Определение момента инерции маховых масс машины



Методом Мерцалова

Приведенный момент инерции Jм машины можно представить как сумму двух слагаемых

Jм = Jc + Jv ,

где Jv – приведенный момент инерции звеньев механизма, связанных со звеном приведения переменным передаточным отношением;   

Jc – приведенный момент инерции звеньев, связанных со звеном приведения постоянным передаточным отношением (маховых масс машины).

Кинетическую энергию машины представим как сумму

Тм = Т c + Т v,

где Т v ≈ ωср2 Jv  /2 ; ωср – средняя угловая скорость звена приведения при установившемся движении.

Изменение кинетической энергии Тc возможно только за счет изменения угловой скорости ω звена приведения.

Т c = ∆ТмТ v.

Экстремальные значения кинетической энергии маховых масс соответственно равны  Т c.max = ω max 2 Jc /2 ; Т c.min = ω min2 Jc /2,

где ω max и ω min – максимальное и минимальное значение угловой скорости начального звена за цикл установивше­гося движения


ω max = ωср (1+ [δ] /2); ω min = ωср (1– [δ] /2),

где [δ] = (ω max– ω min) / ωср – допускаемый коэффициент неравномерности установившегося движения машины, заданный в исходных данных на проектирование.

Из совместного решения зависимостей четырех последних уравнений получим приведенный момент инерции маховых масс

Jc = (Т c.maxТ c.min) / ([δ] ωср2).

Последовательность действий при определении момента инерции Jc маховика по методу Мерцалова

– Для всех положений механизма внутри цикла установившегося движения рассчитать и построить график «МС – φ» приведенных моментов МС сил сопротивления в зависимости от угла φ начального звена (см. рис. 5.3,а).

 


Рис. 5.3. Определение момента инерции маховых масс машины методом Мерцалова

 

– Методом графического интегрирования построить график приращения работ «АС – φ» сил сопротивления за цикл (рис. 5.3,б). Соединяем начало и конец этого графика прямой. Эта прямая представляет собой график приращения работы «АД – φ» движущих сил за цикл. По этим графикам, замеряя разность ординат (АДАС) для каждого положения механизма, строим диаграмму разности работ, одновременно являющуюся диаграммой приращения кинетической энергии «∆ТМ – φ» машины с маховиком. Обозначим масштаб этой диаграммы μТ.

– Для ряда последовательных положений механизма внутри цикла установившегося движения рассчитать и построить в масштабе μJ график приведенных моментов инерции «Jv – φ» звеньев механизма (рис. 5.3, в). Этот график представляет собой диаграмму кинетической энергии «Т v – φ»  звеньев, изображенную в масштабе μТ v.

μТ v = μJ ωср2 /2,

где ωср – средняя угловая скорость начального звена приведения при установившемся движении.

– В масштабе μТ строим диаграмму изменения кинетической энергии «∆Тconst– φпр»  маховых масс (рис. 5.3, г).  

Т c = ∆ТмТ v.

Замеряя по оси ординат расстояние между самой верхней и самой нижней точками этой диаграммы, находим отрезок С D .

Затем определяем момент инерции маховых масс:

Jc = (CDТ /([δ] ωср2).

Выбор электродвигателя

При выборе электродвигателя учитывается ряд требований: режим работы механизма, вид тока (переменный или постоянный), надежность и экономичность электромеханической системы и т.д. В рамках настоящего курсового проектирования задача выбора электродвигателя решается ограниченно и состоит в подборе его марки по табл. 5.1, исходя из его требуемой мощности Р.


Требуемая мощность электродвигателя, кВт:

Рдв.тр = Ац n1/(60000 ñ η) ,

где Aц – работа, производимая выходным звеном за цикл установившегося движения: Aц = (KL) μТ , (рис. 5.3, б);

n1 – частота вращения кривошипа, мин–1;

 ñ – число оборотов начального звена за время одного цикла;  

η – КПД машины. Ориентировочно примем КПД машины η = 0,8.

По требуемой мощности из табл. 5.1 выбирается асинхронный электродвигатель серии 4А с ближайшей большей стандартной мощностью при заданной синхронной скорости. В табл. 5.1 указаны также величины скольжения S, %, и mD2∙10– 4, кг ∙ м2.

Таблица 5.1. Электродвигатели асинхронные серии 4А закрытые, обдуваемые

Мощьность

Р,

кВт

Синхронная частота вращения nс, мин –1

3000

1500

1000

750

Типоразмер S , % mD210-4  кг ∙м2 Типоразмер S , % mD210-4  кг ∙м2 Типоразмер S , % mD210-4  кг ∙м2 Типоразмер S , % mD210-4  кг ∙м2
0,09 50А2 8,7 0,98 50В4 8,7 1,3            
0,12 50В2 9,7 1,07 56А4 8,3 28            
0,18 56А2 6,7 16,6 56В4 9 31,5 63А6 11 69,4      
0,25 56В2 7,7 18,6 63А4 8 49,5 63В6 11 86 71В8 9,3 74
0,37 63А2 8,3 30,5 63В4 9 52 71А6 9 67 80А8 10 135
0,55 63В2 8,6 36 71А4 7,3 55 71В6 10 81 80В8 6,7 162
0,75 71А2 5,3 39 71В4 7,3 57 80А6 8,5 485 90LA8 6,7 270
1,1 71В2 6,3 42 80А4 5,4 129 80В6 8 184 90LB8 6,7 345
1,5 80А2 4,2 73 80В4 5,8 133 90L6 6,4 294 100L8 6,7 520
2,2 80В2 4,3 85 90L4 5,1 224 100L6 5,1 524 112MA8 6,7 700
3,0 90L2 3,3 104,1 100S4 4,4 347 112MA6 4,7 700 112M8 6,7 1000
4,0 100S2 3,4 237 100L4 4,7 450 112MB6 5,1 800 132S8 4,1 1700
5,5 100L2 2,5 300 112M4 3,7 700 132S6 3,3 1600 132M8 4,1 2300
7,5 112M2 2,3 400 132S4 3 1100 132M6 3,2 2300 160S8 2,5 5500
11 132M2 2,1 900 132M4 2,8 1600 160S6 2,7 5500 160M8 2,5 7200
15 160S2 2,1 1900 160S4 2,3 4100 160M6 2,6 7300 180M8 2,5 10000
18,5 160M2 2 2100 160M4 2,2 5100 180M6 2,7 8800 200M8 2,3 16000
22 180S2 1,9 2800 180S4 2 7600 200M6 2,8 16000 200L8 2,7 18100
30 180M2 1,9 3400 180M4 1,9 9300 200L6 2,1 18100 225M8 1,8 29500
37 200M2 1,8 5800 200M4 1,7 14700 225M6 1,8 29500 250S8 1,5 46200
45 200L2 1,8 6700 200L4 1,6 17800 250S6 1,4 46200 250M8 1,4 54500

После выбора электродвигателя определяется частота nд вращения его вала, общее передаточное число u привода и приведенный момент инерции Jпр привода по следующим формулам:

nд = nс (1 – 0,01 S %), мин 1;

u = nд / n;

Jпр ≈ 1,7 (mD2) u2, кг ∙м2,

где mD2 – произведение массы ротора двигателя на квадрат его диаметра, указанное в табл. 5.1.

Величина момента инерции Jмхв маховика

Jмхв = Jc Jпр .

При расчете маховых масс по методу Мерцалова исходят из предположения, что приведенный момент сил движущих в течение цикла является постоянным. В действительности момент на валу двигателя при установившемся движении тем больше, чем меньше его угловая скорость. Поэтому  полученное значение Jмхв приведенного момента инерции маховика является несколько завышенным.

Уточнение расчета выполняется методом последовательных приближений. Из первого приближения находится зависимость угловой скорости ω1 звена приведения от его угла φ1 поворота. Затем для каждого положения механизма определяется приведенный момент движущих сил. Далее проводятся все описанные ранее действия по методу Мерцалова, в результате которых находится уточненное значение  момента инерциимаховика.

5.1. Последовательность выполнения 1-го листа проекта «Динамический синтез и анализ механизма»

При выполнении первого листа проекта необходимо по заданным условиям рассчитать размеры звеньев проектируемого механизма, произвести структурный анализ, определить аналоги скоростей звеньев, параметры динамической модели и закон движения начального звена рычажного механизма.


Графическая часть состоит из построения планов механизма в двенадцати положениях, планов скоростей, диаграмм динамической модели и закона движения начального звена. Промежуточные выкладки и расчеты, а также результаты выполнения этих этапов отражаются в пояснительной записке и на листе проекта формата А1. Работу рекомендуется выполнять в такой последовательности.

1. Ознакомиться с заданием и числовыми значениями исходных данных. Задание на проект отразить в пояснительной записке.

2. Спроектировать кинематическую схему рычажного механизма, т.е. определить недостающие длины звеньев. Расчеты и результат привести в пояснительной записке.

3. Произвести структурный анализ механизма, учитывая рекомендации § 2.3. Перед выполнением структурного анализа на основании схемы, приведенной в задании или полученной в результате синтеза, построить кинематическую схему рычажного механизма.

4. Вычертить схему механизма в двенадцати положениях.

Кинематическая схема механизма выполняется как можно точнее с масштабным коэффициентом μS , м/мм, при неизменном положении стойки и размещается в левой верхней части листа. Построение должно занимать примерно 1/5...1/6 площади листа. 

Построение начинают с размещения на чертеже неподвижных шарниров вращательных пар и направляющих поступательных кинематических пар. Затем вычерчивают двенадцать равноотстоящих друг от друга по углу поворота кривошипа. При этом желательно отсчет начать от одного из крайних положений ведомого звена. С этого, нулевого, положения начинается отсчет и нумерация положений. Направление нумерации положений должно совпадать с направлением вращения начального звена.

Если второе крайнее положение механизма не попадает в число фиксированных двенадцати положений, то следует ввести соответствующее ему промежуточное, тринадцатое, обозначив его, как и соседнее фиксированное положение, но со штрихом, например – положение 7′.

Кинематическая схема механизмов 2-го класса строится методом засечек (см. гл. 4). Одно положение механизма (на рабочем ходу) вычерчивается контурными линиями, а остальные – тонкими. Звенья механизма следует пронумеровать, а центры шарниров обозначить заглавными буквами в одном положении механизма. В остальных положениях центры шарниров можно пронумеровать только цифрами, обозначающими порядковый номер положения механизма.

Затем проверяется возможность вращения кривошипа на полный оборот, а также условие благоприятной передачи сил в механизме. Во всех положениях механизма углы давления не должны превышать допустимых значений (см. гл. 3). Если указанные условия не выполняются, то с помощью руководителя проекта изменить длины звеньев в задании на проект.

5. Определить внешние силы, действующие на звенья.

Сила тяжести i -го звена          Gi = mi  g , Н,

где m i – масса i -го звена ; g – ускорение свободного падения.

Если массы m i, кг,  и  моменты инерции J S i,кг∙ м2,  звеньев в задании на курсовой проект отсутствуют, то для стержневых звеньев определять их по следующим формулам:

m i= (10…20) l i ;J S i = m i  l i2 /10.

Здесь l i−длина звена, м.

Момент инерции J S 1 начального звена (кривошипа) принимать: J S i = m1 l12,где m1  и l1 – масса, кг, и длина, м, кривошипа. Массу ползуна принимать в пять раз больше массы кривошипа.

6. Построить графические зависимости внешних сил (FC = FC (φ) полезного сопротивления или движущей силы FД = FД (φ)) от положения механизма или угла φ поворота начального звена в соответствии с графиком внешних сил, указанным в задании на проект. Величина внешней силы оп6еделяется по формулам

FC = μF y или FД = μF y ,

где  μF  − масштабный коэффициент диаграммы сил сопротивления, указанный в задании; у – ордината диаграммы сил сопротивления, изображенная в задании, мм.

В заданиях на проект механизмов компрессоров, насосов и двигателей внутреннего сгорания указываются индикаторные диаграммы, где вместо сил приводятся удельное давление р,МПа, в цилиндре с внутренним диаметром D, мм. В этом случае величина внешней силы, Н: 

FC = р π D2/4 или FД = р π D2/4.

7. Построить планы аналогов скоростей dS / dφ  для всех двенадцати положений механизма из одного полюса.

Далее аналоги линейных скоростей точек обозначены как V ′, аналоги β угловых скоростей звеньев.  План аналогов скоростей строится так же как и план скоростей. Численное значение аналога скорости точки равно скорости этой точки при угловой скорости начального звена ω = 1 с−1.

Уравнения, на основании которых построены планы аналогов скоростей, и пример построения такого плана для одного положения механизма приводятся в расчетно-пояснительной записке. Масштабный коэффициент плана μ V , м /мм, выбирается таким, чтобы длина аналога скорости конца кривошипа изображалась на чертеже отрезком длиной примерно 100 мм.

Планы вычерчиваются тонкими линиями. На них должны быть показаны все характерные точки механизма, включая центры масс звеньев. Модули аналогов скоростей характерных точек и аналогов угловых скоростей звеньев механизма указываются в специальных таблицах, помещенных в пояснительной записке.

Для всех положений механизма определить значения приведенного момента М пр от внешней силы, действующей на рабочее звено, и сил веса.

Используя построенные ранее графики внешних сил, в пояснительной записке заполнить табл. 5.1. В таблицу вносятся также и некоторые веса звеньев, если они составляют не менее 25% от среднего значения внешней силы и центры масс этих звеньев движутся по траектории, близкой к вертикали.

Приведение сил, внесенных в табл. 5.1,осуществляется по формуле

Mлр.i = FC . i ∙ Vn . i∙cos αn . i + Gk ∙ VSk. i∙cos αSk . i ,

где М пр..i –приведенный момент сил от внешней силы, действующей на рабочее звено, и сил веса  в i -ом положении механизма;

F С. i  – величина внешней силы, приложенной к точке n ведомого звена в i-ом положении механизма;

Gk − величина силы тяжести звена k, приложенной в центре масс Sk этого звена в i-ом положении механизма;

V ’ n . i , V ’ Sk . i – аналоги скоростей соответственно точек n и Sk приложения приводимых сил в i -ом положении механизма;

αn .. i , αSk . i –углы между векторами сил и аналогами скоростей точек приложения силв i-ом положении механизма. Приведенный момент силы со своим знаком вносится в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Приведенный момент от внешней силы и сил веса

Параметр

Положение механизма

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
FC , Н                        
Gk , Н                        
V ’ n , м                        
V ’ Sk , м                        
αSk °                        
Мпр , Н∙м                        

Если работа внешней силы за цикл установившегося движения отрицательна, то на графике изображен  приведенный моментом сил сопротивления Мпр.C В противном случае получим приведенный момент сил движущих Мпр.Д .


Здесь следует иметь в виду, что если цикл машины соответствует одному обороту начального звена, то приведенные моменты отыскиваются для двенадцати положений механизма, если же цикл машины происходит за два оборота кривошипа, то приведенные моменты отыскиваются для 24-х положений механизма.

По значениям приведенных моментов сил строится диаграмма приведенного момента «Мпр.C– φ» в зависимости от угла поворота кривошипа

(рис. 5.3, а).

9. Построить диаграмму работ заданных сил в зависимости от угла поворота кривошипа (рис. 5.3, б).

Путем графического интегрирования диаграммы «Мпр – φ» строится диаграмма «АС – φ» работ заданных сил в зависимости от угла поворота кривошипа. При этом предполагается, что приведенный момент сил движущих постоянен по величине.

При установившемся движении за цикл справедливо равенство

 АС.ц = АД.ц . Следовательно, работа сил движущих будет изображена прямой линией, соединяющей начало и конец графика «АС – φ».   

Масштабный коэффициент диаграммы работ, Дж/мм:

μ А = Н μ М μ φ ,

где Н – полюсное расстояние при графическом интегрировании, мм;

 μ М и  μ φ– масштабные коэффициенты соответственно приведенного момента Мпр и угла φ на диаграмме «Мпр – φ».

Знаки АС и АД различны, однако для удобства дальнейших расчетов прямую для зависимости «АС – φ» проводят в точку, где заканчивается кривая АД

Если в соответствии с заданием сначала строится диаграмма «АД – φ», то прямой линией будет изображаться график «АС – φ».

Время цикла установившегося движения машины, с:

tц = 60 ñ /n1.


Расход мощности за цикл, т.е. средняя мощность без учета потерь трения в приводе, равен, кВт:

Здесь hц – ордината графика «АС –j», соответствующая концу цикла;

n1 – частота вращения кривошипа, об/мин;

ñ  – число оборотов начального звена за время одного цикла.  

На построенных диаграммах работ сил движущих и сил сопротивления (рис. 5.3, б) строят график разности работ или изменения кинетической энергии машины «∆Тмаш – φ». Для этого в каждом положении механизма от оси абсцисс откладывается разность ординат АД АС  . Масштабный коэффициент  последнего графика μ Т = μ А .

Методом графического дифференцирования диаграммы «АД – φ» строится график «Мпр.Д– φ» (рис. 5.3,  а).

 Рассчитать приведенный момент инерции механизма для всех его положений внутри цикла установившегося движения.

Приведенный момент инерции Jпр.i  механизма в i -ом положении определяются по формуле

,

где mk – масса k-го звена; JSk – момент инерции k-го звена относительно его центра масс Sk ; V ′ Sk . i  – аналог скорости центра масс Sk  k-го звена в i -ом положении механизма; βk . i  – аналог угловой скорости k-го звена в i -ом положении механизма;  N – количество приводимых звеньев.

Это выражение записывается в развернутом виде в зависимости от количества приводимых звеньев. Приведенные моменты инерции определяются для каждого звена в отдельности для всех положений механизма. Результаты расчетов сводятся в пояснительную записку в табл. 5.3.


Расчеты могут быть выполнены на компьютере с использованием различных редакторов или программ.

Используя полученные значения Jпр, построить в масштабе μJ график приведенных моментов инерции «Jпр – φ» механизма (рис. 5.3, в). Этот график представляет собой диаграмму кинетической энергии «Т v – φ»  звеньев механизма, изображенную в масштабе μТ v :

μТ v = 0,5 ωср2 μJ ,

где ωср – средняя угловая скорость начального звена при установившемся движении

ωср = π n1 /30.

Здесь n1 – заданная частота вращения кривошипа, мин – 1.

Таблица 5.3. Приведенный момент инерции механизма

Параметр

Положение механизма

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Звено 2

m2 =...

JS2 =...

V ′ S . 2                        
βk .2                        
Jпр.2                        

Звено 3

m3 =...

JS3 =...

V ′ S . 2                        
βk .2                        
Jпр.2                        
                       
Звено n ... ...                        

                       

11. В масштабе k Тм  построить диаграмму изменения кинетической энергии «∆ Тconstφ»  маховых масс машины (рис. 5.3, г)

∆ Тc= ∆ТмТ v.

Здесь удобнее вначале перенести построенную ранее (рис. 5.3, б) диаграмму приращения кинетической энергии машины «∆Тмаш – φ» без изменения масштаба, а зависимость «Т v – φ» построить уже в этом же масштабе. Замеряя по оси ординат расстояние между самой верхней и самой нижней точками этой диаграммы, найти отрезок С D . Определить момент инерции Jc  маховых масс машины по формуле

Jc = (CDТ /([δ] ωср2),

где [δ] – заданный коэффициент неравномерности хода машины; 

    μТ. – масштабный коэффициент диаграммы «∆ Тconstφ».

12. Выбрать электродвигатель и определить момент инерции маховика.

Выбор электродвигателя состоит в подборе его марки по табл. 5.1, исходя из его требуемой мощности,  кВт:

Рдв.тр = Рср /η,

где  Рср – средняя мощность сил сопротивления за цикл установившегося движения без учета потерь трения в приводе, кВт;

η – КПД привода. КПД принимаем η = 0,8. 

По требуемой мощности из табл. 5.1 выбирается асинхронный электродвигатель серии 4А с ближайшей, большей стандартной мощностью при заданной синхронной скорости. В табл. 5.1 указаны также величины скольжения S, %,  и mD2∙10– 4, кг ∙м2.

После выбора электродвигателя определяется частота nд , об/мин, вращения его вала, общее передаточное число u привода и приведенный момент инерции Jпр , кг ∙м2, привода по следующим формулам:

nд = nс (1 – 0,01 S %), мин 1;

u = nд / n;

Jпр ≈ 1,7 m D2 u2.

Затем определяется величина приведенного момента инерции Jмхв, кг∙м2, маховика:

Jмхв = Jc Jпр .


13. Построить диаграмму угловой скорости «ω – φ» начального звена от положения механизма и диаграмму «(dω/dφ) – φ».

С незначительной погрешностью можно принять, что график «∆ Тcφ» является диаграммой угловой скорости «ω – φ» c масштабный коэффициентом

μω = δ ωср / С D .

В нижней точке этого графика ωmin = ωср (1 – 0,5 δ). В верхней его точке ωmах = ωср (1 + 0,5 δ).

Путем графического дифференцирования графика «ω – φ» построим диаграмму «(dω/dφ) – φ» – аналога углового ускорения начального звена в зависимости от его положения φ . 

Масштабный коэффициент диаграммы «(dω/dφ) – φ»

 μ dω/dφ = μω /(H μφ),

где H – полюсное расстояние на графике«(dω/dφ) – φ».

Угловое ускорение начального звена в i-м положении механизма определяется по формуле εi = ωi (dωi /dφ) ≈ ωср (dωi /dφ).

Истинная угловая скорость ω1i, с–1, и угловое ускорение ε1i, с–2, начального звена в  i-м положении

; .

Здесь (yω.max yi) – расстояние по вертикали от верхней точки графика «ω – φ» до точки этого графика в i-м положении; – ордината диаграммы «(dω/dφ) – φ».

Численные значения угловой скорости ω1i, начального звена и углового ускорения ε1i со своим знаком для всех положений механизма сводятся в табл. 5.4.

Таблица 5.4. Угловая скорость ω1 и  угловое ускорение ε1 начального звена

Параметр

Положение механизма

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
ω, с –1                        
ε, с –2                        

 


6. СИЛОВОЙ РАСЧЕТ МЕХАНИЗМОВ

Задачей силового расчета является определение сил, действующих на звенья механизма, и сил взаимодействия этих звеньев, т. е. реакций во всех кинематических парах. Зная реакции, можно в дальнейшем выполнить расчет звеньев на прочность и выбрать подшипники. Кроме этого, при силовом расчете определяется сила, действующая со стороны привода на ведущее звено.

При силовом расчете пользуются принципом Даламбера. Согласно этому принципу, если к звеньям механизма приложить активные силы и моменты пар сил, а также силы инерции и моменты пар сил инерции, то можно условно считать, что система сил находится в равновесии и к ней применимы уравнения статики. Этот принцип носит еще одно название – принцип кинетостатики.

Для использования принципа кинетостатики необходимо уметь определять направления и величины сил и моментов сил инерции звеньев. В общем случае все силы инерции звена плоского механизма, совершающего плоскопараллельное движение и имеющего плоскость симметрии, параллельную оси движения, приводятся к главному вектору сил инерции F и, приложенному в центре тяжести звена S, и к главному моменту пары сил инерции M и (рис..6.1).

Рис. 6.1. Сила и момент инерции звена плоского механизма

Сила инерции прикладывается к центру звена S и направлена в сторону, противоположную направлению полного ускорения точки S.

,

где − вектор сил инерции звена, Н; m − масса звена, кг; as − вектор абсолютного ускорения центра тяжести звена, м/с2.


Момент пары сил инерции M и, направлен в сторону, противоположную направлению углового ускорения звена   и равен

,

где Is − момент инерции звена относительно оси, проходящей через центр тяжести S, перпендикулярной к плоскости движения звена, измеряемый в кг·м2.

Определение сил взаимодействия звеньев возможно в том случае, когда задача является статически определимой, т.е. число уравнений статики должно быть равно числу неизвестных. Не сложно доказать, что группы Ассура статически определимы. Поэтому силовой расчет производится не сразу для всего механизма или для отдельных звеньев, а по группам Ассура. входящих в его состав. Рассмотрев силовой расчет отдельных групп Ассура, можно будет производить расчет механизмов, составленных из этих групп.


Дата добавления: 2018-10-27; просмотров: 461; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!