12

Лекция N7

Уравнения движения механизма

В

Рис. 7.1

ыполнив приведение сил и масс, любой механизм с одной степенью свободы (рычажный, зубчатый, кулачковый и др.), сколь бы сложным он ни был, можно заменить его динамической моде­лью (рис. 7.1). Эта модель в общем случае имеет переменный приведенный момент инерции и к ней приложен суммарный приведенный момент . Закон движения модели такой же, как и закон движения начального звена механизма (см. уравнение 7.1).

Основой для составления уравнения движения механизма с одной степенью свободы служит теорема об изменении кинетической энергии:

(7.1)

Работу совершают все активные силы и моменты и силы трения во всех кинематических парах механизма.

Уравнение движения в энергетической форме. Запишем формулу для кинетической энергии модели, учитывая уравнение (7.1):

(7.2)

Так как вся нагрузка, приложенная к модели, выражается сум­марным приведенным моментом , то сумма работ равна

(7.3)

Здесь переменная интегрирования заменена координатой начального звена, так как

Учитывая (5.16) и подставив выражения (7.2) и (7.3) в основное уравнение (7.1), получим уравнение движения в энергетической форме:

(7.4)

где искомой величиной является угловая скорость начального звена механизма. В общем случае верхний предел интег­рирования в уравнении (7.4) считается пере­менным.

Если вся нагрузка, приложенная к меха­низму, зависит только от его положения, то и суммарный приведенный момент есть функция только координаты . В этом слу­чае уравнение (7.4) решается непосредст­венно относительно искомой величины :

(7.5)

Укажем, что интеграл под корнем имеет знак, который надо учиты­вать.

Уравнение движения в дифференциальной форме. Продифферен­цируем уравнение (7.4 по координате :

Определим производную, стоящую в левой части уравнения, помня, что в общем случае переменой величиной является не только угловая скорость , но и . Поэтому:

откуда

(7.6)

Это и есть уравнение движения в дифференциальной форме, по­скольку искомая переменная величина — угловая скорость на­чального звена механизма - стоит под знаком производной. При пользовании уравнением (7.6) надо помнить, что суммарный при­веденный момент , а также производная суть величины алгебраические и подставляются со своими знаками.

В том случае, когда исследуется механизм, имеющий (например, зубчатый механизм с круглыми колесами), уравнение его движения упрощается и приобретает такой вид:

(7.7)

Уравнение движения в дифференциальной форме (7.6) может быть получено также и из уравнений Лагранжа II рода [2], [4].

Для определения углового ускорения начального звена используем уравнение (7.6), решим его относительно :

(7.8)

Величины и подставляются в уравнение (7.8) со своими знаками. Если угловое ускорение получится со знаком, проти­воположным знаку угловой скорости , то это значит, что началь­ное звено механизма движется замедленно.

Производная подсчитывается или численным дифферен­цированием на ЭВМ, или графическим дифференцированием (см. § 4.2). Другой значительно более точный (но и более трудоемкий) способ определения производной можно найти в литературе

(см.: Минут С. Б. Об определении производной приведенного мо­мента инерции массы звеньев механизма// Науч. тр. МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1970; Зиновьев В. А., Бессонов А. П. Основы динами­ки машинных агрегатов. М., 1964).

Основные режимы движения машины.

П
роцесс движения машины в общем случае состоит из трех фаз: разбега, установившегося режима и выбега (рис. 7.2). Раз­бег (режим I и II) и выбег (режимы IV и V) относятся к неустановившемуся режиму, который ха­рактеризуется непериодическими, т. е. неповторяющимися, измене­ниями скорости главного вала машины (начального звена). Такой процесс движения называют переходным.

Рис. 7.2

При установившемся режиме III скорость главного вала изменяется периодически. В частном случае скорость может быть постоянной. В установившемся режиме работает большинство энергетических и технологических машин. Часто установившееся движение череду­ется с разгонами (при повышениях скоростного режима II) и торможе­ниями (при понижениях скоростного режима IV). Так работают, на­пример, автомобильный двигатель и различные другие транспорт­ные машины. Многие механизмы в установившемся режиме вообще не работают. Это особенно характерно для целого ряда приборов (реле, контакторы и т. п.). Их механизм во время срабатывания (режим VI) переходит из одного положения в другое, не совершая замкнутого повторяющегося кинематического цикла.

Неустановившийся режим движения машины имеет место тогда, когда ее пускают в ход и она, набирая скорость, выходит на установившийся режим, а также тогда, когда для остановки маши­ны ее двигатель выключают, и она продолжает двигаться за счет накопленного запаса кинетической энергии; при этом машина посте­пенно теряет скорость из-за действия сил трения или каких-либо других сил сопротивления, в том числе и специальных тормозных сил. В этих случаях необходимо знать, насколько быстро проис­ходят переход из неподвижного состояния в рабочее, и обратный переход до полной остановки. Применительно к транспортным машинам изучение обратного перехода особенно важно для надеж­ного расчета длины тормозного пути. Исследование неустановив­шегося режима движения дает возможность определить время сра­батывания механизма, что абсолютно необходимо для проектиро­вания многих приборов, таких, как фотозатворы, средства автома­тической защиты и др.

Разгоны (разбеги) и торможения могут происходить с большим ускорением. Это вызывает значительное динамическое нагружение механизма, что, в свою очередь, может привести к перенапряжени­ям и даже к поломкам.

Во время разбега и выбега угловая скорость многих машин проходит через критическую (резонансную) зону. Во избежание динамической перегрузки механизма и возможной аварии проход этой зоны должен быть достаточно быстрым, что надо обеспечить при проектировании, сделав расчет обеих фаз неустановившегося режима. Решение многих других динамических задач также связано с исследованием этого режима.

Таким образом, изучение неустановившихся (переходных) про­цессов весьма существенно для грамотного динамического проек­тирования механизма, машины или прибора.

Для определения закона движения механизма при неустано­вившемся режиме должны быть известны следующие исходные данные: кинематическая схема механизма; характеристики геомет­рии масс всех подвижных звеньев; механические характеристики сил и моментов; начальные условия движения. Последнее важно для исследования именно неустановившегося режима.

Рассмотрим механизм, нагруженный силами и моментами, кото­рые являются функциями только перемещения своих точек приложе­ния. Пусть приведенный момент инерции рассматриваемого меха­низма имеет переменную величину . Требуется определить зависимость скорости начального звена от его угла поворота, т. е. . Подобная задача является весьма распространенной. В каче­стве примеров можно привести механизмы дизель-компрессоров, буровых станков и подъемных кранов с приводом от двигателей внутреннего сгорания, различных устройств с пневмоприводом, приборов с пружинными двигателями и др.

Неустановившееся движение механизма

(переходные режимы работы)

Способами, изложенными в предыдущих лекциях строим диаграммы и , таким образом динамическая задача сводится к следующей: известны зависимости и , требуется определить закон изменения угловой скорости и углового ускорения звена приведения (модели).

Для решения данной задачи нужно взять уравнение движения, составленное в энергетической форме:

(7.9)

Порядок определения искомой угловой скорости таков:

1. Выполняют приведение масс и строят суммарную диаграмму приведенного момента инерции ;

2. По механическим характеристикам строят диаграммы приведенного движущего момента, затем диаграмму суммарного приведенного момента

Если силы тяжести и силы трения значительны, то их приведенные моменты должны войти слагаемыми в величину , т.е.

1. _{Графическим интегрированием строим диаграмму работы суммарного приведенного момента.}

_{По уравнению (7.9) c учетом начальных условий определяют угловую скорость начального звена (модели) и строят зависимость}

Если , то (7.10)

Если , то

Для определения углового ускорения начального звена (модели) используем уравнение движения, составленное в дифференциальной форме, и решим его относительно