Описание Схемы и рабочего процесса

ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН

Индивидуальные задания и методические указания

для студентов, обучающихся по направлению «Агроинженерия»

 

 

Составители:

 

Ю.А. Боровиков

Н.В. Гусева

А.Г. Иванов

 

ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА

 

УДК 621.01 (075.8)

ББК 34.41я73–9

Т 33

 

 

Индивидуальные задания и методические указания составлены на основе Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, утвержденного 5.04.2000 г.

Рассмотрены и рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, протокол № ___от ___ _____________2012 г.

 

 

Рецензенты

П.В. Дородов – заведующий кафедрой «Теоретическая механика и

сопротивлениие материалов» ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, доцент, к.т.н.

Л.А. Пушкарева – к.т.н., доцент кафедры «Инженерные науки и технические

дисциплины» НОУ ВПО «Камский институт гуманитарных и инженерных технологий»

 

 

Составители:

Ю. А. Боровиков – канд. техн. наук, профессор кафедры «Теоретическая

механика и сопротивление материалов»

Н.В. Гусева – старший преподаватель кафедры «Теоретическая

механика и сопротивление материалов»

А. Г. Иванов – канд. техн. наук, доцент кафедры «Теоретическая

механика и сопротивление материалов»

 

Т 33 Теория механизмов и машин: индивидуальные задания и методические указания / Сост. Ю.А. Боровиков, Н.В. Гусева, А.Г. Иванов. – Ижевск: ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2012. –48 с.

 

Методические указания содержат задания для самостоятельной работы студентов и образец оформления пояснительной записки с рекомендациями, предназначены для студентов очной формы обучения по направлению «Агроинженерия». В указаниях приведены разъяснения теоретических положений курса, поэтому они будут полезны при подготовке студентов к экзаменам

 

УДК 621.01 (075.8)

ББК 34.41я73–9

© ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2012

© Ю.А. Боровиков, Н.В. Гусева, А.Г. Иванов, составление, 2012

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Специалист, занятый на производстве эксплуатацией и ремонтом техники, должен знать кинематические и динамические свойства механизмов и их взаимодействие в машинах. Целью работы является исследование движения входного звена рабочей машины. При этом рассматривается не только механизм рабочей машины, но и передаточный механизм, и источник механической энергии – электродвигатель. Таким образом, производится комплексное исследование машинного агрегата как единой системы.

Основное влияние на движение агрегата оказывают два силовых фактора – производственное (полезное) сопротивление, действующее на выходное звено рабочей машины, и вращающий момент двигателя. Влияют на движение и массы звеньев. В соответствии с законами динамики тело стремится сохранить скорость, которую имеет в данный миг. Чем больше масса тела, тем медленнее изменяется его скорость при одинаковом действии со стороны других тел. Противодействие данного звена при изменении его скорости распространяется на все звенья кинематической цепи агрегата и, в свою очередь, изменяет их скорость.

Дифференциальное уравнение движения агрегата решается численным способом на компьютере. В результате решения находится закон изменения угловой скорости входного звена рабочей машины. Определяется мощность двигателя без учета потерь на трение. В случае необходимости подбирается момент инерции маховика, который позволяет уменьшить размах колебаний угловой скорости до заданных пределов.

Каждое из четырех заданий, включенных в пособие, содержит рисунок со схемами и таблицы числовых данных: 12 вариантов и 12 подвариантов.

В связи с тем, что при изучении курса ТММ у студентов еще отсутствуют навыки написания текстовых документов, пособие содержит примерный образец оформления пояснительной записки. Текст, размещенный между знаками ▐ *…*▐ и набранный курсивом, приводится в качестве указаний, пояснений, рекомендаций и студентами в пояснительную записку не включается.

В пособии принята следующая система нумерации рисунков и таблиц: в заданиях к работе после номера проставлена буква «З» (например, «Рисунок 1.З», «Таблица 4.З»); рисунки, предназначенные для разъяснения теоретических положений, имеют в обозначений букву «Р» (например, «Рисунок 1.Р») и в пояснительную записку не включаются. Рисунки и таблицы, которые студентами оформляются в пояснительной записке самостоятельно, нумеруются обычным образом без буквенных обозначений.

Первая часть работы – «Кинематическое исследование зубчатого механизма» – является подготовительной для определения закона изменения скорости входного звена рабочей машины, однако в технике эта задача имеет большое самостоятельное значение.

 

ОПИСАНИЕ СХЕМЫ И РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

МАШИННОГО АГРЕГАТА

 

Структура машинного агрегата и его механизмов показана на схемах рисунков к заданиям на индивидуальную работу. Чтобы лучше понять взаимодействие механизмов, рассмотрим функциональную схему, на которой части агрегата, выполняющие определенную функцию, изображены в виде блоков (рисунок 1.Р). На этой схеме звенья механизмов не показаны.

Асинхронный электродвигатель является энергетической машиной, в которой происходит преобразование электрической энергии в механическую энергию вращения ротора. Редуктор (передаточный зубчатый механизм) предназначен для уменьшения угловой скорости входного вала рабочей машины по сравнению с угловой скоростью ротора двигателя. Выходное звено рабочей машины совершает полезную работу: производит обработку материала (рабочего тела).

 

Рисунок 1.Р – Функциональная схема агрегата

 

Рассмотрим более подробно структурную схему (см. рисунки к заданиям). Зубчатый механизм, схема «а», имеет несколько звеньев с установленными на них колёсами. Причем одно из колес планетарной ступени (Z 4 – в заданиях 1 и 2; Z 3 – в заданиях 3 и 4) неподвижно: жестко связано со стойкой. Ротор двигателя, детали приводной муфты и входной вал редуктора с установленным на нем колесом Z 1 представляют собой одно звено структурной схемы агрегата. Оно вращается с угловой скоростью = ,рад/с, соответствующей частоте вращения ротора n_дв, об/мин. На выходном валу редуктора установлено или водило H (в заданиях 1 и 2), или колесо Z 5. Обозначим угловые скорости этих валов, соответственно, и .

Кинематическую основу рабочей машины в индивидуальных заданиях составляют простейшие рычажные механизмы: кривошипно-коромысловый (шарнирный четырехзвенник) в заданиях 1 и 2; кривошипно-ползунный в заданиях 3 и 4. На схеме «б» звенья рычажного механизма показаны в сечении, перпендикулярном оси вращения входного вала рабочей машины. На этом валу установлен кривошип 1 рычажного механизма. Выходной вал редуктора и входной вал рабочей машины с кривошипом 1 составляют одно звено кинематической цепи агрегата, поэтому имеют одинаковые скорости, т.е. угловая скорость кривошипа в заданиях 1 и 2, в заданиях 3 и 4.

Звено 3 рычажного механизма совершает колебательное движение между двумя крайними положениями. Соответствующие положения кривошипа 1 и шатуна 2 на схеме «б» изображены тонкими линиями. Одно из крайних положений, в котором оси вращательных кинематических пар обозначены буквами с одним штрихом – А' и В', является нулевым. Из этого положения начинается рабочий ход звена 3, в течение которого машина преодолевает сопротивление обрабатываемого материала (рабочего тела). Действие рабочего тела на звено 3 задано моментом в заданиях 1 и 2 или силой в заданиях 3 и 4. Рабочее тело не входит в состав механизма. Действие рабочего тела является «внешним» для механизма.

Диаграмма, на которой показан график изменения полезного сопротивления (схема «в»), называется механической характеристикой рабочей машины. Во всех заданиях принято, что величина момента или силы производственного (полезного) сопротивления линейно зависит от угла поворота кривошипа 1.

В начале рабочего хода значения и равны нулю и достигают максимума в конце рабочего хода во втором крайнем положении, в котором оси шарниров на схеме «б» обозначены А " и В ". Во время холостого хода звена 3 точка В перемещается из положения В " в положение В '. В течение этой фазы взаимодействие звена 3 и рабочего тела прекращается, поэтому значения и равны нулю. Затем совершается следующий цикл работы машины. За время каждого цикла кривошип совершает один оборот.

Момент или сила направлены против движения звена 3, поэтому они совершают отрицательную работу. Часто модуль этой работы называют «полезной работой», так как он численно равен положительной работе момента или силы, действующих на рабочее тело со стороны звена 3. Силы взаимодействия звена 3 и рабочего тела имеют равные модули и противоположные направления.

Периодические изменения нагрузки являются причиной колебаний скорости вращения всех валов редуктора и ротора. В течение цикла во время рабочего хода скорости постепенно уменьшаются, а во время холостого хода под действием двигателя растут.

Имеется еще одна причина неравномерности вращения ротора, валов редуктора и кривошипа. Она заключается в том, что вычисленные даже при постоянной частоте вращения кривошипа 1 звенья 2 и 3 движутся неравномерно. В процессе движения рычажного механизма из одного крайнего положения в другое крайнее скорости точек этих звеньев сначала растут, а затем уменьшаются. Реактивное противодействие звеньев 2 и 3 (объясняемое инертностью масс) приводит к тому, что когда вычисляемые значения их скоростей растут, то скорости всех подвижных звеньев машинного агрегата уменьшаются, когда скорости звеньев 2 и 3 уменьшаются, – скорости всех звеньев растут. Таким образом, при наличии в структуре агрегата рычажного механизма, угловые скорости всех валов за один оборот кривошипа будут дважды уменьшаться и дважды расти по сравнению с номинальными значениями.

С другой стороны, существуют два фактора, препятствующие чрезмерному увеличению размаха колебаний скорости ротора. Первый из них обусловлен принципом действия электродвигателя, который иллюстрируется его механической характеристикой (см. рисунок 2.Р). Характеристика показывает, что уменьшение скорости ротора из-за сопротивления приводит к увеличению движущего момента М и, наоборот, при возрастании скорости момент уменьшается: если . Следовательно, при периодическом изменении сопротивления, вызывающем колебания величины скорости ротора, также периодически изменяется движущий момент. Электромагнитное поле двигателя противодействует любому отклонению угловой скорости ротора от её среднего за цикл значения.

Вторым фактором, препятствующим увеличению размаха колебаний величины w, является инертность вращающихся масс привода: ротора и всех звеньев передаточного механизма. Чем больше моменты инерции I этих звеньев относительно осей вращения, тем медленнее изменяется их скорость под действием сил, тем меньше разница между максимальной и минимальной скоростями вращения во время каждого цикла установившегося движения машинного агрегата.

При отсутствии сопротивления свободный ротор вращался бы синхронно с электромагнитным полем двигателя. В зависимости от числа пар полюсов в обмотке статора асинхронные двигатели имеют ряд «синхронных» частот вращения: 3000, 1500, 1000, 750 об/мин. На рисунке 2.Р соответствующая синхронной частоте угловая скорость ротора обозначена .

В каталогах асинхронных электродвигателей приводится «номинальная» частота вращения ротора , при которой коэффициент полезного действия двигателя как отдельной машины имеет наибольшее значение. В этом случае ротор преодолевает оптимальное для данного двигателя сопротивление. Номинальная частота вращения на 3…6 % меньше синхронной. Значения скоростей всех звеньев агрегата, вычисленные при заданной номинальной частоте вращения ротора , назовем «номинальными скоростями».

Размах колебаний угловой скорости по отношению к её среднему значению при установившемся режиме регламентируется коэффициентом неравномерности движения d. Если по результатам расчетов величина d оказывается больше требуемой для данной машины, на один из валов привода устанавливают маховик, увеличивающий инерционность вращающихся масс. Для различных типов машин величина δ устанавливается от 1/10 до 1/300.

 

задание 1

 

Механизм шарнирного четырехзвенника, представленный на рисунке 1.З, состоит из стойки и 3-х подвижных звеньев: кривошипа 1, шатуна 2 и коромысла 3, рисунок 1.З,б. Машинный агрегат, рисунок 1.З,а, работает следующим образом: вращение от вала двигателя передается через двуступенчатый зубчатый редуктор, состоящий из зубчатой цилиндрической ступени и планетарной ступени, на кривошип 1. Вращение кривошипа 1 преобразуется в возвратно-вращательное движение коромысла 3 посредством шатуна 2.

 

 

Рисунок 1.З – Схемы механизмов и диаграмма

производственного сопротивления:

а – схема машинного агрегата;

б – схема механизма шарнирного четырехзвенника;

в – график изменения момента сил производственного сопротивления

задание 2

Механизм шарнирного четырехзвенника, представленный на рисунке 2.З, состоит из стойки и 3-х подвижных звеньев: кривошипа 1, шатуна 2 и коромысла 3, рисунок 2.З,б. Машинный агрегат, рисунок 2.З,а, работает следующим образом: вращение от вала двигателя передается через двуступенчатый зубчатый редуктор, состоящий из зубчатой цилиндрической ступени и планетарной ступени, на кривошип 1. Вращение кривошипа 1 преобразуется в возвратно-вращательное движение коромысла 3 посредством шатуна 2.

Рисунок 2.З – Схемы механизмов и диаграмма

производственного сопротивления:

а – схема машинного агрегата;

б – схема механизма шарнирного четырехзвенника;

в – график изменения момента сил производственного сопротивления

задание 3

 

Кривошипно-ползунный механизм, представленный на рисунке 3.З, состоит из стойки и 3-х подвижных звеньев: кривошипа 1, шатуна 2 и ползуна 3, рисунок 3.З,б. Машинный агрегат, рисунок 3.З,а, работает следующим образом: вращение от вала двигателя передается через двуступенчатый зубчатый редуктор, состоящий из зубчатой цилиндрической ступени и планетарной ступени, на кривошип 1. Вращение кривошипа 1 преобразуется в возвратно-поступательное движение ползуна 3 посредством шатуна 2.

 

 

Рисунок 3.З – Схемы механизмов и диаграмма

производственного сопротивления:

а – схема машинного агрегата;

б – схема кривошипно-ползунного механизма;

в – график изменения силы производственного сопротивления

 

задание 4

Кривошипно-ползунный механизм, представленный на рисунке 4.З, состоит из стойки и 3-х подвижных звеньев: кривошипа 1, шатуна 2 и ползуна 3, рисунок 4.З,б. Машинный агрегат, рисунок 4.З,а, работает следующим образом: вращение от вала двигателя передается через двуступенчатый зубчатый редуктор, состоящий из зубчатой цилиндрической ступени и планетарной ступени, на кривошип 1. Вращение кривошипа 1 преобразуется в возвратно-поступательное движение ползуна 3 посредством шатуна 2.

 

Рисунок 4.З – Схемы механизмов и диаграмма

производственного сопротивления:

а – схема машинного агрегата;

б – схема кривошипно-ползунного механизма;

в – график изменения силы производственного сопротивления

Министерство сельского хозяйства РФ

 

Федеральное государственное БЮДЖЕТНОЕ образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«ижевская государственная сельскохозяйственная академия»

 

Кафедра теоретической механики и сопротивления материалов