6 Уравновешивание механизмов

6.1 Регулирование хода машин

Движение машины можно разделить на три периода: разбег, установившееся движение и выбег. В большинстве случаев наиболее длительным является период установившегося движения, в течение которого машина выполняет технологическую операцию. Установившееся неуравновешенное движение машины характеризуется тем, что кинетическая энергия изменяется в течение некоторого периода времени, но в начальный и конечный моменты периода имеет одинаковые числовые значения. В связи с этим скорость ведущего звена также является величиной изменяемой в течение периода (цикла) работы машины. Периодические колебания угловой скорости наблюдаются в механизмах и машинах, у которых силы, действующие на звенья, изменяются в зависимости от угла вращения ведущего звена. К таким машинам относятся двигатели внутреннего сгорания, поршневые насосы и другие машины.

Колебание скоростей ведущего звена приводят в ряде случаев к нарушению нормальных условий для выполнения рабочего (технологического) процесса машины, вызывают появление дополнительных динамических нагрузок в звеньях и кинематических парах, что приводит к снижению надежности работы машины и ее КПД. Поэтому целесообразно назначить по возможности широкие, но допустимые для удовлетворительной работы машинного агрегата границы колебаний скорости ведущего звена. Требования к амплитуде угловой скорости зависят от тех технологических условий, в которых должен работать механизм.

Кроме периодических колебаний скорости, в механизме могут иметь место и непериодические колебание скоростей, вызванные разными причинами: внезапным изменением полезных или вредных сопротивлений, включением в механизм дополнительных масс и т.д. Такое внезапное изменение нагрузки на механизм вызывает внезапное увеличение или уменьшение угловой скорости ведущего звена. Однако, условия работы требуют поддерживать угловую скорость постоянной. Выполнение этого требования в случае непериодических колебаний скоростей достигается посредством специальных устройств, регулирующих законы изменения либо движущих сил, либо сил сопротивления, которые называются регуляторами. Например, нагрузка турбогенератора, который поставляет электрической сети энергию, зависит от числа и мощности приемников энергии, чем и определяются величины сил сопротивления, прилагаемых к турбине. Регулятор при изменении угловой скорости ведущего вала увеличивает или уменьшает прилив движущих сил к турбине, благодаря чему угловая скорость принимает свое начальное значение.

В некоторых случаях при изменении условий работы возникает необходимость влиять на рабочий орган машинного агрегата, например, при полете на разных высотах самолет находится в воздушной среде разной плотности. В таком случае, если не принимать меры, то угловая скорость его винта на разных высотах будет неодинакова, потому что сопротивление движения винта на большей высоте меньше, чем у поверхности земли. Чтобы сделать сопротивление на разных высотах одинаковым, применяют винты с переменным шагом. Такие винты находятся под действием регуляторов, вращающих лопасти относительно их осей, создавая тем самым большее или меньше сопротивление, испытуемое оборотным винтом. В некоторых механизмах часто пользуются регуляторами, которые изменяют силы сопротивления. Например, в настенных часах механизм - боя поставляется так называемой ветрянкой, что представляет собой пластинку, которая вращается под действием пружины. Когда включается механизм боя часов, ветрянка, вращаясь, испытывает сопротивление воздушной среды, благодаря чему создается постоянная угловая скорость нужной величины. Силы сопротивления регулируются также во многих приборах, что применяются с технической целью.

Регулированием периодических колебаний скоростей при установившемся движении механизма преимущественно выполняются соответствующим отбором масс его звеньев. Практически это достигается посадкой на один из валов механизма дополнительной детали с назначенным моментом инерции. Эта деталь называется маховым колесом или маховиком. Задачей маховика является уменьшение амплитуды периодических колебаний скорости ведущей звена, обусловленных свойствами самих механизмов или периодическим изменением соотношений между величинами движущих сил и сил сопротивления.

Маховик представляет собой колесо с тяжелым ободом, который имеет значительный момент инерции относительно его оси вращения. Влияние маховика на уменьшение колебаний угловой скорости движения ведущего звена машины можно объяснить так. Маховик, насажденный на ведущий вал, вращается с угловой скоростью, что равняется угловой скорости этого вала. Любоекое изменение угловой скорости вращения вала вызывает возникновение момента сил инерции маховика, который препятствует изменению угловой скорости. Чем больший момент инерции маховика, тем большим будет момент сил инерции, а следовательно, и сопротивление изменения угловой скорости. Кинетическая энергия маховика при увеличении угловой скорости растет. Если угловая скорость вращения вала маховика станет уменьшаться, тогда накопленная раньше маховиком кинетическая энергия будет служить дополнительным источником энергии, что способствует уменьшению амплитуды колебаний угловой скорости. Маховик, как аккумулятор кинетической энергии, используется в некоторых транспортных машинах для приведения их в движение. Например, для откатки полезных ископаемых или породы в шахтах, которые не допускают за условиями техники безопасности применения электровозов (опасность срыва газов), используются так называемые гировозы. Помещенный на гировозе маховик разгоняется до 3000 об/мин посредством пневматического двигателя, а затем накопленная кинетическая энергия маховика используется для приведения гировоза в движение.