння Fg ланок, що визначаються матеріалом та конструкцією ланок, на деякому переміщенні h його центра ваги, що відлічується по вертикалі:
Ця робота буває додатна і від’ємна.
До сил невиробничих опорів належать сили опору повітряного чи рідинного середовища переміщенню ланок і сили тертя Ff в кінематичних парах машин. Сили опору і сили тертя виконують від’ємну роботу. Сили тертя являють собою дотичні складові реакції зв’язків у кінематичних парах.
Реакції зв’язків FR можна розкласти на дві складові, з яких одна направлена по нормалі до поверхонь, що утворюють кінематичну пару, а сила тертя – у бік протилежний швидкості елементів цієї пари. Реакції в кінематичних парах виникають не тільки внаслідок дії зовнішніх сил на ланки механізму, але і внаслідок руху мас механізму з прискореннями.
Рух ланок з прискореннями, визиває додаткові динамічні зусилля в кінематичних парах, які являються складовими реакцій і змінюють їх повну величину. Ці додаткові динамічні зусилля можна визначити із рівнянь рівноваги ланок, якщо в ці рівняння, крім заданих зовнішніх, нам уже відомих сил, і реакцій, добавити сили інерції .
Визначення сил інерції ланок, що рухаються з прискореннями, буде розглянуто нижче.
Сили рушійні і сили виробничих опорів, залежно від їх механічних, фізичних і технологічних характеристик, можуть бути сталими чи функціями різних кінематичних параметрів - переміщень, швидкостей, прискорень і часу.
Наприклад, у вантажопідйомних машинах, прокатних станах, сили виробничих опорів залишаються сталими. У машинному агрегаті з двигуном внутрішнього згоряння і поршневим насосом рушійні сили і сили виробничих опорів залежать від положення ведучих ланок.
Рушійні сили і сили виробничого опору визначають за допомогою динамометрів для ряду положень машини за цикл її роботи. Одержані числові значення зображаються у вигляді діаграми сил, робіт, моментів чи потужностей /рис.15.1/.
Діаграми сил
Рис.15.1