Файл: Тайнов А.И. Работа заданных сил в машинах учеб. пособие для студентов вузов.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.07.2024
Просмотров: 169
Скачиваний: 1
М И Н И С Т Е Р С Т В О ВЫСШЕГО И С Р Е Д Н Е Г О С П Е Ц И А Л Ь Н О Г О
ОБ Р А З О В А Н И Я Р С Ф С Р
ЯР О С Л А В С К И Й П О Л И Т Е Х Н И Ч Е С К И Й ИНСТИТУТ
А.И. ТАЙМОВ, Л. А. ТИМОШКИН
РА Б О Т А
З А Д А Н Н Ы Х СИЛ
ВМ А Ш И Н А Х
Научно-методическим Советом института рекомен довано в качестве учебного пособия для студентов вузов
Я Р О С Л А В Л Ь , Ш
a -jme
УДК. 621.61
Тайное А. И., Тчмошкин Л. А., Работа заданных Сил в машинах. Учебное пособие для студентов вузов. Изд. ЯПИ, Ярославль, 1973.
Вкниге изложены методы определения работ внеш них сил, являющихся заданными. Рассмотрены вопросы построения н анализа всех основных видов диаграмм, характеризующих условия работы машины при устано вившемся движении. Решена задача единого метода подхода к установлению закономерностей изменения кинетической энергии машин разных типов и назначе нии. Разработана методика проведения расчета и по строения силовых диаграмм. Рассмотрены условия рабо ты более 10 основных видов машин, получивших широ кое применение в нашем машиностроительной и произ водственной практике.
Вкачестве приложения к работе приводятся графорасчетные задания по анализу условий работы различ ных типов и видов машин.
Работа предназначена для использования в качестве учебного пособия для студентов механических и маши ностроительных специальностей высших учебных зазедепnil при изучении разделов динамики курса теории меха низмов и машин.
Таблиц 35. Иллюстраций 95. Библиография — 33 на именования.
ПР Е Д И С Л О В И Е
Всовременных курсах теории механизмов и машин большое внимание уделяется изучению вопросов динамики машин. В пер вую очередь сюда включаются вопросы силового расчета механиз
мов, установления действительных законов движения их |
звеньев |
под действием заданных сил, регулирования хода машин |
и т. д. |
Исходными данными, при всех этих расчетах и решениях задач динамики машин, являются внешние силы. Для машин — двигате лей таковыми будут движущие силы, для создания которых они по существу и предназначаются. Применительно к машинам всех ос тальных видов и типов к внешним силам относят силы полезных сопротивлений. Поэтому при решении любых задач динамики ма шин эти силы считаются заданными, так как они не вытекают и не являются следствием внутренних законов, связанных с движе нием звеньев механизма.
Но движущие силы и силы полезных сопротивлений обычно на ходятся в сложной функциональной зависимости от ряда факто ров, связанных с условиями работы машин, характером рабочего процесса, происходящего в них, видом и типом машины и т. д. По этому задача правильного учета указанных внешних сил является делом достаточно сложным.
Кроме того, эти исходные данные самым тщательным образом должны быть проанализированы и обработаны, так как в после дующем на основе их необходимо построить ряд диаграмм (при веденных моментов, работ и кинетических энергий), характеризую щих условия работы машин и устанавливающих закономерно сти изменения основных силовых параметров в продолжение всего цикла работы машины при установившемся движении.
Необходимо также отметить, что многие данные, полученные в результате обработки заданных сил механизмов и машин, в даль нейшем могут быть использованы при решении ряда задач дина мики. В частности, при установлении действительных законов дви жения звеньев механизма, установлении коэффициентов периоди ческой неравномерности хода машин, регулировании хода машин, расчете маховых масс и т. д.
Из сказанного следует, что задача правильного учета, |
анализа |
и обработки диаграмм заданных сил имеет исключительно |
важное |
3
значение. Но в нашей технической и учебнойлитературе по теорий механизмов и машин этому вопросу до сих пор уделяется мало внимания. Настоящее пособие, посвященное всестороннему изуче ний вопроса правильного учета работы внешних сил, до некото рой степени должно восполнить указанный пробел.
Впособии рассмотрены вопросы правильного учета и обработ ки данных о работе внешних сил машины, построение основных видов характеристических диаграмм, разработки единой методики построения и анализа силовых диаграмм.
Для лучшего усвоения студентами рассматриваемых вопросоз, Даны примеры решения задач по учету и обработке диаграмм, связанных с работой заданных сил, ряда конкретных машин, имеющих широкое применение в промышленности и народном хо зяйстве страны.
Вкачестве приложения к пособию разработаны графо-расчет- ные задания по учету внешних сил и обработке индикаторных диаграмм и диаграмм сил полезных сопротивлений основных видов производственных машин. Задания рассчитаны для индивидуаль ного выполнения студентами этих работ. Всего разработано 350 ва риантов таких заданий.
Вработе возможны отдельные упущения и погрешности. По
этому авторы |
с искренней благодарностью примут все замечания |
и пожелания, |
направленные на улучшение ее в последующих из |
даниях. Наш |
адрес: г. Ярославль, Московский проспект, 88, Яро |
славский политехнический институт.
1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Задачи динамики машин и механизмов могут быть достаточно разнообразными. Но все они связаны с изучением явлений, проис ходящих в машинах в процессе их работы. Основными задачами динамики машин и механизмов можно считать:
а) определение усилий, действующих на звенья механизма и в
элементах кинематических пар, при заданных законах |
движения |
|||
звеньев механизма, т. е. проведение полного силового расчета; |
||||
б) установление действительных |
законов |
движения |
звеньев |
|
механизма |
и машины, находящихся |
под воздействием |
заданных |
|
сил; |
|
|
|
|
в) решение вопроса о характере |
и способах наилучшего при |
|||
ближения |
действительных законов движения |
звеньев |
механизма |
к заданным условиям их движения, продиктованным требова ниями технологического процесса, т. е. вопроса регулирования хода машин;
г) решение вопроса наиболее рационального размещения звеньев механизма и выбора конструктивных форм элементов ки нематических пар, удовлетворяющих условиям построения высо копроизводительных и эффективных современных машин и меха низмов.
Все указанные здесь задачи динамики машин обычно решают ся и могут быть решены только применительно к исследованию существующих или запроектированных машин и механизмов, структурные, кинематические и конструктивные параметры кото рых уже заранее определены или известны. Однако отметим, что решение любых задач динамики машин и механизмов, включая и перечисленные выше, всегда следует начинать, очевидно, с опре деления сил, действующих на звенья и развивающихся в процессе их движения.
Силы, действующие |
на звенья механизма |
машины, |
обычно |
принято подразделять на |
внешние и внутренние. К внешним |
силам |
относятся движущие силы, стремящиеся ускорить движения звень ев механизма, обычно приложенные к его ведущему звену; силы полезного сопротивления, затрачиваемые на полезную работу, на
выполнение которой и предназначена данная машина, приклады ваемые, как правило, к ведомым звеньям; силы веса звеньев обыч
но либо помогающие, либо препятствующие |
движению |
машины |
или механизма, в зависимости от изменения |
положения |
центров |
тяжести звеньев в процессе их движения; силы, связанные с сопро тивлением среды, возникающие в результате движения машин и механизмов. К внутренним силам машин и механизмов следует отнести силы инерции звеньев механизма, являющиеся по сущест ву, силами реакции масс па изменение направления и величины скорости движения, а следовательно, и возникаемые соответствен но только в процессе движения; силы нормальных и касательных
реакций в элементах кинематических |
пар, |
причем последние |
из |
||
этих сил находятся в сложной функциональной |
зависимости |
от |
|||
многих факторов, связанных с возникновением |
явления |
трения, |
|||
смазки и т. д. |
|
|
|
|
|
Отметим также, что некоторые из |
сил, |
действующих в |
маши |
нах и механизмах, являются постоянными по величине и напраилению. К ним, в частности, относятся силы веса звеньев и других грузов, перемещаемых машинами и механизмами, силы полезных сопротивлений, например, при резании металла с постоянным се чением стружки ит. д. Другие же из сил, действующих в машинах,
являются |
переменными |
как по величине, |
так и по направлению. |
||
Величина |
и направление |
этих сил в |
общем |
случае могут |
зависеть |
от положения звеньев механизма, от |
времени и скорости |
движения |
его звеньев. К таким силам можно отнести, например, силы давле ния газа на поршень двигателя внутреннего сгорания или компрес
сора, силы нормальных и касательных реакций |
в элементах |
ки |
||
нематических пар, силы инерции звеньев и т. д. |
|
|
|
|
Необходимо отметить, что указанные зависимости |
для |
этих |
||
сил в общем случае могут быть представлены |
как |
в |
аналитиче |
|
ской форме, так и в виде различных графиков. |
|
|
|
|
Исходными данными при решении любых задач |
динамики |
ма |
шин и |
механизмов обычно являются для машин-двигателей дви |
|
жущие силы, а для машин-орудий — силы полезных |
, сопротивле |
|
ний. В |
машинах-двигателях силы Р д в , определяемые, |
например, в |
двигателях внутреннего сгорания давлением газа в цилиндре, обыч но записываются при помощи специальных приборов, называемых
индикаторами. Поэтому и сами |
диаграммы давлений P=P(s) в |
таких и подобных им машинах |
получили в технике наименование |
индикаторных диаграмм. Для электродвигателей заданным обычно
является момент движущих сил Мл„. |
Этот момент |
всегда |
нахо |
||||
дится в |
определенной функциональной |
зависимости |
от |
|
угловой |
||
скорости |
вращения |
ротора. Диаграмма |
зависимости, |
записываемая |
|||
в виде Мдв |
=Млв(ы) |
в технике именуется механической |
харак |
||||
теристикой |
двигателя. |
|
|
|
|
||
Силы |
полезных |
сопротивлений Р п с |
или моменты сил |
полезных |
|||
сопротивлений Мпс |
являются основными силами или моментами, на |
||||||
преодоление которых и построена данная машина или |
механизм. |
6
Эти силы или моменты обычно являются заданными, обусловлен ными требованиями технологического процесса. Однако, в виду большого разнообразия технологических процессов, выполняемых машинами и механизмами, в общем случае, зависимости Р„с и М„.. от положения звеньев, скорости и времени могут иметь различный
характер. Поэтому диаграммы сил полезных сопротивлений, |
за |
|||
писываемых в виде |
функций Р„с -• - Яп с (/) | Р п с |
— Рт (s) ] |
и |
анало |
гично М п с = Мп с (/), |
могут быть самых разнообразных конфигура |
|||
ций. |
|
|
|
|
Ниже мы более подробно ознакомимся с основными |
видами |
|||
индикаторных диаграмм машин-двигателей и диаграмм |
сил |
по |
||
лезных сопротивлений машин-орудий, получивших широкое |
при |
|||
менение в современной машиностроительной |
практике. |
Ознако |
мимся с методами обработки этих диаграмм, для получения значе ний соответствующих усилий в зависимости от времени, положения ведомого или ведущего звена механизма. Рассмотрим также при емы приведения сил и моментов, вопросы определения их работы, построения графиков, характеризующих изменения работы и при ращения кинетической энергии машины и механизма в зависимо сти от времени или положения ведущего звена.
В заключение отметим, что в общем случае обработку инди каторных диаграмм и диаграмм сил полезных сопротивлений можно начинать с любого положения звеньев механизма. В конеч ном виде во всех этих случаях результаты получаются одинаковы ми. Только начало координат на всех последующих диаграммах будет размещаться каждый раз в разных точках. Поэтому, исходя из желания установить единообразие решения задачи, предвари тельно условимся обработку индикаторных диаграмм и диаграмм сил полезных сопротивлений во всех случаях начинать с крайних (нулевых) положений ведомых или ведущих звеньев механизма, совершающих соответственно либо возвратно-поступательное, либо качательно-колебательное движение. Указанное положение необ ходимо учитывать уже при кинематическом исследовании соответ
ствующих механизмов. Это значит, |
что определение положений |
||
звеньев механизма, скоростей и ускорений всех его узловых |
точек |
||
необходимо производить, |
начиная |
с нулевого положения |
звеньев |
механизма в нарастающей |
последовательности. |
|
Отметим также, что материалы обработки индикаторных диа грамм и диаграмм сил полезных сопротивлений обычно в дальней шем используются для решения ряда задач динамики машин и ме ханизмов. В частности, они могут быть использованы для уста новления истинных законов движения ведущих звеньев механизма, степени неравномерности их движения, при расчете и определении маховых масс, необходимых для соответствующего регулирования периодической неравномерности хода машин и т. д. Поэтому для получения однозначных конечных результатов во всех случаях, удобных для последующего их использования при решении соот ветствующих задач динамики, условимся также обработку инди-
7
каторных диаграмм проводить, начиная с основного рабочего про цесса притока движущих сил, а обработку диаграмм сил полезных сопротивлений — с холостого хода, т. е. тоже начиная с процесса накопления кинетической энергии. При этих условиях, как уви дим ниже, всегда будут получаться графики работ и кинетических энергий машин и механизмов, удобные для последующего их ис пользования при решении тех или иных задач динамики машин. Это означает, что указанные здесь условия обработки диаграмм и диаграмм сил полезных сопротивлений приводят к однозначному решению задачи.
2. ОБРАБОТКА ИНДИКАТОРНОЙ ДИАГРАММЫ ДВУХТАКТНОГО ОДНОЦИЛИНДРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Рассмотрим рабочий процесс одноцилиндрового двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Пусть основным механизмом та
кого двигателя является аксиальный кривошипно-шатунный |
меха |
|||||||
низм. Заданными для |
такого |
механизма |
являются |
параметры: |
||||
длина кривошипа — г, |
длина |
шатуна — I и |
число оборотов |
глав |
||||
ного вала |
или кривошипа — /г,. Условимся |
считать, |
что |
кривошип |
||||
вращается |
с постоянной угловой скоростью, |
т. е. имеет |
место — |
|||||
coi = const. На рис. 1 приведена схема такого |
механизма, |
построен |
||||||
ного в масштабе ц.,. На схеме одно положение звеньев |
механизма |
показано контурными линиями, а остальные одиннадцать его по ложений— тонкими линиями. Причем, за нулевое положение меха
низма принято одно из его так называемых «мертвых» |
положений, |
|||||
соответствующее началу основного рабочего процесса |
накопления |
|||||
кинетической энергии. На чертеже |
(рис. |
1) |
проведена |
разметка |
||
траекторий |
основных узловых |
точек А |
и |
В механизма, отме |
||
чен ход Я |
точки В механизма |
от |
одного |
«мертвого» |
положения |
|
до другого. |
|
|
|
|
|
|
Будем также считать, что при кинематическом анализе этого механизма, графическим путем или аналитическим, определены скорости и ускорения узловых точек для всех положений механиз ма. Следовательно, известными здесь являются такие кинематиче ские параметры механизма, как VА и VB для всех положений точек
А я В.
Рис. 1
8