Главная >> Методички

Pages: |

| 2 | 3 |

«Теория машин и механизмов Основы проектирования по динамическим критериям и показателям экономичности Учебное пособие москва • высшее образование • 2008 УДК 531.8(075.8) ББК 34.42я73 Л33 Авторы: Леонов игорь ...»

-- [ Страница 1 ] --

И.В. Леонов, Д.И. Леонов

Теория машин

и механизмов

Основы проектирования

по динамическим критериям

и показателям экономичности

Учебное пособие

москва • высшее образование • 2008

УДК 531.8(075.8)

ББК 34.42я73

Л33

Авторы:

Леонов игорь владимирович – доктор технических наук,

профессор МГТУ им. Н. Э. Баумана

Леонов Дмитрий игоревич – кандидат технических наук

Рецензенты:

кафедра ТМ Московского института коммунального хозяйства и строительства (Н.В.Умнов, доктор технических наук, профессор;

А.А.Колобов,доктор технических наук, профессор;

ПанюхинВ.В., доктор технических наук, профессор) Л33 Леонов и. в., Леонов Д. и.

Теория машин и механизмов (основы проектирования по динамическим критериям и показателям экономичности): учеб. пособие. – М.: Высшее образование, 2008. 500 с. (Основы наук).

Изложены теоретические основы проектирования механизмов с учетом производительности и экономичности машин, а также приведены примеры решения ряда задач, представляющих практический интерес. Оценка экономичности расхода энергии производится по методике, разработанной в МГТУ им. Н. Э. Баумана на базе расчёта циклового КПД машин на установившихся и переходных режимах. Содержание работы соответствует курсу лекций, читаемому авторами в МГТУ им. Н. Э. Баумана и зарубежных университетах.

Длястудентовмеханическихиэкономическихспециальностей,изучающихкурс«Теориямеханизмовимашин»и« сновы О проектирования машин», а также аспирантов, научных иинже ерно-техническихработников,занимающихсяпроектин рованиеммашин.

УДК 531.8(075.8) ББК 34.42я © Леонов И. В., Леонов Д. И., ISBN 978-5-9692-0258-0 © ООО «Высшее образование»,

7.1. Цикловой КПД машин при переменной нагрузке................ 7.2. Связь динамических и экономических качеств машины в цикле разгон-торможение при изменении мощности двигателя

7.3. Повышение экономичности при изменении момента переключения

7.4. Повышение экономичности с помощью разгружающего устройства в цикле разгон-торможение

7.5. Повышение экономичности рекуперацией энергии............ Вопросыизаданиядлясамоконтроля

ГЛава 8. Экономичность систем управления машин 8.1. Общие принципы комплексной автоматизации машин..... 8.2. Централизованное автоматизированное управление машиной

8.2.1. Управление по копирам

8.2.2. Следящий привод

8.2.3. Кулачковый командоаппарат

8.2.4. Кулачковый распределительный вал

8.2.5.Числовое программное управление

8.3. Децентрализованные системы автоматизации

8.4. Возможности повышение экономичности машин в процессе проектирования

8.5. Снижение расхода энергии при управлении от ЭВМ

Вопросыизаданиядлясамоконтроля

заключение

Литература

СПИСОк СОкрАщЕНИй И ОбОзНАчЕНИй аЦП – аналого-цифровой ППас – программнопреобразователь поисковая адаптивная система Двс – двигатель внутреннего ро – рабочий орган До – допустимая область ТнвД – топливный насос ДЭа – дизель-электрический высокого давления кД – контакты датчика УЧ – управляющая часть электромагнитного реле преобразователь кПД – коэффициент Эвм – электроннополезного действия вычислительная машина ма – машинный агрегат ЭДв – электродвигатель оУ – объект управления Эмр – электромагнитное реле – действительная часть корня – угол давления – коэффициент скважности – производительность – угловое ускорение – коэффициент потерь – коэффициент полезного – угловая скорость, частота а – ускорение точки (аналог L – длина звена или вторая передаточная M – момент сил с– коэффициент (весовой, Q,N – полная и нормальная жесткости, степенного ряда), реакции постоянная интегрирования Р – шаг, полюс зацепления d – доля потерь, диаметр р – давление, корень F – внешняя сила f – коэффициент трения, G – абсолютный расход, сила T – кинетическая энергия, тяжести, модуль сдвига постоянная времени, g – удельный расход H – управляющее воздействие, U – передаточное отношение h – штрафная функция i,j – номера элементов, W – мощность мнимая часть корня w – степень подвижности В настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы повышения экономичности машин в процессе эксплуатации в установившихся и неустановившихся режимах работы путем оптимального выбора при проектировании механических параметров двигателей, передаточного механизма и рабочей машины. Оно написано в соответствии с программой дисциплины «Основы проектирования машин», которая включает в себя раздел «Теория машин и механизмов». Дисциплина подверглась изменениям за последнее время в связи с требованиями практики проектирования, которые сформировались на основе прогресса вычислительной техники. Пособие построено на критериальной основе проектирования машин с учётом экономичности расхода энергии, производительности и быстродействия. Рассмотрены теория и приведены примеры расчётов КПД машин при работе в установившихся режимах. Для некоторых типов машин основными режимами работы являются неустановившиеся, на которых расход энергии значительно возрастает в связи с увеличением её расхода при разгоне и потерями при торможении. По этой причине в пособии можно встретить примеры машин с управлением от ЭВМ, ДВС и гибридными двигателями, для которых эта проблема является актуальной. При выборе материала авторы пытались соответствовать принятым Правительством РФ «Основным положениям энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2020 года», согласно которым можно отметить необходимость:

• конструирования высоко эффективного энергосберегающего оборудования;

• снижение расхода энергии в промышленности и коммунальном хозяйстве.

Авторы также признательны академику РАН К. В. Фролову – заведующему кафедрой РК-2 МГТУ им. Н. Э. Баумана, сыгравшему решающую роль в утверждении программы дисциплины «Основы проектирования машин», научному руководителю диссертации Д. И. Леонова по теме основ проектирования энергосберегающего оборудования, выводы которой получили отражение в пособии.

Авторы выражают благодарность студентам МГТУ им.

Н. Э. Баумана Р. Буту, В. Волкову, В. Кочкарёву, Лебедеву А., И. Шувалову и другим за помощь при подготовке рукописи к печати.

Главы 1–3 написаны И. В. Леоновым, гл. 5, 7, 8 – Д. И. Леоновым, гл. 4, 6 – авторами совместно.

ВВЕДЕНИЕ

Механика машин связана с теорией механизмов и машин, у истоков которой стоял П. Л. Чебышев – известный математик Петербургской математической школы, характерной особенностью которой была разработка на высоком математическом уровне конкретных задач, представляющих практический интерес. Фундаментальной работой П. Л. Чебышева было создание функций наилучшего приближения на основании анализа точности при синтезе рычажного механизма, получившего его имя. Таким образом, оценка качества проектирования на критериальной основе была принята с самого начала развития науки «Теория механизмов и машин». Качество проектируемых машин связано с полнотой разработки и использования методов оптимального проектирования. Чем полнее учитываются критерии качества по показателям точности, быстродействия, производительности и экономичности, тем совершеннее получается машина.

Анализ состоит в исследовании свойств механической системы при выбранной схеме машины. Синтез или проектирование механизмов машины по заданным свойствам является обратной и более сложной задачей по отношению к анализу. Но разделение на анализ и синтез условно, так как при проектировании машины регулярно проводится анализ выбранных параметров путём сравнения альтернативных решений. Такой сравнительный анализ критериев качеств выбранных вариантов машины и механизмов составляет основу синтеза с использованием ЭВМ. Развитие программного обеспечения позволяет подойти к новым техВведение нологиям проектирования, базирующихся не на графических и аналитических методах, а использующих численные методы решения задач. На формирование курса «Основы проектирования машин» большое влияние оказал прогресс вычислительной техники. Однако применение ЭВМ требует поставить в основу проектирования оптимизационные методы решения задач, так как современные задачи проектирования являются, как правило, многокритериальными.

Особенностью решения таких задач является выбор и обоснование критериев оптимизации, указание границ применимости используемых моделей машин.

Использование метода синтеза по Чебышеву в сочетании с ЭВМ даёт решение практически любой задачи проектирования по критериям точности движения. Не менее сложны задачи синтеза по динамическим критериям и критериям экономичности расхода энергии. Последним вопросам уделяется всё больше внимания в виду огромной практической важности. Исторически первоначально решались задачи синтеза механизмов по кинематическим показателям и геометрическим критериям точности. Затем появилась потребность решения задач динамического синтеза машин, т.е. определения необходимых параметров машин по динамическим критериям. В качестве примера можно привести задачу определения необходимого момента инерции маховика методом профессора Н. И. Мерцалова. Актуальны исследования проблем колебаний в машинах и учёт влияния на них сил трения и упругой податливости звеньев. Особой сложностью и практической ценностью отличаются проблемы повышения экономичности расхода энергии.

Оценка экономичности машин практикуется на базе КПД и критериев расхода энергии. Здесь следует указать на значительную роль в решении практических задач управления процессами в машинах и аппаратах по критериям экономичности расхода энергии учёных под руководством академика РАН А. М. Кутепова и профессора МГТУ им. Н. Э. Баумана В. И. Крутова.

На формирование курса основ проектирования машин большое внимание оказал прогресс вычислительной техники. Однако её применение требует поставить в основу проектирования машин оптимизационные методы решения задач, так как современные задачи проектирования являются, как правило, многокритериальными. Особенностью решеВведение ния таких задач является выбор и обоснование критериев оптимизации, обоснование и указание границ применимости используемых моделей машин.

Отличительной чертой машин будущего будет управление ими по интегральным критериям, дающим всестороннюю оценку машин и протекающих в них процессов с помощью ЭВМ. Создание автоматизированных систем проектирования требует разработки методов синтеза с учетом производительности, эффективности и экономичности машин. Возникает необходимость разработки новых методов оценки качества машин, пригодных для использования на ранних стадиях проектирования. Например, отсутствие самого понятия КПД у большинства технологических машин или невозможность оценки расхода энергии на переходных режимах затрудняет всестороннюю оценку качества машин.

Из изложенного выше следует, что механика машин в настоящем ее виде является комплексной наукой, в которой проблемы экономичности и динамики машин связаны и тесно переплетаются с проблемами их оптимального проектирования на основе использования последних достижений вычислительной техники [10].

ТЕОрИЯ МЕХАНИзМОВ И МАШИН

СТрОЕНИЕ И ХАрАкТЕрИСТИкИ МАШИН 1.1. Строение машинного агрегата Уже несколько веков существование человечества невозможно представить без машин – устройств, различных по назначению и конструкции. Но, несмотря на эти различия, можно четко определить понятие «машина» как устройство, служащее для преобразования энергии, материалов и информации. По своему назначению машины подразделяются на:

• энергетические машины;

• технологические (рабочие) машины;

• транспортные и грузоподъёмные машины;

• информационные машины и др.

Энергетические машины служат для преобразования энергии из одного вида в другой, их можно подразделить на двигатели и рабочие машины. Примерами энергетических машин, с помощью которых возможно преобразование химической, электрической, тепловой, ветровой, солнечной и термической энергий в механическую, могут служить электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания (ДВС), турбины и другие двигатели, являющиеся источниками механической энергии. Компрессоры, насосы, электрогенераторы могут служить примерами рабочих энергетических машин, являющихся потребителями механической энергии, вырабатывая другие виды энергии. Основное свойство рабочих машин – потребление ими энергии, как правило, механической. Характерным примером рабочих технологических машин являются различные механические станки (фрезерные, токарные и т.п.). Примером транспортной машины может служить теплоход, автомобиль, транспортер, примером информационной машины – механические табло, указатели.

Глава 1. Строение и характеристики машин Рабочий процесс преобразования энергии характеризуется определёнными энергетическими показателями, например, давлением, температурой газов и т.п. Эти энергетические параметры, в свою очередь, характеризуют механические параметры машины, определяющие уровень механических напряжений в основных деталях машины, скорости, ускорения и т.п. Примерами механических характеристик машин являются зависимости крутящего момента вала двигателя от угловой скорости его вращения M().В современных рабочих машинах и двигателях обычно имеется орган управления, перестановка которого меняет расход энергии и ведёт в свою очередь к изменению механических параметров. Это свойство изменения механических параметров машин при изменении положения управляющего органа и внешних воздействий характеризует управляемость и устойчивость, что обеспечивает возможность её приспособления к изменению внешних условий. Таким внешним воздействием на работу двигателя является изменение момента сопротивления рабочей машины, часто называемого механической нагрузкой.

Для электрического генератора под нагрузкой понимают величину тока, определяющего механическую нагрузку в виде крутящего момента вала.

Важным свойством энергетических машин, связанным с управляемостью, является их обратимость, т.е. возможность изменения направления потока преобразуемой энергии. Например, при определенном изменении управляющих её параметров электрический двигатель, являющийся потребителем электрической энергии, превращается в генератор электрической энергии, отдавая её в сеть и потребляя механическую энергию. Важность этого свойства машин связана с возможностью рекуперации энергии, т.е. возвращения части обычно теряемой энергии, например при торможении машины, для повторного использования.

Для преобразования движений в машине существует система взаимосвязанных тел – звеньев, образующих механизм.

Механизм – это часть машины, в которой рабочий процесс реализуется путем выполнения механических движений звеньев. Несмотря на значительную разницу в функциональном назначении механизмов, в их строении много общего. Задачей курса основ проектирования машин является раскрытие общих закономерностей в строении машин и механизмов и применение их при проектировании с целью улучшения диСтроение машинного агрегата намических качеств и экономичности расхода энергии. Принято различать два этапа синтеза. Первый – выбор структурной схемы машин и механизмов. Второй этап – определение постоянных параметров выбранной схемы механизмов, например, расчёт длин звеньев и передаточных отношений механизмов. Если требуется обеспечить заданные динамические свойства машины, то решается задача динамического синтеза, т. е. определение параметров, характеризующих распределение работ и энергий в цикле движения, определение необходимых масс и моментов инерции звеньев. Как правило, последующие расчеты деталей на прочность, их конструктивное оформление, выбор материалов и технологии, уже не могут существенно изменить основные свойства механизмов преобразования движений и экономичности расхода энергии машины. Вот почему очень важно на самом начальном этапе проектирования машины заложить в неё возможность достижения высоких показателей экономичности расхода энергии и динамических качеств, определяющих производительность и зависящих от кинематических свойств механизмов преобразования движений.

На практике мы часто встречаем сложные схемы механизмов, получаемые при объединении машин двигателей и рабочих машин. Такое объединение называется машинным агрегатом (МА). Принципиальная схема МА, показанная на рис. 1.1, включает двигатель 1, соединяемый передаточным механизмом 2 с рабочей машиной (РМ) 3. Более Рис.1.1.структурная схема машинного агрегата:

1 – двигатель; 2 – передаточный механизм; 3 – рабочая машина;

4 – управляющее устройство;, M – скорость вращения и крутящий момент вала; U – передаточное отношение между валами;

Глава 1. Строение и характеристики машин детальное развитие схема, представленная рис.1.1 получит позже на рис. 1.2, 1.8 и 1.20.

Автоматическое управление МА осуществляется с помощью управляющего устройства (УУ), часто называемого регулятором 4, который в нашем примере (см. рис. 1.1) воздействует на двигатель 1 путём изменения расхода энергии G с целью изменения крутящего момента M1 и регулирования скорости вращения его вала 1. В первую очередь передаточный механизм 2 необходим в случае различия скоростей вращения валов двигателя 1 и рабочей машины 3 (РМ). С техническим прогрессом скорости вращения двигателей значительно увеличились, в то время как скорости (РМ) возросли не столь значительно, так как их рабочие органы контактируют с естественными природными материалами, свойства которых со временем мало изменились.

В результате возникает необходимость применять передаточный механизм, например, редуктор, коробку передач и др. Роль передаточного механизма заключается в согласовании характеристик двигателя и рабочей машины с целью достижения оптимальных характеристик МА по критериям экономичности, быстродействия и производительности.

Современные машины, как правило, оснащаются системой управления режимами работы или скорости. Под режимом работы машины понимается сочетание основных механических параметров, однозначно определяющих производительность, расход энергии, напряжённое и тепловое состояние деталей и др. Из этих механических параметров часто выделяют нагрузку, под которой обычно понимают крутящий момент Mкр вала машины, и скорость вращения того же вала (рис. 1.1). Комбинация двух этих режимных параметров практически однозначно определяет другие параметры машины, например, мощность Режим работы МА может быть рассчитан наложением механических характеристик (зависимостей крутящего момента Mкр двигателя и РМ от скорости ). Обычно при этом пренебрегают их колебаниями относительно среднего значения, т.е. рассматривают пересечение квазистацинарных характеристик при = const. Среди режимов работы выделяют номинальный, близкий к режиму максимальной мощности и экономичности, а также режим холостого хода, при котором нагрузка отсутствует (Mкр = 0), причём, скорость вращения принимает максимальное max или минимальное значение min.

В основе принципа работы системы управления МА лежит осуществление прямого воздействия на орган управления машиной и определение реакции на это воздействие – так называемой обратной связи. Обратная связь, показанная на рис. 1.1. пунктиром реализуется при помощи специального датчика, передающего информацию о текущей скорости вращения 1 вала 1 двигателя регулятору 4.

Например, в дизельном ДВС в качестве УУ подачи топлива Gиспользуется топливный насос регулируемой производительности, оснащённый центробежным регулятором скорости 1. Более подробно они будут рассмотрены позже. Управляя скоростью вращения вала 1 двигателя, тем самым управляют и скоростью движения машины. Например, управление 1 вала судового двигателя (рис. 1.2) осуществляется с помощью механического регулятора, Рис.1.2.структурная схема силового агрегата судового двигателя:

1 – коленчатый вал с маховиком, соединённый зубчатой передачей 8 с кулачковым валом 7; 2 – шатун; 3 – поршень, 4 – планетарный редуктор, 5 – клапан с пружиной, 6 –толкатель, соединённый Глава 1. Строение и характеристики машин воздействующего на подачу топлива G в цилиндр ДВС.

Однако управление машинами по расходу энергии часто практикуется на основе предварительной информации о характеристиках машин, полученных экспериментальным или расчётным путём. Например, на рис. 1.2 показана структурная схема силового агрегата судового двигателя, в котором система управления воздухоподачей осуществляется клапанами 5 ДВС с помощью кулачкового вала 7, связанного с коленчатым валом 1зубчатой передачей 8.

Рабочий процесс в цилиндре ДВС осуществляется подачей топлива и открытием и закрытием клапанов, оптимальные фазы движения которых выявляются путем экспериментальных испытаний на стенде.

1.2. Функциональные элементы Классификация механизмов может быть основана на их функциональных свойствах преобразования или движений.

В этом случае имеет смысл говорить о ведущем или входном звене, служащим источником движения остальных звеньев.

Такое звено также часто называют начальным в том смысле, что скорость его задается в начале расчета и служит для определения скоростей других звеньев. С выходным звеном обычно связан рабочий орган. В технологических машинах рабочим или исполнительным органом называется звено, выполняющее движение с целью изменения формы или размеров обрабатываемой детали (материалов).

Двигатель как правило соединяется с рабочей машиной передаточным механизмом. Например, планетарный зубчатый редуктор 4, движение колёс которого напоминает движение планет, изображённый на рис. 1.2, соединяет вал 1ДВС и выходной вал винта 9, являющегося рабочим органом. Зубчатый редуктор 8 соединяет ведущий вал и ведомый кулачковый вал 7 привода клапанов 5. Если соединяемые передаточным механизмом звенья совершают вращательные движения, то его характеристикой является передаточное отношение, равное отношению скоростей вращения валов. Поэтому передаточное отношение равно проФункциональные элементы машинного агрегата изводной угловой координаты выходного звена 7 по координате входного звена реальное w = 1. Ролик используется для снижения трения и его вращение не влияет на поступательное движение толкателя. Такая подвижность называется пассивной и благоприятно влияет на возможность снижения износов. Пассивная подвижность часто используется для «самоустановки» звеньев, снижения неравномерности нагрузки и износов кинематических пар.

Большинство механизмов, применяемых в технике, имеют одну степень свободы. Примером механизма с w = может служить механизм дифференциала автомобиля. Механизмы с тремя и более степенями свободы свойственны манипуляторам, число степеней свободы которых равно числу независимых приводов (двигателей).

1.2.2. Характеристики энергетических и рабочих машин 1.2.2.1. Характеристики тепловых двигателей Первым промышленным двигателем была паровая машина. В паровой турбине используется пар высокого давления, потенциальная энергия которого превращается в механическую работу при его расширении на лопатках, закрепленных на вращающемся валу. В газовой турбине, аналогично паровой, энергия газов после сгорания топлива в камере сгорания преобразуется на лопатках. Воздух в камеру сгорания подается лопаточным компрессором. ЭконоГлава 1. Строение и характеристики машин Рис.1.7. Схема передачи энергии в карьерном самосвале беЛаз, 1 – тепловой двигатель, 2 – электрогенератор, 3 – электродвигатель, 4 – редуктор, 5 – ведущие колёса, 6 – объединенный регулятор скорости и нагрузки мичность расхода энергии газовой турбины обычно ниже ДВС, но газовая турбина получила широкое использование в авиации из-за небольшой массы и габаритных размеров при высокой мощности.

При использовании турбин на наземных транспортных машинах размеры передаточного механизма из-за высоких скоростей вращения роторов становятся неприемлемо большими. Поэтому часто идут на создание сложного МА (рис. 1.7), в котором в качестве передаточного устройства применяют электрический генератор и электродвигатель.

Значительным преимуществом такой схемы передачи энергии является легкость управления МА в электрическом контуре электрогенератор – электродвигатель.

Двигатели внутреннего сгорания Из-за низкого расхода топлива получили широкое распространение ДВС, преобразующие химическую энергию топлива при сгорании его в его цилиндре. Движением вверх поршня 3 кривошипно-ползунного механизма (рис.

1.8,а) производится сжатие горючей смеси или воздуха. В конце сжатия близко к верхней мертвой точке (ВМТ) поршня начинается процесс сгорания, и при движении поршня вниз осуществляется расширение (рабочий ход) с совершением полезной работы. В двухтактном ДВС полный цикл работы соответствует одному обороту кривошипа цикла = 2, открытием клапанов около нижней мертвой точки (НМТ) начинается газообмен: процесс выпуска продуктов сгорания, затем процесс наполнения цилиндра. Изменение давления в цилиндре р и работа четырехтактного ДВС иллюсФункциональные элементы машинного агрегата Рис.1.8. схема дизельного Двс (а) и индикаторная диаграмма (б):

1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – поршень; 4 – цилиндр; 5 – клапан; 6 – топливная форсунка; 7 – топливный насос высокого давления (ТНВД); 8 – регулятор скорости 1 коленчатого вала 1;

9 – редуктор привода; SВ – перемещение поршня 3; р – давление в цилиндре 4; I – сжатие; II – рабочий ход; III – выпуск;

трировано индикаторной диаграммой р(SВ) на рис. 1.8,б, где имеют место такты: I – сжатие; II – рабочий ход (сгорание, расширение); III – выпуск газов; IV – всасывание.

Cжатие и рабочий ход осуществляются за два хода поршня (Н = 2LOA – максимальное перемещение поршня вверх и вниз; угол = 2). Газообмен в цилиндре 4-х тактного ДВС и полный цикл работы осуществляются за два оборота коленчатого вала цикла = 4 с помощью кулачковых валов, связанных с коленчатым валом редуктором с передаточным числом U = 2 (см. рис. 1.2 и 1.8).

Схема многоцилиндрового ДВС выбирается таким образом, чтобы обеспечить равномерное чередование рабочих циклов разных цилиндров. Диаграммы работ отдельных цилиндров накладываются друг на друга со сдвигом фаз i, определяемым числом цилиндров i. Площадь внутри индикаторной диаграммы (см. рис. 1.8,б) характеризует работу за цикл. Одновременно индикаторная диаграмма относительно линии атмосферного давления является и диаграммой сил, действующих на поршень. Поскольку в такте расширения при движении поршня вниз работа Глава 1. Строение и характеристики машин Рис.1.9. механическая характеристика дизеля:

Мкр – крутящий момент;, max – текущая и максимальная скорости сил давления в цилиндре положительна и превышает отрицательную работу при движении поршня вверх в такте сжатия, то общая сумма работ сил давления за цикл положительна и сила давления газов на поршень является движущей. Индикаторные диаграммы ДВС определяются не только числом тактов, но также типом рабочего процесса:

бензиновый ДВС с искровым зажиганием рабочей смеси в цилиндре или дизельный двигатель с самовоспламенением топлива, впрыскиваемого в цилиндр форсункой в конце такта сжатия воздуха с помощью топливного насоса высокого давления (ТНВД).

Схема механизмов дизеля показана на рис. 1.8, механическая характеристика представлена на рис. 1.9. Его работу обеспечивают следующие системы:

• система питания топливом низкого давления из бака;

• система питания топливом высокого давления – (ТНВД);

• система охлаждения двигателя;

• система смазки;

• система газораспределения (кулачковые распределительные валы);

• регулятор скорости, который осуществляет изменение подачи топлива G через форсунку в зависимости от скорости вращения коленчатого вала 1;

• система турбонадува, которой часто оснащаются современные дизели, она позволяет повысить мощность и экономичность расхода энергии. Турбокомпрессор включает расположенные на одном валу газовую турбину, испольФункциональные элементы машинного агрегата зующую энергию отходящих газов, и компрессор, который сжимает воздух, поступающий в цилиндр ДВС.

ПреимуществадизельногоДВС:

• автономность, так как используется энергия жидкого топлива;

• высокая экономичность расхода топлива;

В настоящее время получают распространение дизельэлектрические агрегаты (ДЭА) – комбинированные двигатели, обладающие повышенной экономичностью на неустановившихся режимах работы за счёт рекуперации энергии при торможении.

Бензиновый ДВС имеет меньшие массу и стоимость по сравнению с дизелем, но экономичность его ниже. Наиболее экономичным тепловым двигателем является дизельный ДВС, максимальный КПД которого достигает 0,35. Энергетический баланс дизеля, характеризующий распределение энергии топлива, показан на рис. 1.10. Площадь круга диаграммы пропорциональна химической энергии топлива, принимаемой за 100%, а площади отдельных сегментов – долям использования этой энергии топлива.

Рис.1.10. Энергетический баланс Двс на номинальном режиме – КПД или доля полезной мощности на валу ДВС;

– доля потерь тепла с отходящими газами (ОГ);

– доля потерь тепла в системе охлаждения;

доля энергии, затрачиваемая на привод – вспомогательных агрегатов.

Глава 1. Строение и характеристики машин Экономичность машин с тепловым двигателем резко падает при снижении используемой мощности в эксплуатации. КПД теплового двигателя может быть повышен за счет применения теплофикационного цикла – использования тепловой энергии отходящих газов и пара для технических нужд.

1.2.2.2. Характеристики электродвигателей Схема трехфазного электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором показана на рис. 1.11. Его отличает: простота устройства и эксплуатации, низкая стоимость, высокие надежность и экономичность расхода энергии. Однако электрическая энергия часто производится с помощью тепловых двигателей, поэтому её стоимость гораздо выше энергии, заключённой в топливе, используемом ДВС.

Принцип действия асинхронного двигателя основан на том, что обмотки статора 1, питаемые трехфазным током, создают вращающееся со скоростью син магнитное поле, которое пересекает проводники ротора 2, на которые действует крутящий момент Mкр. Однако, этот момент является движущим Мкр = Мдв > 0 до тех пор, пока угловая скорость Рис.1.11. схема асинхронного электродвигателя:

1.2. Функциональные элементы машинного агрегата Рис1.12. статическая характеристика асинхронного ЭДв:

1 – область работы двигателя; 2 – область противовключения;

3 – область работы электрогенератора ротора < син. При = син двигатель работает на холостом ходу с Mкр = 0.

Статическая характеристика (рис. 1.12) асинхронного электродвигателя может быть описана в виде где Мкр, – крутящий момент и угловая скорость ротора;

син – синхронная скорость; Мкрит, Sкрит – критические момент и скольжение при Mкр = М крит.

Асинхронный двигатель может работать в различных режимах:

1) в режиме двигателя, в котором крутящий момент Мкр и скорость вращения ротора имеют одинаковые направления 0 < < син. Двигатель потребляет энергию из сети и создаёт движущий момент Мкр = Мдв > 0;

2) в режиме противовключения, который образуется путем переключения двух обмоток при неизменной скорости Глава 1. Строение и характеристики машин вращении ротора. При этом направление вращения магнитного поля меняется и возникает момент сопротивления Мсопр = М кр < 0;

3) в режиме электрогенератора, где скорость вала превышает синхронную скорость магнитного поля > син, а крутящий момент ротора Мкр направлен в сторону, обратную скорости вала, и представляет собой момент сопротивления вращению Мкр =Мсопр < 0. При этом движущий момент необходимо приложить к валу извне. В данном режиме торможения двигателем вырабатывается электроэнергия, которая отдается в сеть. Это положительное качество – обратимость машины из двигателя в генератор у асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором не легко использовать из-за трудности его включения в систему управления.

4) на холостом ходу при хх = сини Мкр =0.

Номинальный режим двигателя выбирается на линейном участке характеристики, которую можно описать уравнением где а и b – постоянные коэффициенты.

Электродвигатель постоянного тока Электрическая машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном или генераторном. Электрическая схема с выделенным Uов – напряжением на обмотке возбуждения, с помощью которого она включается в систему управления, показана на рис. 1.13. Соединение обмотки возбуждения, которая создаёт магнитный поток, может Рис.1.13. Электрическая схема электродвигателя постоянного тока:

UOB – напряжение на обмотке возбуждения; UЯ – напряжение питания якоря ЭДВ; –скорость вращения вала 1.2. Функциональные элементы машинного агрегата Рис.1.14. Характеристика электродвигателя –скорость вращения вала; Mкр – крутящий момент;

UOB – напряжение на обмотке возбуждения быть параллельным обмотке якоря, последовательным или комбинированным. Механическая характеристика изображена на рис. 1.14 и имеет следующие области работы:

• в режиме электродвигателя (ЭДВ), который потребляет энергию из сети и создаёт движущий моментМкр = Мдв > 0, совпадающий со скоростью вращения ротора ;

• в тормозном режиме.

В генераторном режиме, или режиме рекуперативного торможения, крутящий момент направлен в сторону, обратную скорости вала, и представляет собой момент сопротивления вращению Мкр =Мсопр < 0. При этом движущий момент необходимо приложить к валу извне. В данном режиме торможения двигателем вырабатывается электроэнергия, которая может быть использована для рекуперации энергии при торможении двигателем. Примерами рекуперативного торможения являются:

• быстрый спуск груза на кране, когда двигатель включён в направлении спуска;

• перевод машины с большей скорости на меньшую, когда запасённая кинетическая энергия «перекачивается» в аккумулятор или обратно в сеть.

Режим работы противовключением получается в результате мгновенного переключения обмоток двигателя на противоположное вращение, при этом электрическая машина Глава 1. Строение и характеристики машин потребляет мощность из электрической сети и механическую мощность с вала. Например:

• спуск груза на кране, когда его момент превышает момент двигателя и якорь вращается в обратную сторону;

• ускоренный принудительный останов шпинделя токарного станка для съёма, установки или измерения детали за счёт переключения двигателя на обратное вращение.

Статическая характеристика двигателя описывается линейным уравнением, где коэффициент пропорциональности b = ;

R – сопротивление; k – константа; – магнитный поток;

U я – скорость вращения холостого хода М = 0.

Напряжение питания якоря Uя = Е + IR связано с током в цепи якоря I и электродвижущей силой Е=k.

Следует отметить удобство управления, при котором происходит обратимость электрической машины с независимым возбуждением из двигателя в генератор путём изменения напряжения на обмотке возбуждения Uов. Применение одной и той же машины и как двигателя, и как генератора позволяет повысить экономичность на неустановившихся режимах, полезно используя запас кинетической энергии при торможении машины. Процесс «перекачки» энергии электрогенератором в аккумулятор при торможении машины и, наоборот, из аккумулятора в ЭДВ при разгоне или установившемся движении является примером рекуперации энергии.

гидравлического привода машин Системы автоматики, использующие гидравлическую энергию, могут содержать следующие элементы: 1 – гидроаккумулятор; 2 – механизм управления, позволяющий отключать или менять направление движения (реверсирование) потока жидкости; 3 – рабочий орган (поршень гидроцилиндра); 4 – исполнительный механизм (гидроФункциональные элементы машинного агрегата Рис.1.15. схема гидравлического привода:

1 – гидроаккумулятор; 2 – золотник; 3 – рабочий орган исполнительного механизма 4;5 – бак; 6 – насос;7 – разгрузочный клапан; 8 – обратный клапан; 9 – шариковый клапан; 10 – пружина;

цилиндр); 5 – бак; 6 – гидравлический насос. Схема гидравлического привода с питанием от гидроаккумулятора показана на рис. 1.15. Шестерёнчатый насос 6 приводится во вращение от двигателя (не показан на схеме) и питается маслом из бака 5.Питание гидроцилиндра 4 осуществляется с помощью обратного клапана 7, пропускающего масло от насоса под давлением в гидроаккумулятор и сохраняющего давление в нём и при открытии разгрузочного клапана 7. Управление перемещением поршня 3 исполнительного механизма 4 осуществляет механизм управления потоком жидкости 2(золотник), перемещение которого влево сообщает левую полость гидроцилиндра 4 с гидроаккумулятором 1, а правую полость гидроцилиндра 4 с баком 5, что вызывает перемещение поршня 3 вправо, т.е. в обратную сторону движения золотника 2. И наоборот, перемещение золотника 2 вправо вызывает перемещение поршня исполнительного механизма 4 влево. Величина давления в гидроаккумуляторе 1 задаётся предварительной деформацией пружины 9разгрузочного клапана 6.

После того как давление в гидроаккумуляторе 1 при израсходовании жидкости упадет до нижнего допустимого предела, шариковый клапан 9 перемещается вправо и закрыГлава 1. Строение и характеристики машин вается, происходит подзарядка давлением гидроаккумулятора от насоса 6. Как только давление достигнет требуемой величины, поршенёк 11 разгрузочного клапана 7, преодолевая усилие пружины 10, открывает шариковый клапан 9.

Нагнетательная полость насоса 6 соединяется сливной магистралью с баком 5 и происходит разгрузка насоса 6. Так как при открытом разгрузочном клапане 7 насос 6 работает вхолостую, то он практически не потребляет энергии. Система с гидроаккумулятором имеет более высокий КПД, чем гидросистема с насосом постоянной производительности и управлением перепуском сжатой жидкости в бак.

1.2.2.4. Характеристики рабочих машин В рабочих машинах процесс совершается за счет подвода механической работы (энергии) от двигателя. Наибольшей простотой отличаются роторные машины, которые (рис.1.16) используются в качестве рабочего органа лопатки (гребные винты судов, осевые компрессоры и насосы, гидротормозы и т.п.).

Момент сопротивления Mсопр = kn роторных машин (см. рис. 1.16) является функцией скорости вала, где:

k – коэффициент; n > 1 – показатель степени. Крутизна характеристики = f () зависит от угла наклона лопасти к оси вращения винта. Это явление используется в винтах регулируемого шага, в которых можно получить семейство кривых разной производительности при различных наклонах.

Поршневые компрессоры и насосы Поршневые компрессоры и насосы используются для сжатия рабочих тел. Принципы их работы похожи, но отличия заключаются в рабочем теле. У компрессоров рабочим телом являются газы, обладающие значительной сжимаемостью, у насосов – жидкости, сжимаемостью которых можно пренебречь. Управление производительностью осуществляется перепуском рабочего тела на впуск или изменением скорости вращения вала. В качестве механизма 1.2. Функциональные элементы машинного агрегата Mсопр Рис.1.16. схема (а) и характеристики (б) поршневых насосов и компрессоров используется кривошипно-ползунный (см. рис.1.5). Процессы в одноступенчатых компрессорах и насосах осуществляются за один оборот кривошипа в два такта.

1. Сжатие, когда при движении поршня вверх оба самодействующих клапана закрыты. При достижении рабочего давления автоматически открывается выпускной клапан и газы из цилиндра вытесняются в ресивер. Работа за цикл сжатия отрицательна.

2. Всасывание, когда при движении поршня вниз сначала происходит снижение давления в мёртвом пространстве цилиндра, а затем под действием разряжения открывается всасывающий клапан и происходит заполнение цилиндра.

При давлении ниже атмосферного будет преодолеваться сила сопротивления и затрачиваться работа, которая имеет отрицательный знак, определяемый косинусом угла давления 180о между силой давления и скоростью поршня.

Плунжерный топливный насос высокого давления регулируемой производительности с управлением от Эвм Плунжерный топливный насос высокого давления (ТНВД) регулируемой производительности применяется для впрыскивания топлива через форсунку в цилиндр дизеля как было показано на (см. рис. 1.8.). Такой насос Глава 1. Строение и характеристики машин Рис.1.17. Топливный насос высокого давления ТнвД дизеля:

1 – кулачок; 2 – толкатель; 3 – пружина; 4 – плунжер; 5 – отсечная кромка плунжера; 6 – отсечное отверстие гильзы; 7 – полость низкого давления; 8 – электромагнитный клапан (ЭМК); 9 – отверстие (ЭМК); 10 – форсунка; 11 – трубопровод; 12 – запорный клапан, 1.2. Функциональные элементы машинного агрегата (рис. 1.17) состоит из корпуса с полостью, заполняемой топливом низкого давления р = (56)105 Па. Внутри корпуса располагается связанный с коленчатым валом распределительный вал с числом кулачков 1, равным числу цилиндров. Толкатель 2 прижимается к кулачку 1 пружиной 3 и соединён с плунжером 4, двигающимся в гильзе 13, закрепленной в корпусе насоса. Внутри корпуса расположен управляемый микроЭВМ электромагнитный клапан (ЭМК) 8 с пружиной, который закрывает отверстие 9, сообщающее полость низкого давления 7 с надплунжерным пространством гильзы 13, где происходит сжатие топлива.

В нижней части гильзы 13 выполнено отсечное отверстие 6, сообщающее полости высокого и низкого давлений, которое перекрывается плунжером 4 на части его хода. При движении плунжера 4 вниз полость высокого давления над плунжером заполняется топливом, поступающим из полости низкого давления 7.

В начальный период подъема плунжера 4 часть топлива вытесняется через нормально открытое отверстие 9 обратно в полость низкого давления. Когда (по сигналу ЭВМ) ЭМК 8 перекроет отверстие 9 в гильзе 13, давление топлива над плунжером 4 повышается и топливо под давлением р = (200 1000)105 Па поступает через трубопровод 11 и запорный клапан 12 к форсунке 10. При дальнейшем движении плунжера 4 вверх подача топлива в цилиндр продолжается до тех пор, пока отсечная кромка 5 плунжера не откроет отсечное отверстие 6 в гильзе 13. В результате давление топлива в форсунке резко падает, подача топлива прекращается, несмотря на продолжающееся движение плунжера 4 вверх. Управление количества подаваемого топлива G в форсунку 10 достигается закрытием ЭМК с помощью ЭВМ. Более простые ТНВД имеют механическое управление топливоподачей путём поворота плунжера, имеющего винтовую отсечную кромку 5.

1.2.2.5. Перспективные гибридные машины В настоящее время ещё не выработано «классической»

схемы электромобиля и выпускаются экспериментальные образцы машин. Схема машины, которую мы рассмотрим, является достаточно сложной, но обладает рядом преимуществ. Гибридный автомобиль по схеме рис. 1.18 может Глава 1. Строение и характеристики машин Рекуперация при торможении Рис.1.18. Принципиальная схема гибридного автомобиля:

1 – ДВС; 2 – коробка передач; 3,4 – колеса; 5 – редуктор;

6 – обратимый электромотор – генератор; 7 – аккумулятор;

8 – электрогенератор; 9 – устройство зарядки аккумулятора от внешней сети; 10 – управляющее устройство получать движение от электродвигателя, работающего от аккумулятора, заряжаемого от стационарной сети. По такой схеме работают самые простые электромобили, не обладающие значительной автономностью. Автомобиль может быть оснащен ДВС 1 малой мощности как для зарядки аккумулятора 7, так и для привода колес 3. Схема электромобиля с приводом колёс от электродвигателя (ЭДВ) позволяет использовать рекуперацию энергии при торможении путём перевода ЭДВ в генераторный режим для подзарядки аккумулятора.

Таким образом, гибридный автомобиль может быть использован при различных комбинациях основных элементов, управляемых от бортовых миниЭВМ. Его преимущество – высокая экономичность расхода энергии и низкая степень загрязнения атмосферы выхлопными газами ДВС, который служит в качестве резерва дополнительной мощности или для подзарядки аккумулятора при отсутствии электрической стационарной сети. Недосататком этой машины является малонадежный тяжелый и дорогой электрический аккумулятор. Поэтому продолжаются исследования по созданию более эффективных аккумуляторов энергии, классификация которых основывается на роде аккумулируемой энергии:

1.2. Функциональные элементы машинного агрегата Рис.1.19. маховичный аккумулятор с электромотор-генератором:

1 – электромотор-генератор; 2 – маховик • электрический аккумулятор;

• пневматический аккумулятор;

• гидравлический аккумулятор;

• механический аккумулятор (пружина);

• маховичный аккумулятор.

По величине удельного запаса энергии на единицу масса маховичный аккумулятор конкурирует с электрическим.

Однако электрическая энергия предоставляет наибольшие удобства для использования потребителем. Поэтому целесообразно объединение маховичного аккумулятора с обратимым электрическим мотор-генератором, управляемым от ЭВМ (рис. 1.19). Запас механической энергии накапливается в маховике, выполненным из намотанной на вал ленты и вращающемся в вакууме для снижения механических потерь. Соединённый с валом мотор-генератор обеспечивает обмен энергии между маховиком и потребителем в наиболее удобной для последнего электрической форме энергии.

В настоящее время получают распространение дизельэлектрические агрегаты (ДЭА), объединяющие дизельный двигатель и электродвигатель, у которых расход энергии в неустановившихся режимах на 15–20% ниже традиционных ДВС. На установившемся режиме ДЭА может работать как дизель или как электродвигатель, в режиме разгона используется суммарная мощность ДВС и электродвигателя, питаемого от аккумулятора. При торможении дизель отключается, а электродвигатель переводится в режим генератора для подзарядки аккумулятора. Повышение экономичности ДЭА объясняется снижением номинальной мощности ДВС и использованием при разгонах электродвигателей, которые при рекуперативном торможении машины переводятся Глава 1. Строение и характеристики машин Рис.1.20. схема управления грузового 1 – двигатель; 2 – сцепление; 3 – коробка передач;

4 – замедлитель; 5 – тормозные колодки; 6 – водитель;

в режим электрогенераторов. Управление таким ДЭА осуществляется от бортовой ЭВМ машины.

Краткое рассмотрение некоторых двигателей и рабочих машин позволяет сделать вывод, что механические характеристики машин зависят от положения органа управления, определяющего напряжение, подачу топлива G в цилиндр ДВС и т. п. Режим работы МА (определяемый положением точки с координатами Мкр, на механической характеристике) меняется как при перестановке органа управления машины, так и при изменении внешней нагрузки, например, крутящего момента, потребляемого тока, расхода рабочего тела и т. п.

1.2.2.6. Управление машины от Эвм Основной тенденцией развития машин является управление их с помощью ЭВМ, что позволяет повысить точность работы, снизить расход энергии в эксплуатации и улучшить другие параметры. Управление некоторыми высокоскоростными машинами невозможно без ЭВМ. Конструктор при 1.2. Функциональные элементы машинного агрегата проектировании машины должен учитывать особенности их управления. Например, управление ТНВД от ЭВМ позволяет корректировать топливоподачу в цилиндр дизеля в зависимости от многих быстро меняющихся параметров в каждом рабочем цикле.

В качестве примера на рис. 1.20 показана схема управления от бортовой ЭВМ грузового автомобиля фирмы «Renault Track», оснащённого автоматической коробкой передач, выбор передаточного отношения которой производится автоматически управляющими устройствами от микроЭВМ с учётом наличия груза и угла наклона дороги, определяющих нагрузку дизельного ДВС.

вопросы и задания для самоконтроля 1. Расскажите о роли передаточного механизма в машинном агрегате.

2. Какими параметрами характеризуются свойства передаточного механизма?

3. Назовите параметры, характеризующие механическую характеристику машины.

4. Что понимается под рекуперацией энергии и зачем она производится?

5. Что такое обратимость машины и какова её роль в повышении экономичности машин?

6. Чем объяснить тенденцию развития управления машин с помощью ЭВМ?

ОбщИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОкАзАТЕЛЯХ 2.1. Основные характеристики Основные характеристики машины отражают как потребительские требования, так и ее внутренние параметры, не связанные непосредственно с требованиями потребителя, но характеризующие технический уровень производства. Они могут быть различны для разных классов машин, но наиболее общие из них определяют область применения машины и ограничения при эксплуатации. Кроме того, как правило, они характеризуют вид используемой машиной энергии, экономичность расхода энергии, производительность, динамические качества, точность работы, мощность, массу и габаритные размеры, а также экологические показатели. Трудно предопределить какие из этих общих характеристик являются наиболее важными, но они должны всесторонне характеризовать качества проектируемой машины.

Абсолютные показатели, такие, как масса и габаритные размеры, необходимо знать для размещения машины в производственных условиях, при монтаже и транспортировке. Масса и габаритные размеры могут применяться при вычислении удельной производительности на единицу занимаемой площади, объема или массы и характеризовать соотношение между соответствующими показателями машины и выпускаемой продукцией. Например, важным показателем транспортных машин является отношение массы перевозимого груза к собственной массе машины. Относительные показатели более информационны при сравнении альтернативных проектов на ранОсновные характеристики и требования к машинам ней стадии проектирования нежели абсолютные. В то же время производительность машины характеризуется абсолютными единицами, например, количеством продукции, производимой в единицу времени, или временем, потраченным на производство единицы продукции.

Оценка экономических показателей нужна не только для определения стоимости машины, но и расходов при эксплуатации на поддержание ее технического состояния и обеспечение рабочего процесса, а также показателей продолжительности нормального функционирования машины. Важной является оценка экономической эффективности машины, которая характеризуется как стоимостными показателями, так и показателями производительности и абсолютного G и удельного g расхода энергии, отнесен ного к затрачиваемой энергии на производство продукции. Например, удельная экономичность расхода энергии оценивается как Отсутствие на начальных этапах проектирования машин точных данных о многочисленных параметрах затрудняет оценку экономических показателей. Поэтому часто экономические показатели заменяют сходными техническими показателями. Например, расход энергии G подменяется оценкой установленной номинальной мощности двигателя W, КПД и т.п.

Потребитель может предъявить множество требований к машине. Успех на рынке, дающий наибольшую прибыль и производителю, и продавцу машины, определяется ее способностью удовлетворить наиболее важные потребительские требования. Большинство предъявляемых к машине требований касаются ее производительности, надёжности и экономичности. Характеристиками надежности, т. е. способности выполнять заданные функции, сохраняя значения установленных эксплуатационных параметров, являются долговечность и работоспособность машины, средняя продолжительность работы до первого отказа, до капитального ремонта, гарантийный срок эксплуатации, ремонтопригодность и т.д. К характеристикам технологичности относятся затраты живого труда и финансовых средств на производство машины.

Глава 2. Общие сведения о показателях качества машин 2.2. Общие вопросы проектирования и САПр Одним из наиболее веских критериев, влияющих на решение потребителя о покупке машины, является её качество. Поэтому производитель в условиях рынка заинтересован в улучшении качества выпускаемого изделия. Наибольшую эффективность принимаемых для улучшения качества мер имеют те из них, которые используются при проектировании машины. Проектированиемназывается процесс разработки проекта машины, т.е. совокупность расчетов и чертежей, предназначенных для определения геометрических, кинематических, динамических параметров, а также работоспособности, экономичности и других характеристик машины.

При проектировании машины следует:

• использовать системный подход: осуществлять проектирование машины как системы, связанной с общими условиями ее работы и с другими машинами;

• учитывать многочисленные критерии качества машины;

• использовать предшествующий опыт проектирования и широко применять нормализацию узлов и деталей, используя «удачные» узлы и детали других машин;

• предусматривать перспективы развития и обеспечивать возможность дальнейшей модернизации и совершенствования машины.

Проектирование не может обойтись без использования следующих инструментов проектирования:

1) патентных исследований;

2) математического моделирования;

3) экспериментальных методов исследования.

Эвристические методы и патентные исследования основаны на поиске действующих аналогов машин, механизмов, деталей, узлов, агрегатов и т.д. Для каждого прототипа машины необходимо провести анализ положительных качеств и составить список недостатков, который включает:

• обоснование и выбор критериев качества машины;

• основные преимущества и недостатки прототипа;

• основные показатели качества машины, требующие улучшения;

• противоречия в машине, требующие замены на новый прототип;

2.2. Общие вопросы проектирования и САПр • несовершенство конструкции и технологии изготовления.

На основе анализа недостатков более обоснованно могут быть выдвинуты прямые предложения по совершенствованию машины, возможность которых была выявлена при патентном поиске и сравнении альтернативных вариантов.

Экспериментальные методы требуют высоких материальных затрат и времени. Достаточно точным и быстрым является проектирование на основе математического моделирования показателей машин. Поэтому чаще всего проектирование осуществляется с помощью моделирования определенных качеств механизма на базе его модели машины. Модель, как правило, выражает интересующие нас свойства в виде системы уравнений. Примером структурноймоделиможет служить формула П. Л. Чебышева, которая отражает связи между отдельными звеньями механизма, как показано на рис. 1.5, 1.6. Кинематическая модель механизма отражает свойства преобразования движения и описывается уравнениями перемещений и скоростей звеньев или передаточных функций. Энергетическая модель показывает экономичность расхода энергии машиной в форме изменения работ и кинетической энергии.

Динамическаямодель характеризует динамические качества машины.

Математическая модель, как сказано выше, представляет собой систему уравнений, отражающую свойства машины, которая должна отвечать требованиям адекватности и не быть перегруженной несущественными факторами.

Для каждой проектируемой машины существуют свои определенные требования адекватности модели. Исходя из этого можно сделать вывод, что не существует универсальной модели, отражающей все возможные процессы в ней с одинаковой точностью.

Математическое моделирование развивается в направлении создания системы автоматизированного проектирования. САПР – это организационно-техническая система, состоящая из комплекса средств автоматизации конструкторских работ на основе применения ЭВМ для поиска оптимального решения. Разработка САПР включает:

• выработку критериев качества, характеризующих оптимальность конструкции;

Глава 2. Общие сведения о показателях качества машин • классификацию элементов машины и создание базы данных нормализованных узлов и элементов машин;

• создание кинематических, динамических, энергетических и экономических моделей машины и её элементов;

• разработку пакетов прикладных программ для проведения расчетов и обработки информации.

Проектно-конструкторская разработка, которой предшествуют научно-исследовательские работы осуществляется на этапе технической подготовки производства. После ее завершения осуществляется технологическая подготовка производства. Цель проектно-конструкторской разработки – создание рабочей документации (эскизов и чертежей общего вида, сборочных и рабочих).

Проектно-конструкторскую разработку выполняют в приведенной ниже последовательности.

1. Разработка технического задания, т.е. требований к машине и указаний заданных технико-экономических параметров, согласованных с заказчиком.

2. Составление технического предложения, отвечающего техническому заданию.

3. Разработка эскизного проекта машины, отражающего техническое предложение.

4. Разработка технического проекта на основе эскизного проекта машины.

5. Выполнение конструкторской и рабочей технологической документации.

6. Испытания машины, выявление недостатков, составлением акта.

7. Составление технических условий на эксплуатацию машины.

Конструирование – это творческий процесс поиска оптимального варианта конструкции с целью обеспечения работоспособности и технологичности машины. При конструировании следует добиваться:

• снижения количества деталей и звеньев машины;

• нормализации (т.е. применения единых сводов законов, ГОСТов, ТУ, СП) и унификации деталей;

• технологичности конструкции, снижающей затраты на производство;

• выбора рациональных допусков, чистоты поверхности;

• выбора рациональной формы заготовок и технологии их изготовления.

2.2. Общие вопросы проектирования и САПр Конструктору следует непрерывно совершенствовать машину, добиваясь снижения расхода энергии и повышения надежности. Для этого при проектировании в машину должна закладываться возможность её совершенствования, т.е. дальнейшего развития. При этом необходимо учитывать существующие стандарты, которые регламентируют конструкцию и типоразмеры основных узлов и деталей.

Унификация элементов состоит в их многократном применении в одной и той же или разных конструкциях, что сокращает номенклатуру деталей и снижает сроки и стоимость изготовления и ремонта машин. Унификация является экономичным способом создания новых машин на основе базовой модели путем изменения мощности, производительности и даже перевода машин на выпуск иной продукции или энергии путём изменения отдельных составных частей. Например, изменение числа цилиндров ДВС, перевод его на другое топливо позволяет создать новый двигатель с наименьшими временными и экономическими затратами.

В этом состоит метод секционирования, т.е. разделения машины на одинаковые секции с набором унифицированных деталей. Применение секционирования особенно эффективно в транспортирующих машинах с унифицированным несущим потоком, длину которого можно изменять добавлением звеньев, например, конвейеры с роликовыми цепями.

Таким образом, в основе проектирования, как правило, лежит применение базового агрегата, путем присоединения к которому специализированного оборудования, можно создать машину иного назначения. Широкое применение в транспортных машинах имеют универсальные шасси с ДВС и создание на их базе различных машин, путем монтажа на шасси дополнительного и навесного оборудования.

Часто применяется метод компаундирования, т.е. параллельного соединения машин для временного увеличения производительности и снижения расхода энергии путем их отключения.

Модифицированием называется доработка машины без изменения базовой конструкции. При этом идут на замену отдельных агрегатов из числа унифицированных узлов, имеющих стандартные типоразмеры. Таким образом, при проектировании машин находит широкое применение комплексная стандартизация вспомогательного оборудования, Глава 2. Общие сведения о показателях качества машин изготавливаемого специализированными предприятиями.

Одновременно требуется приспособляемость конструкции машин к требованиям производства и их универсализация для того, чтобы сократить номенклатуру выпускаемых машин. Примером могут служить универсальные шасси сельхозмашин со сменным навесным оборудованием, что позволяет использовать многофункциональную машину в течение всего года.

При проектировании машин, прежде всего, ставится задача разработки механизмов с наилучшими показателями качества, т. е. применяются принципы оптимального проектирования, обеспечения наилучших технико-экономических показателей при заданных реальных условиях работы, технологии изготовления, соблюдении ГОСТов и других ограничениях. Оптимальность машин оценивают по специальным критериям. Поэтому важным моментом при разработке проекта машины является формулировка цели оптимизации, которая математически выражается как требование обеспечения минимума (реже максимума) выбранного критерия, в качестве которого могут быть приняты различные технико-экономические показатели.

Основными критериями являются: стоимость разработки, изготовления и эксплуатации; качество функционирования; надежность; вид и расход энергии; масса, объем и т.

п. Каждый из этих частных критериев является функцией нескольких переменных при проектировании параметров механизмов, например, длин звеньев, масс, передаточных отношений и т.п. Поэтому задача оптимального проектирования в большинстве случаев имеет неоднозначное решение. Не обосновывая выбор критериев, укажем некоторые из них на примере переходного процесса разгона машинного агрегата (рис.2.1).

1. критерий быстродействия – время прихода системы в заданное состояние – где разг – время разгона машины, t – время.

Рис. 2.1. Переходный процесс разгона машинного агрегата 2. интегральная оценка точности, т.е. среднее интегральное отклонение от заданного состояния в переходном где Y(t) – отклонение оцениваемой переменной от заданного значения Yзад.

Например, для машин указанный критерий имеет изображенный на рис. 2.1 геометрический смысл. Здесь 2 – площадь под кривой переходного процесса, характеризующая величину текущего отклонения Y(t)от заданного конечного состояния Yзад.

3. критерий экономичности, характеризующий абсолютный расход энергии и в наиболее общем виде представляющий израсходованную за определённое время энергиюG, где W=W(t) – текущая мощность двигателя.

Снижение расхода энергии является одним из наиболее важных вопросов, решаемых при проектировании машин различного назначения. Во время энергетического кризиса 70-х годов стоимость нефтяного топлива увеличилась в несколько раз. Выделенные в ЕС на научные исследования средства позволили сократить потребление топлива автомобилями, являющимися основными потребителями Глава 2. Общие сведения о показателях качества машин жидкого топлива. Появились гибридные автомобили с ДВС с рекуператорами энергии.

Интегральный критерий качества i может быть представлен как определённый интеграл, представляющий число, оценивающее выбранное качество машины, где Y – координата состояния системы; Ui – оптимизируемый конструктивный параметр машины; t0, ti – начальное и конечное время.

Однако без математического описания связей частных критериев i с конструктивными параметрами Ui машин использование критериев для проектирования практически лишено смысла. Вопросу формирования математических моделей – функциональных зависимостей динамических и экономических критериев от конструктивных параметров машины – будут посвящены отдельные главы.

Переменные Y, характеризующие состояние объекта, всегда ограничены. Например, целесообразные по конструктивным соображениям ограничения длин звеньев, вводят сознательно. Часто естественным ограничением является максимальная скорость электродвигателя, связанная с частотой тока питания и т.п.

Поиск оптимального решения состоит в выборе таких значений оптимизируемых Ui параметров, при которых критерий качества принимает в зависимости от его смысла минимальное или максимальное значение при выполнении ограничений. Выделяют несколько этапов поиска оптимального решения.

1. Выбор набора критериев i, характеризующих качества машины.

2. Определение совокупности варьируемых в процессе оптимизации независимых конструктивных параметров Ui (параметров оптимизации), определяющих основные характеристики машины.

3. Выделение ограничений на характеристики и конструктивные параметры.

4. Разработка математической модели машины в виде целевой функции, т.е. описание математических соотношений между конструктивными параметрами Ui машины и выбранными критериями i в виде уравнений. Обязакритерии качества машин тельным является описание ограничений при использовании моделей машины в виде неравенств или допустимых областей расчёта. Например, уравнение движения машины, связывающее значение динамического критерия оптимальности (время разгона) с оптимизируемым параметром (передаточным отношением передаточного механизма МА), должно включать ограничение максимальной скорости двигателя.

5. Выбор метода расчета оптимальных параметров, оказывающих определяющее влияние на время и точность поиска оптимального решения.

Простейшие задачи оптимального проектирования можно решать аналитическими методами классического вариационного исчисления. В этом случае задача оптимизации сводится к задаче отыскания экстремума частных функционалов Фi. Подобно тому, как условием существования экстремального значения непрерывной функции является равенство нулю ее первой производной, в вариационном исчислении доказано, что необходимым условием экстремума интегрального критерия качества Фi является равенство нулю его первой вариации – линейной части приращения функционала при приращении аргументов, в качестве которых выступают подлежащие определению параметры механизма. При большом числе конструктивных параметров задачи нахождения оптимума, как правило, не имеют аналитического решения, и приходится прибегать к нахождению оптимальных значений путем перебора (случайного или упорядоченного) различных комбинаций искомых параметров с использованием ЭВМ.

В идеальном случае при решении многокритериальной задачи каждый частный критерий i имеет свое экстремальное значение (минимум). На практике частные критерии противоречивы (например, критерий быстродействия и экономичности) и оптимальные параметры, полученные по различным критериям, имеют разные значения (Ui)опт (рис. 2.2). В общем случае каждый частный критерий выделяет свое множество оптимальных решений, поэтому необходимо учитывать сведения об относительной важности частных критериев. Это означает, что критерии будут строго упорядочены (ранжированы) по значимости таким образом, что следует добиваться приращения более важного критерия за счет уступок по остальным i. Этот процесс может Глава 2. Общие сведения о показателях качества машин Рис.2.2. Переходный процесс разгона машинного агрегата осуществляться при назначении так называемой «уступки» i, точнее допустимых отклонений частных критериев от оптимального значения. При этом образуется допустимая область (ДО), в которой могут быть выбраны значения оптимизируемых параметров с учётом ограничений.

Обеспечение высокой экономичности и производительности новой техники осуществляется в процессе ее проектирования, когда определяются будущие характеристики машин. Задачи синтеза чрезвычайно сложны и часто они решаются путем рассмотрения различных вариантов машин. При динамических расчетах первоначально нередко приходится идти на определенные упрощения, постепенно усложняя задачу путем учета всех новых факторов и уточнения решения.

Рис.2.3. иллюстрация метода покоординатного спуска Часто не существует аналитических выражений для вычисления целевой функции, но имеются экспериментальные данные для её определения в некоторых точках области существования функций критериев оптимальности. Для решения такой задачи оптимизации можно было бы ввести дискретное множество и исследовать его на поиск экстремального значения, как это уже делалось для функции одной переменной. В многомерных задачах оптимизации такой подход к решению требует огромного объема вычислений, таким образом, методы поиска путем сплошного перебора при решении многомерных задач часто не пригодны. Поэтому применимы некоторые численные методы целенаправленного поиска, значительно сокращающие объем вычислений. Поставим задачу следующим образом.

Требуется найти минимум целевой функции нескольких оптимизируемых параметров i(U1,U2, …,Un). Для этого выберем в n-мерном пространстве оптимизируемых параметров точку B0, которую можно принять в качестве начального приближения. В качестве движения от начальной точки к решению примем направление по одной из осей (например, первой U1), для чего зафиксируем все остальные координаты (U2,U3,...,Un). Данный метод проиллюстрирован для случая целевой функции i(U1,U2) двух переменных U и U2 на рис. 2.3, на котором представлены линии постоянного уровня поверхности i. Таким образом, рассматривая Глава 2. Общие сведения о показателях качества машин многомерную задачу на первом этапе как одномерную, можно перейти от точки B0 к точке B1, в которой целевая функция принимает минимальное значение при варьировании U1 и фиксированных значениях остальных переменных. Таким образом, сделан первый шаг оптимизации, состоящий в движении по координате U1, и найдена новая начальная точка B1 для последующего движения по другой координате U2. Для нахождения следующего уточнения зафиксируем все координаты, кроме U2, и снова решим одномерную задачу оптимизации. Аналогично можно провести движение по всем остальным координатам, после чего процедура может быть повторена снова от U1 до Un. В результате уточнения решения получается последовательность точек B0,B1,…,Bn и можно рассматривать последнее значение целевой функции как наименьшее.

Даже на примере целевой функции двух независимых переменных U1,U2 очевидно, что в случае изломов в линиях уровня целевой функции i(это соответствует так называемому «оврагу») применение метода покоординатного спуска затруднено. Это связано с тем, что возможен случай, когда движение по одной из координат приводит к «спуску» на «дно» оврага, при котором движение по другой координате становится невозможным, так как оно соответствует возрастанию функции при любом изменении переменной.

Таким образом, простота метода покоординатного «спуска»

ограничивает одновременно области его применения и приводит иногда к увеличению объема вычислений.

В некоторых случаях идут на организацию обобщённого Фо аддитивного критерия оптимальности, зависящего от частных критериев качества Фi где Ci – весовой коэффициент, который может принимать различные значения в зависимости от важности частного критерия.

Чтобы облегчить поиск оптимального решения удобно произвести сведение задачи к безусловной оптимизации без рассмотрения ограничений. Для этого при формировании обобщённого критерия оптимальности целесообразно пойти на включение в него барьерных или штрафных функций, принимающих неограниченное значение при приближении к зоне ограничений. Универсальным методом являкритерии качества машин ется метод, в котором в критерий Фо включается штрафная функцияhi (Ui),резко увеличивающая значения критерия у границ ДО изменения оптимизируемых параметров Ui:

где qi > 0 – коэффициент штрафа; hi (Ui) – барьерная функция, которая может неограниченно возрастать при приближении к границе ДО вариации переменных проектирования Ui..

Например, известно, что для двигателей нецелесообразна работа в области вблизи холостого хода, где бесконечно возрастает удельный расход энергии g. Поэтому целевую функцию Фо(Ui)желательно выбирать такого вида, чтобы её величина неограниченно возрастала на «холостом» ходу.

Такой характер изменения функции удельного расхода энергии g(W) от развиваемой мощности свойственен ДВС и асинхронным электродвигателям (у последних при недогрузке увеличивается так называемый «косинус фи» и потери энергии). В качестве безразмерного критерия экономичности расхода энергии часто выбирают удельный расход энергии или КПД машины. Во многих случаях применяют коэффициент использования номинальной мощности Wном двигателя, оценивающий среднюю развиваемую мощность за определённое время работы (t1 – t0) где t0, t1 – начальное и конечное время работы;W,Wном – текущая и номинальная мощности двигателя.

Таким образом, важнейшей задачей при проектировании машин является создание оптимизационных методов расчета на основе анализа математических моделей, характеризующих экономичность машины и ее динамические качества.

Первое, что должен сделать инженер – это представить себе модель машины, т.е. перейти от реальной конструкции к её расчетным уравнениям.

Глава 2. Общие сведения о показателях качества машин вопросы и задания для самоконтроля 1. Что называется математической моделью машины?

Какие модели вы знаете?

2. Назовите общие характеристики и основные требования к машинам.

3. В чём заключаются принципы построения САПР?

4. В чём состоят унификация, нормализация и стандартизации деталей машин?

5. В чём заключаются принципы поиска оптимального решения?

6. Опишите основные применяемые при проектировании критерии.

ПрОЕкТИрОВАНИЕ ПО ДИНАМИчЕСкИМ И ЭкОНОМИчЕСкИМ крИТЕрИЯМ

МОДЕЛИ МАШИНы

3.1. Принципы построения моделей Математической моделью, как уже было сказано выше, называется система уравнений, используемая в инженерных расчетах. Описание динамических процессов в системе должно быть математическим, поэтому имеет смысл говорить о математической динамической модели как о системе уравнений, описывающих динамические процессы в машине. Динамика механической системы связана с изменениями скоростей, в свою очередь определяющих изменение кинетической энергии, поэтому динамическая модель является частным случаем энергетической, отражающей изменение энергии в машине. Как её составляющую можно выделить кинематическую модель механизма, описывающую передаточные функции, которые определяют соотношения скоростей и ускорений звеньев безотносительно ко времени и источникам движения, т.е. без рассмотрения реально действующих сил.

В зависимости от необходимой точности расчета требования к математической модели различны, поэтому нет смысла стремиться к созданию универсальной модели, отражающей все свойства машины. Имеют право на существование фракционные модели, отражающие влияние основных факторов на качества машин. При этом в модели стараются описать только самые существенные явления, связанные с энергетическими изменениями, оказывающие влияние на динамические и экономические параметры машины.

Расчет кинематических параметров механизма необходим для определения параметров динамической модели.

Для механизма со степенью подвижности w=1 первая передаточная функция получается дифференцированием по обобщённой координате функции положения звеньев, которая может быть найдена методом замкнутого контура, образованного звеньями механизма как векторами. Рассмотрим пример кривошипно-ползунного механизма, представленного на рис. 3.1.

Из рассмотрения проекций звеньев на ось X получим координату точки В в функции двух переменных 1, 2:

ный механизм ДВС: 1 – кривоLOA Глава 3. Модели машины с жесткими звеньями Дифференцируя полученные уравнения по обобщённой координате, получаем систему уравнений, включающую две передаточные функции: Vqп – аналог скорости поршня и U 21 = 2 – мгновенное передаточное отношение звеньев 2 и Решая систему уравнений относительно аналога скорости поршня, получаем Делая замену sin (21 ) = 2sin 1 cos 1 и пренебрегая незначительными изменениями cos 2 в знаменателе, получаем разложение первой передаточной функции (аналога скорости поршня) в ряд Фурье, которое имеет две гармоники Переход от аналога к скорости поршня осуществляется с учётом угловой скорости начального звена Разложение в ряд Фурье аналога ускорений (второй передаточной функции) имеет две гармонические составляющие, которые получаем, дифференцируя первую передаточную функцию Vqп:

связывающие передаточные 1 (см. рис. 3.2) лена кинематическая схема линдра, применяющегося в гидравлическом приводе рассмотрения проекций звеньев на ось YA получим Углы поворота осей поршня и цилиндра равны Из рассмотрения проекций звеньев на ось Х получим где Loc – межосевое расстояние.

Рис. 3.3. Кинематическая схема механизма качающегося цилиндра:

Глава 3. Модели машины с жесткими звеньями Угловая скорость звена 3 может быть получена дифференцированием уравнения угла поворота = U 31 – мгновенное передаточное отношение звеньгде ев 3 и 1; 1 = d 1 – угловая скорость начального звена 1.

Скорость поршня 2 относительно цилиндра 3 может быть получена дифференцированием переменного расстояния между точками A и C механизма (см. рис. 3.3,а):

где – аналог относительной скорости звеньев 2 и 3.

При моделировании на ЭВМ аналогов и скоростей звеньев целесообразно использовать систему MathCAD.

В практике проектирования часто используют для определения скоростей метод планов, который удобен тем, что абсолютные скорости отдельных точек механизма представляются в масштабе векторами, исходящими из единого центра pV (см. рис. 3.3,б).

Например, скорость точки Aкривошипа V A1 = V A2 предpV a ставлена на плане в масштабе µV = отрезком pV a1.

Скорость точки А3 (звена 3), направленную перпендикулярно оси вращения цилиндра AC, найдём по плану скоростей (см. рис. 3.3,б), построенному по векторному уравнению где V A32 – относительная скорость звеньев 3 и 2, направленная параллельно оси цилиндра 3. Относительная скорость V A32 на плане скоростей (см. рис. 3.3,б) представлена отрезЭнергетическая модель машины ком a3a2, соединяющим концы векторов абсолютных скоростей точек:

Модуль абсолютной скорости точки А3 цилиндра 3, направленной перпендикулярно его оси, равен что позволяет найти мгновенную угловую скорость вращения цилиндра 3.3. Энергетическая модель машины Естественно, что в передаче движения участвуют силы, оказывающие влияние на закон движения, т.е. на изменение скоростей во времени. Часто нас интересует не столько значение передаваемых сил и реальные законы движения во времени, сколько параметры движения машины, характеризующие «динамические качества» машины. Это бывает необходимо при проектировании машины по определенным динамическим критериям, например, когда ставится задача о согласовании характеристик двигателя и рабочей машины для повышения динамических качеств МА и уменьшения времени выхода на расчётный режим работы, для безJ пр органа и т.п.

звеньев однозначно могут динатой кинематическими Рис. 3.4. Звено приведения:

передаточными функциями, –обобщенная координата;

поэтому и можно создать од- M – момент инерции;

номассовую динамическую J – момент инерции;

Глава 3. Модели машины с жесткими звеньями модель машины при любом числе звеньев. На рис. 3.4 показано геометрическое представление такой модели, которую можно представить как одно изолированное выбранное звено механизма (звено приведения), движущееся по одинаковому закону с реальным звеном механизма.

Поскольку однозвенная модель является одномассовой, то она и не может отразить полностью всех динамических явлений в машине. Например, бессмысленно пробовать определить с её помощью реакции в кинематических парах отсутствующих в ней звеньев. Однако преимуществом такой модели будет описание поведения машины, связанное с энергетическими процессами, т. е. изменениями работы и кинетической энергии. Наиболее важной сферой применения одномассовой модели машины с жёсткими звеньями является описание энергетических изменений, на основании которых возможно моделирование экономичности расхода энергии и динамических показателей машины. При этом определение закона движения одного из звеньев с помощью этой модели является возможным, но не является самоцелью. Более важной целью является оптимизация переходных режимов, характеризующихся такими технико-экономическими показателями машины как:

• время разгона и торможения машины;

• период и амплитуда установившегося движения;

• экономические показатели машины в виде расходов энергии и КПД работы на различных режимах.

Динамическая модель механизма с жесткими звеньями, которую по её свойствам следует называть энергетической, наиболее проста и даёт достаточно точное решение при оценке влияния параметров МА, например, мощности двигателя и передаточного отношения редуктора на быстродействие и экономичность расхода энергии в переходных режимах. Однако она не может описать колебательные свойства механической системы. Для их оценки необходимо учитывать упругую податливость звеньев, динамические характеристики двигателей и т.п. Наиболее ценным свойством энергетической модели является то, что она не перегружена несущественными параметрами и даёт возможность выбора с помощью неё оптимальных значений параметров машины, например, передаточного отношения механизма по критериям экономичности расхода энергии и быстродействию.

Определение законов движения многозвенной системы представляет определенные вычислительные трудности.

Однако из структуры механизмов известно, что количество обобщенных координат, полностью характеризующих положение и движение звеньев, обычно бывает невелико. В рассматриваемом примере механизм дизель-энергетического агрегата (см. рис. 1.2) число степеней свободы w= 1. Это означает, что сначала можно определить закон движения одного, начального звена, например кривошипа 1, не рассматривая движения шатуна 2 и поршня 3 кривошипно-ползун ного механизма ДВС, представленного на рис. 3.1. Если описать динамические свойства одного, выделенного из механизма звена (так называемого звена приведения – см. рис. 3.4), то они могут оказаться иными, чем у того же звена в реальном механизме (см. рис. 3.1).

Для того чтобы законы движения их совпадали, необходимо учесть реальные массы всех звеньев и силы, приложенные к ним. Они учитываются методом приведения, который базируется на теореме об изменении кинетической энергии, равной суммарной работе всех сил, которые действуют в машине, где T, Tнач – текущее и начальное значения кинетической энергии; – суммарная работа всех сил.

Кинетическая энергия механизма равна сумме энергий отдельных звеньев Таким образом, многочисленность звеньев механизма приводит к кажущемуся усложнению исходного уравнения.

Но в механизме с числом степеней свободы w=1 скорости всех звеньев можно связать со скоростью одного начального звена с помощью кинематической модели. Поэтому кинетическую энергию механизма можно выразить как функцию одного аргумента – обобщенной координаты. Работа и мощность сил являются функцией изменения многочисленных координат точек их приложения, но в механизме с w=1 они также могут быть связаны только с движением начального звена.

Глава 3. Модели машины с жесткими звеньями Таким образом, динамическая модель механизма с w= и жесткими звеньями может быть представлена в виде уравнения движения одного звена динамической модели, к которому приведены силы из условия равенства элементарных работ (мощностей) и из условия равенства кинетических энергий приведены массы и моменты инерции реальных звеньев.

3.3.1. метод приведения сил и моментов Привести силу Fi, приложенную к i-му звену, значит заменить ее приложенным к звену приведения j приведенным моментом M пр реальной силы Fi из условия равенства мощj ностей Wi. Мощность суммарного приведенного момента равна cумме мощностей Wi всех i действующих сил и моментов.

Приведенный момент силы рассчитывается по правилам скалярного произведения двух векторов (силы Fi на скорость Viточки её приложения) из условия равенства мощностей:

где j – скорость звена приведения; i – угол между векторами силы Fi и скорости точки её приложения Vi.

Величину и знак приведенного момента определяют как произведение модулей двух векторов (силы и скорости точки её приложения) и косинуса угла давления. Выражение суммарного момента M пр, приведенного к звену j плоского механизма, можно представить в виде кинематические передаточные функции (отношения), т.е.

производные линейных и угловых перемещений точек и звеньев по координате звена приведения j: i = – угловая скорость i-го звена.

Напомним, что эти производные численно равны отношению линейных Vi и угловых i скоростей i-ых звеньев и точек, к которым приложены реальные силы Fi и моменты Мi, к скорости j-го звена, принятого за звено приведения:

Рассмотрим метод приведения сил на примере силового агрегата (см. рис.1.2), выбирая в качестве звена приведения кривошип 1 с угловой координатой 1 (см. рис. 3.4). Кривошипно-ползунный механизм ДВС (см. рис. 3.1) нагружен силой давления газов p на поршень 3 и силами тяжести звеньев G3 и G2. Приведенный момент сил тяжести звеньев и 3 подсчитывается из условия равенства мощностей сил и приведенного момента где G2, G3 – углы между силами G2 и G3 и скоростями их точек приложения VS и VB (см. рис. 3.1); VqS, VqB – аналоги скоростей.

Приведенный момент сил давления р, действующего на поршень диаметра d, равен где p – угол между силой давления и скоростью поршня, принимающий значения 0 или 180° и определяющий знак приведенного момента.

В качестве примера на рис. 3.5 изображена диаграмма приведенного к кривошипу 1 момента M1пр сил, приложенp ных к поршню одноцилиндрового двухтактного ДВС. Работа сил в цилиндре за такт сжатия 1 =0 отрицательна и соответствует отрицательному значению приведенного момента. В период расширения газов 1 = 2 силы давления на поршень и скорость его совпадают, работа и момент имеют положительное значение. Суммарная работа газоГлава 3. Модели машины с жесткими звеньями Рис.3.5. Диаграмма приведенного момента M1р и работы Ар сил давления, приложенных к поршню одноцилиндрового вых сил давления на поршень за цикл (цикла = 2) положительна, следовательно, они являются движущими в ДВС.

Можно привести и момент сопротивления Mсопр, приложенный к звену 4 со стороны винта (см. рис. 1.2), раскрывая равенство элементарных работ моментов в виде где d1 и d4 – возможные элементарные угловые перемещения звеньев 1 и 4.

Учитывая, что отношение возможных перемещений звеньев 1 и 4 представляет собой передаточное отношение зубчатой передачи получаем значение приведенного к звену 1 момента сопротивления винта На рис. 3.6 представлены зависимости приведенного к валу 1 ДВС (см. рис. 1.2) момента сопротивления винта при различных передаточных отношениях редуктора МА.

Рис.3.6. Приведение момента сопротивления к входному звену редуктора:

а – структурная схема МА (1 – редуктор; 2 – рабочая машина);

б – зависимость реального момента сопротивления от скорости;

в – зависимости приведенного момента сопротивления Суммарный приведенный к валу 1 момент, заменяющий действие всех приложенных к МА (см. рис. 1.2) сил и моментов равен Поскольку кинематические передаточные функции зависят от одной координаты 1, то приведенный момент также зависит от принятой обобщенной координаты. Например, если в МА (см. рис.1.2) за звено приведения принять выходное звено 4, то момент сопротивления Mсопр, приложенный к нему приводить нет необходимости, так как реальный момент сопротивления Mсопр действует на звено 4:

где – U14 = = – передаточное отношение редуктора.

ну увеличения скорости При отклонении от неустойчивого равновесного режима, например от точки 2 вправо, возникающая разность движущего момента и момента сопротивления М = (М дв –Мсопр) > 0, что вызывает еще большее отклонение от равновесного режима, поэтому возникающий положительный суммарный момент М > 0 выводит МА на другой равновесный режим в точке 1. В случае отклонения от равновесного режима 2 в сторону снижения скорости < 2 отрицательный суммарный момент М < 0 вызывает остановку двигателя.

Количественная оценка устойчивости режима характеризуется так называемым фактором устойчивости момента сопротивления и движущего момента по скорости.

При положительном значении фактора устойчивости Fуст равновесный режим устойчив, если Fуст < 0, то режим неустойчив.

Pages: |

| 2 | 3 |

Главная >> Методички

[ СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА .pdf ]

Похожие работы:

«Проект Методическое письмо Об организации дистанционной школы, ориентированной на развитие одаренности у детей и подростков по физическому и естественнонаучному направлениям В настоящее время наблюдается повышенный интерес к проблеме одаренности, к проблемам выявления, обучения, поддержки и сопровождения одаренных детей. Это связано с меняющимися стратегическими подходами государственной политики к развитию в целом российского образования, в котором одаренные дети рассматриваются как...»

«Главный редактор – зам. директора по УВР Азарова О. Г. МБОУ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 4 ВЫПУСК 3 ноябрь 2012г. Семинар Использование новых цифровых технологий в рамках реализации ФГОС НОО в преподавании физики, биологии и химии Возможности использования оборудования фирмы PHYWE в преподавании химии Комплектация школьных кабинетов современным оборудованием приобретает особое значение, когда речь идет о химии. В свете современного практико-ориентированного и компетентностного подхода к...»

«Указатель литературы, поступившей в библиотеку Муромского института в 2003 году Библиотека МИ Муром 2004 г 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАЗОВАНИЕ. СОЦИАЛЬНАЯ РАБОТА ИСТОРИЯ. КУЛЬТУРОЛОГИЯ. ПОЛИТИЧЕСКИЕ НАУКИ. СОЦИОЛОГИЯ. ФИЛОСОФСКИЕ НАУКИ. ПСИХОЛОГИЯ. 5 ЭКОНОМИКА. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ НАУКИ. ОРГАНИЗАЦИОННОЕ ПРОИЗВОДСТВО И ПЛАНИРОВАНИЕ. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ. ГОСУДАРСТВО И ПРАВО ЯЗЫКОЗНАНИЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ. МАТЕМАТИКА. ФИЗИКА. ХИМИЯ. БИОЛОГИЯ МЕДИЦИНА. ЗДОРОВЬЕ АВТОМАТИКА. КИБЕРНЕТИКА. ИНФОРМАТИКА. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ...»

«Уважаемые выпускники! В перечисленных ниже изданиях содержатся методические рекомендации, которые помогут должным образом подготовить, оформить и успешно защитить выпускную квалификационную работу. Рыжков, И. Б. Основы научных исследований и изобретательства [Электронный ресурс] : [учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки (специальностям) 280400 — Природообустройство, 280300 — Водные ресурсы и водопользование] / И. Б. Рыжков.— Санкт-Петербург [и др.] : Лань,...»

«Ростовский филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Российская академия правосудия (г. Ростов-на-Дону) РЕШЕНИЕ УЧЕНОГО СОВЕТА 2013 г..В.Ершов Протокол 2013 г. ОТЧЕТ о самообследовании \ основной образовательной программы по направлению подготовки 030900 Юриспруденция (квалификация (степень) магистр) Ростов-на-Дону 2013 Содержание 1 Общие сведения о направлении подготовки, факультете и выпускающих кафедрах 2 Сведения по...»

«Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины Севастопольский национальный технический университет ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине Радиоэлектронные системы для студентов дневной и заочной форм обучения Севастополь 2011 2 УДК 621.369.9 Лукьянчук А.Г. Основы проектирования радиоэлектронных систем: Методические указания к курсовому проектированию/ А.Г. Лукьянчук – Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2011 – 60 с.:...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УПРАВЛЕНИЯ Институт подготовки научно-педагогических и научных кадров ПРОГРАММА ВСТУПИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПО СПЕЦИАЛЬНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ Социальная психология Москва - 2014 1. Организационно – методические указания Настоящая программа ориентирована на подготовку вступительных испытаний в аспирантуру по специальности...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Шуйский филиал ИвГУ Кафедра теории и методики физической культуры и спорта УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС по дисциплине ТЕОРИЯ И МЕТОДИКА ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ И СПОРТА для специальности 050720.65 Физическая культура со специализацией Физическое воспитание в дошкольных учреждениях Составители: Замогильнов...»

«Геманов В.С. ИСТОРИЯ РОССИЙСКОГО ФЛОТА Учебное пособие для курсантов и слушателей морских вузов 2 ББК Геманов В.С. История Российского флота. Изд. 2-е, дополненное, исправленное учебное пособие для курсантов и слушателей всех специальностей морских учебных заведений. с. Настоящие пособие в хронологическом порядке раскрывает историю зарождения и развития мореплавания славян, а затем - государства Российского, появление военного, торгово-транспортного и рыбопромыслового флотов России. Вместе с...»

«ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА С УГЛУБЛЕННЫМ ИЗУЧЕНИЕМ ОТДЕЛЬНЫХ ПРЕДМЕТОВ №1363 Утверждаю: Согласовано: Согласовано: Директор Лавриненко Е.В. зам.директора по УВР Смирнова А.П. _августа 2013года Рабочая программа по русскому языку на 2013-2014 учебный год Класс: 11 Уровень (базовый, профильный, углубленный): профильный ФИО учителя: Федотова А.В. Количество часов в год: 105 Количество часов в неделю: 3 Контрольных работ: 12 Программа:...»

«Заказ на книгу можно отправить по: ФГБОУ ВПО СГГА - электронной почте [email protected] 630108, г. Новосибирск - факсу (383) 343-25-44 с пометкой ул. Плахотного, 10 Для РИО - телефон РИО (383) 343-12-55 ПРАЙС-ЛИСТ 2012-2002 гг. Автор Наименование ISBN Вид Год Цена издания, изда- 1экз., Гриф ния руб. (в т.ч. НДС) Хацевич Т.Н. 978-5-87693- Учебное Эндоскопы Михайлов И.О. 598-4 пособие Гриф УМО Журкин И.Г. 978-5-87693- Монография Цифровое моделирова- Хлебникова Т.А. 569- ние измерительных...»

«СЕМИНАР 2 Модели роста популяций: модель Ферхюльста (логистический рост), модель с наименьшей критической численностью. ЛОГИСТИЧЕСКИЙ РОСТ (УРАВНЕНИЕ ФЕРХЮЛЬСТА) Частым явлением в природе является ограниченность ресурсов (пищевых, территориальных) и, как следствие, внутривидовая конкуренция. Как правило, если численность популяции очень мала, то конкуренция не влияет на удельную скорость роста популяции r. Когда же численность возрастает и приближается к некоторому предельному значению K,...»

«Основная профессиональная образовательная программа среднего профессионального образования по специальности 072501 Дизайн (по отраслям) Астрахань 2013 1 1. Общие положения 1.1 Определение Основная профессиональная образовательная программа среднего профессионального образования (ОПОП СПО) по специальности 072501 Дизайн (по отраслям) реализуемая областным государственным бюджетным образовательным учреждением среднего профессионального образования Астраханское художественное училище (техникум)...»

«Методические и иные документы для обеспечения образовательного процесса по направлению подготовки (специальности) 1. Учебно-методическое обеспечение для самостоятельной работы студентов № п/п Уровень, ступень образования, Автор, название, место издания, издательство, год издания учебной и учебно-методической вид образовательной программы литературы (основная, дополнительная), направление подготовки, специальность, профессия, наименование предмета, дисциплины (модуля) в соответствии с учебным...»

«Информационно-методический библиотечный Центр БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ ЛИТЕРАТУРЫ Архангельск 2008 Главная цель системы образования – формирование инициативной, предприимчивой, самостоятельной личности. Обладающей общекультурной компетентностью, ответственной за общезначимые ценности, открытой для постоянного самообразования, готовой к новациям и изменениям. И.В. Мелик-Гайказян Одар. ребенок. – 2008. - № 1. – С. 9 Составитель: Шаромова С.Н., вед. библиограф ИМБЦ От составителя: В указатель...»

«Государственное бюджетное учреждение культуры Иркутская областная государственная универсальная научная библиотека им. И.И. Молчанова-Сибирского С Е Р И Я БИБЛИОТЕКАРЬ И В Р Е М Я. XXI век. Выпуск № 144 УДК 025.5+025.6 Б Б К 78.349.2+78.379 Б83 Ответственный редактор серии О.Р. БОРОДИН Бородина, В.А. Информационное обслуживание: описание, таблицы, схемы: спецкурс Б83 для методиста. — М.: Либерея-Бибинформ, 2013. — 80 с. ISBN 978-5-8167-0054-2 В пособии рассматриваются все аспекты...»

«М.Ф. Павлов Авторская методика обучения проектированию изделий (сокращённый вариант) 2013 1 Рецензенты: Манданова Е.С., кандидат педагогических наук, проректор по УМР РИКУиО. Намжилов С.Р., зав. кафедрой Технология РИКУиО. Павлов М.Ф. Авторская методика обучения проектированию изделий. Бичура. 2013, - 53 с. Учебно-методическое пособие разработано в процессе совместной работы учителя технологии и учащихся МБОУ Бичурская СОШ №1. В пособии предложены авторские приёмы проектирования формы и...»

«Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ивановская государственная текстильная академия (ИГТА) Кафедра материаловедения и товароведения ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ДЛЯ ОДЕЖДЫ Методические указания к лабораторным работам по курсам Материалы для одежды и конфекционирование, Конфекционирование материалов для одежды для студентов специальностей 280800 Технология швейных изделий, 280900 Конструирование швейных...»

«РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по оформлению контрольных работ, курсовых работ, выпускных квалификационных работ, магистерских диссертаций для студентов Финансово-экономического института Тюмень 2013 1 Настоящие методические указания подготовлены на основе следующих...»

«Ветеринарная микробиология и иммунология: учебник : [для вузов по специальности 111801 Ветеринария], 2012, 746 страниц, Виктор Никифорович Кисленко, Колычев Н.М., Госманов Р.Г. / Под ред. В.Н. Кисленко, 5970422983, 9785970422984, ГЭОТАР-Медиа, 2012. Учебник состоит из 3 разделов. В первом разделе Общая микробиология приведены сведения о месте прокариот среди живых организмов, морфологии и химическом составе микроорганизмов об обмене веществ и энергии в микробной клетке. Опубликовано: 13th July...»

наверх

<< ГЛАВНАЯ | КОНТАКТЫ

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ТЕОрИЯ МЕХАНИзМОВ И МАШИН

МОДЕЛИ МАШИНы

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА (Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ТЕОрИЯ МЕХАНИзМОВ И МАШИН

МОДЕЛИ МАШИНы

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)