ЛК17 (1172690)
Текст из файла
5.3. Силовой расчет механизмов с трением
Рассмотрим два метода силового расчета с трением.
Первый метод (метод последовательных приближений). В первом приближении связи считают идеальными, силами трения пренебрегают. По найденным реакциям находят силы трения и повторяют силовой расчет, считая силы трения известными. Если силы реакции, найденные во втором приближении, незначительно (10-20 %) отличаются от сил реакций, найденных в первом приближении, то силовой расчет на этом заканчивается. Если требуется большая точность, то вычисляют следующие приближения до тех пор, пока разница между значениями сил реакций, найденных в последующем и предыдущем приближениях, не окажется меньше допустимого значения.
В
качестве примера рассмотрим кривошипно-ползунный механизм, изображенный на рис.4.4. Будем считать массу шатуна 2 пренебрежимо малой (рис.5.8, а); тогда силы реакций, приложенные к этому звену в шарнирах А и В, и
, должны быть направлены по линии АВ. Отметим, что при сделанном допущении ползун 3 становится статически определимым.
Первое приближение. Полагая силы трения равными нулю, запишем уравнения кинетостатики для ползуна 3 (рис.5.8, б):
Здесь α – угол наклона звена 2 (и силы реакции ) к линии перемещения ползуна. Отсюда найдем силы реакции в первом приближении:
Приняв, что сила реакции в поступательной паре , найдем силу трения F, действующую на ползун со стороны стойки:
где f – коэффициент трения в поступательной паре. Отметим, что, если , то контакт ползуна и стойки осуществляется по нижней плоскости, и сила трения F приложена так, как показано на рис.5.8, в. Если
, то контакт ползуна и стойки происходит по верхней плоскости, и там же действует сила трения F. Направлена сила трения в любом случае против относительной скорости движения ползуна.
Второе приближение. Составим уравнения кинетостатики для ползуна, полагая, что сила трения F, действующая на ползун со стороны стойки, известна и равна (5.19), высота ползуна равна 2h – см. рис.5.8, в, а сила реакции > 0 (направлена вверх).
Отсюда найдем силы реакции во втором приближении:
Из сравнения выражений (5.21) и (5.18) видно, что значения всех сил реакций изменились:
Полагая, что , можно найти силу трения
и, считая ее известной, найти следующее, третье приближение, и т.д.
Если сила реакции , т.е. направлена вниз, то второе приближение даст следующий результат:
Сравнивая (5.22) с (5.18), получим:
(к+1)-е приближение. Можно показать, что нормальная сила реакции , найденная в (к+1)-м приближении, в случае, когда G3 – (P + Ф3)tgα > 0, определяется по выражению:
Из анализа соотношения (5.23) следует, что при f tgα < 1 разница между силой реакции , найденной в к-м и (к+1)-м приближениях, уменьшается с ростом к. Это соответствует случаю «малого» угла давления α и «малого» коэффициента трения f. При f tgα > 1 разница между силой реакции
, найденной в к-м и (к+1)-м приближениях, с ростом к увеличивается, а сила реакции R03 на каждом приближении меняет знак. При f tgα = 1 сила реакции
, найденной в каждом последующем приближении, равна попеременно то 0, то
.Это означает, что данный метод при условии f tgα
1 неприменим. Схема, соответствующая этому условию, приведена на рис.5.9.
Е сли G3 – (P + Ф3)tgα < 0, т.е.
< 0 (направлена вниз), то несложно получить выражение:
Из соотношения (5.24) следует, что силу реакции и в этом случае можно найти только тогда, когда ftgα < 1; в противном случае (как на рис.5.9) метод последовательных приближений неприменим.
Второй метод. Силовой расчет сводится к совместному решению уравнений кинетостатики, содержащих силы трения в качестве дополнительных неизвестных, и полученных выше соотношений, являющихся математическими моделями кинематических пар с трением (см. п.5.2). При отсутствии избыточных связей число неизвестных оказывается при этом равным числу уравнений. Нетрудно, однако, заметить, что уравнения математических моделей кинематических пар с трением содержат нелинейные функции от входящих в них компонент реакций (модуль, знак реакции и т.п.); поэтому и полная система уравнений силового анализа оказывается нелинейной.
Нелинейность уравнений вызывает ряд существенных осложнений при их решении. Во-первых, процесс определения решения становится более трудоемким; как будет показано ниже, в ряде случаев приходится многократно решать системы линейных уравнений. Во-вторых, может обнаружиться, что в рассматриваемом положении механизма при заданных кинематических параметрах движения и заданных коэффициентах трения система уравнений силового расчета вообще не имеет решения. С физической точки зрения это означает, что исследуемое движение для данного механизма с трением оказывается невозможным ни при каких значениях движущих сил. В этом случае обычно говорят о заклинивании механизма. Частным случаем заклинивания является эффект самоторможения: механизм невозможно вывести из состояния покоя, какую бы силу ни прикладывать к его входному звену. Увеличение движущей силы вызывает в таком механизме увеличение сил трения, уравновешивающих ее действие. В-третьих, система нелинейных уравнений может иметь и несколько решений; иными словами, при одних и тех же активных силах механизм может совершать заданное движение при различных движущих силах и различных значениях реакций. Обычно это происходит в таких положениях механизма, в которых возможно самоторможение, но активные силы и силы инерции имеют положительную мощность, т.е. «помогают» движущей силе, вызывая эффект «оттормаживания». Выяснить, какое из решений будет соответствовать действительным значения реакций и движущих сил, не удается, если оставаться в рамках исходной динамической модели жесткого механизма.
Рассмотрим несколько примеров.
Р асчет плоского рычажного механизма. Обратимся к тому же кривошипно-ползунному механизму, что и при рассмотрении первого метода (см. рис.4.4.). Как и ранее, будем считать массу шатуна 2 пренебрежимо малой, тогда силы реакций, приложенные к этому звену в шарнирах А и В,
и
, должны быть направлены по линии АВ. Зная направление силы
, можно составить независимую систему уравнений кинетостатики для ползуна 3. Полагая, что ползун движется влево, т.е.
< 0 и
и используя модель поступательной пары с трением, описываемую уравнением (5.10), получаем следующую систему уравнений кинетостатики для ползуна (рис.5.10):
–R23cosα + (P + Ф3) + fR03signR03 = 0,
R23sinα + R03 – G3 = 0, (5.25)
–R03a + fR03h = 0.
Здесь а – расстояние от оси шарнира В до линии действия силы реакции , fR03signR03 =F – сила трения. В системе уравнений (5.25) три неизвестных: R23, R03, a. Из третьего уравнения (5.25) находим: a = fh. Из второго уравнения (5.25) выразим R23:
. Подставляя R23 в первое уравнение (5.25), получим R03:
Это уравнение – нелинейное, так как функция signR03 – нелинейна. Найдем решение этого уравнения при различных соотношениях между α и f, а также G3 и Р + Ф3 . Рассмотрим четыре возможных варианта (табл. 5.3):
Таблица 5.3
«малое» трение: f < ctgα | «большое» трение: f > ctgα | |
G3ctgα – (P + Ф3) < 0 | Вариант 1.1. | Вариант 1.2. |
G3ctgα – (P + Ф3) > 0 | Вариант 2.1. | Вариант 2.2. |
Вариант 1.1. «Малое» трение; рабочая нагрузка P и сила инерции Ф3 направлены против скорости ползуна («препятствуют» движению ползуна). Возможно единственное решение при R03 < 0 (sign R03 = – 1):
Контакт ползуна и стойки происходит по верхней плоскости, сила реакции R03 направлена сверху вниз, Это – обычный тяговый режим. Отметим, что вариант R03 > 0 (sign R03 = + 1) невозможен: числитель в дроби (5.26) отрицательный, знаменатель – положительный, следовательно, дробь отрицательна.
Вариант 2.1. «Малое» трение; силы P и Ф3 направлены против оси х («помогают» движению ползуна). В дроби (5.26) числитель положительный, знаменатель – положительный, следовательно, дробь также положительна. Существует единственное решение при R03 > 0 (sign R03 = + 1):
Контакт ползуна и стойки происходит по нижней плоскости, сила реакции R03 направлена снизу вверх. Движение ползуна происходит за счет действия рабочей нагрузки и силы инерции. Это – инверсный тяговый режим.
Вариант 1.2. «Большое» трение; рабочая нагрузка P и сила инерции Ф3 направлены против скорости ползуна. Уравнение (5.26) не имеет решения. Действительно, положив R03 > 0 (sign R03 = + 1), получим ,
т.к. числитель дроби отрицательный, а знаменатель – положительный. При R03 < 0 (sign R03 = – 1) имеем , поскольку числитель и знаменатель дроби отрицательные. Получающееся противоречие показывает, что решения не существует. Этот случай соответствует режиму самоторможения, при котором в рассматриваемом положении механизма и при заданном направлении силы движение вообще становится невозможным.
Вариант 2.2. «Большое» трение; силы P и Ф3 направлены против оси х («помогают» движению ползуна). Тогда уравнение (5.26) имеет два решения. Действительно, полагая, что R03 > 0 (sign R03 = + 1), имеем:
Характеристики
Тип файла документ
Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.
Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.
Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.