26. Потери энергии на трение в цикловых механизмах. Кпд механизма.

Движение циклового механизма сопровождается не только возникновением переменных сил, приводящим к его внутренней и внешней виброактивности; в движущемся механизме происходят также процессы, связанные с преобразованием энергии.

Основным энергетическим процессом, происходящим в механизме, является преобразование работы движущих сил в работу сил полезного сопротивления, возникающих при выполнении рабочего процесса. Вместе с тем работа движущих сил переходит в механизме в кинетическую энергию его подвижных звеньев, потенциальную энергию действующих на звенья механизма потенциальных сил ( силы тяжести, силы упругости в упругих элементах), а также в работу сил трения, возникающих в кинематических парах. При установившемся движении циклового механизма изменение кинетической и потенциальной энергии за цикл оказывается равным нулю, поскольку в начале и конце цикла координаты и скорости всех материальных точек одинаковы. Поэтому баланс работ за цикл может быть записан для механизма в следующей форме:

, (7.27)

где А_ДС – работа движущих сил, А_ПС – работа сил полезного сопротивления, А_ТР – работа сил трения, характеризующая потери энергии в механизме. Работа сил трения, преобразующаяся в тепловую энергию, приводит к нагреву контактирующих элементов кинематических пар, что вызывает увеличение интенсивности износа и снижение долговечности механизма. Расходы энергии на трение ухудшают экономические показатели работы машины.

В связи с этим потери на трение, возникающие в механизме при выполнении заданного рабочего процесса, должны рассматриваться как одна из важных динамических характеристик, определяющих наряду с внешней и внутренней виброактивностью качество механической системы машины.

П осле проведения кинематического и силового анализа и определения сил трения в кинематических парах вычисление потерь энергии в механизме не вызывает затруднений. Рассмотрим в качестве примера кривошипно-ползунный механизм, показанный на рис.7.13. Предположим, что в некотором положении механизма, определяемом обобщенной координатой q, найдены величины силы трения F в поступательной паре и моменты сил трения во вращательных парах. Тогда, зная скорость движения ползуна и относительные угловые скорости во вращательных парах 0, А, В, можно определить мощность сил трения

(7.28)

Работа сил трения за цикл при равномерном вращении входного звена с угловой скоростью определяется интегрированием этого выражения

Учитывая, что

получаем

(7.29)

Для приближенного вычисления этого интеграла определяются значения сил и моментов сил трения, а также геометрических передаточных функций механизма d / dq, d / dq, dx_B / dq в k дискретных положениях: q = 2s/k (s=0,…,k-1). Далее вычисляется приближенное значение по формуле

(7.30)

Качество механизма может характеризоваться и таким параметром, как коэффициент полезного действия (КПД). Коэффициентом полезного действия циклового механизма при установившемся движении называется отношение работы сил полезного сопротивления за цикл к работе движущих сил:

(7.31)

Для передаточных механизмов с линейной функцией положения КПД может быть определен как отношение мощности полезных сил сопротивления к мощности движущих сил. Величина

  1   , (7.32)

равная, в силу выражения (7.27), отношению потерь на трение к работе движущих сил, называется коэффициентом потерь.

Напомним, что реакции в кинематических парах, а следовательно, и возникающие в них силы трения, зависят как от активных сил полезного сопротивления, так и от сил инерции. Силы инерции в свою очередь определяются законами движения звеньев. Поэтому КПД и коэффициент потерь зависят не только от качества механизма, свойств его кинематических пар, коэффициентов трения в них, но и от режима работы, законов программного движения, рабочей нагрузки. Так, при полном отсутствии полезной нагрузки (А_ПС = 0) силы инерции звеньев механизма будут вызывать реакции в кинематических парах, а следовательно, и силы трения. В этом режиме всегда 0, 1. С увеличением полезной нагрузки при фиксированном законе движения входного звена КПД механизма будет возрастать, поскольку потери на трение будут увеличиваться медленнее, чем работа сил полезного сопротивления.

Чтобы исключить влияние инерционных сил на КПД, можно пользоваться условной расчетной моделью механизма, учитывающей только действие движущих сил и сил полезного сопротивления. В этой модели принимается, что массы всех звеньев равны нулю.

Силы трения, рассчитанные по такой модели, будут в каждом положении механизма пропорциональными полезной нагрузке, и КПД будет характеризовать только свойства кинематических пар.

Для увеличения КПД и уменьшения потерь на трение при конструировании механизмов используются различные методы. Наибольший эффект дает уменьшение коэффициентов трения в кинематических парах. Это достигается применением опор качения вместо опор скольжения, использованием смазки в кинематических парах и т.п.