Силовой расчет механизма

Силовой расчет механизма проводится для оценки прочностных свойств элементов механического оборудования и выбора двигателя по мощности, для исследования поведения системы в режиме установившегося движения и переходных режимах от одного состояния к другому. Для таких расчетов нужны дополнительные сведения о КПД всех звеньев, массах рабочих органов и нагрузках на них, массах отдельных элементов, если влияние их на расчет Рд передается от вала двигателя к рабочему органу. Часть мощности теряется в элементах кинематической цепи: в редукторе ДРр, винтовой паре ДРв, подшипниках ДЯП, скользящей паре ДРс. Выходом на энергетических диаграммах является полезная мощность Рпол на рабочем органе.
При расчетах используются следующие соотношения: мощность вращающегося элемента кинематической цепи, где М — момент на валу вращающегося элемента; со — его угловая скорость;
мощность, развиваемая поступательно движущимся органом, где F — усилие на поступательно движущемся органе; и — его линейная скорость.
Коэффициент полезного действия кинематической пары есть отношение мощности на выходе пары к мощности на ее входе.
При оценке КПД зубчатой кинематической пары, редуктора (рис. 1.2,6) входом его будет вал, сочлененный с валом двигателя, выходом — вал винта. При оценке же КПД винтовой пары и подшипника вал винта будет входом, а выходом — подвижная гайка и т. д. Из рис. 1.3, используя соотношение (1.3), получаем, что КПД всего механизма перемещения каретки, являющейся рабочим органом, будет равен произведению КПД всех входящих в него пар
Полученное выражение (1.4) носит общий характер. Здесь: Рл — мощность на валу двигателя; Рр — мощность, передаваемая редуктором на вал винта; Рв— мощность, передаваемая на подвижную гайку; Р0 — мощность, передаваемая на подвижный рабочий орган — каретку; Л10л— полезная мощность рабочего органа.
В кинематических схемах для расчетов, например, изменения скорости, действующих моментов, сил в переходных режимах пуска, торможения дополнительно приводится информация об упругостях элементов кинематической цепи и моментах инерции или массах тел. Во многих случаях упругие деформации пренебрежимо малы и не оказывают заметного влияния на характер движения рабочего органа, т. е. на технологический процесс. Тогда принимают, что элементы кинематической цепи обладают бесконечной жесткостью и для расчета динамических режимов используют уравнения движения: для вращательного движения, где 2М — сумма моментов, действующих на тело и приведенных к одному валу (см. § 1.6); /, со — момент инерции и угловая скорость вращающегося тела; для поступательного движения, где — сумма сил, действующих на тело и приведенных к одному элементу; т, v — масса тела и его скорость.
Уравнения (1.5) и (1.6) записаны в векторной форме, так как решение их зависит от направления действия сил или моментов. Если же действие моментов направлено относительно одной оси, а сил — вдоль одной прямой, то уравнения движения записывают обычно в скалярной форме, а направления действия сил и моментов (встречно или согласно) в уравнении учитывают знаками, задавшись предварительно положительным направлением.
Для вала двигателя, например, (1.5) можно представить в виде, где М — момент, развиваемый двигателем; Мс — момент сопротивления на валу двигателя.
Исследование динамических процессов в электромеханических системах имеет большое практическое значение. В системах различают два действующих силовых фактора: движущий, направленный обычно от источника энергии, и сопротивления, направленный от потребителя энергии к источнику. К силам сопротивления относят и силы трения в механизмах. Значения ускорений в механизме и, следовательно, динамические усилия в его элементах определяются разностью движущей силы и силы сопротивления, когда они направлены встречно, или их суммой, когда они направлены согласно.
Динамические усилия должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить требуемое быстродействие системы, но в то же время они должны быть ограничены для обеспечения механической и электрической прочности элементов привода в динамических режимах. В ЭТУ вопрос ограничения динамического момента актуален особенно для механизмов, работающих с жидким металлом, например разливочных кранов, механизмов наклона плавильных печей, так как возникновение больших ускорений рабочего органа может вызвать выплескивание металла, что опасно для обслуживающего персонала и оборудования.
Если же упругость элементов, входящих в кинематическую цепь, оказывает существенное для технологического процесса влияние на движение рабочего органа, в описание поведения системы в динамике вводят уравнения деформаций упругих элементов, которые для вращательного и поступательного движений соответственно будут иметь вид: где Мущ,, Fyvp — упругие момент и сила соответственно; С — жесткость упругого элемента кинематической цепи; Дф — угол закручивания и удлинение элемента кинематической цепи соответственно.
Обычно эти уравнения появляются при описании динамики механизмов, содержащих длинные относительно их 9 диаметров валы, штанги, канаты. Учет моментов и сил упругости важен, например, при проектировании механизмов и приводов перемещения электродов дуговых сталеплавильных печей в период расплавления, когда дуга между электродом и шихтой часто обрывается из-за оплавления шихты, изменения ее уровня в печи, привод работает в тяжелых динамических режимах. Регулятор мощности дуги заставляет двигатель работать на поддержание постоянства длины дуги, но этому в значительной мере могут препятствовать упругие вертикальные колебания, возникающие в механизме перемещения электродов печи в динамических режимах. Колебания электрода, а следователь- Н но, и тока в дуге оказывают существенное влияние на сеть, питающую печь, вызывая в ней колебания напряжения. При создании регуляторов мощности дуги и при разработке кинематических и конструктивных схем механизмов стремятся устранить или ограничить возможность появления колебаний электродов.
Конструктивные схемы строятся на основании кинематических и отражают конструктивное выполнение входящих в них элементов. Они выглядят более громоздко, чем кинематические, но дают более наглядное представление о механизме и широко используются как для кинематических, силовых, динамических расчетов механизмов, так и для прочностных расчетов входящих в них элементов и пар.
В задачу синтеза механизмов входят выбор структурной схемы с приведением опорной части механизма, подвижных звеньев, видов кинематических пар и их взаимного расположения; определение параметров кинематических схем по заданным свойствам механизма и параметрам движения рабочего органа.