Динамический анализ и синтез механизмов

Динамический анализ механизма машины – определение кинематических характеристик (скорости, ускорения, времени срабатывания и др.) посредством решения уравнения движения. Выбор способа решения уравнения движения зависит от характера действия заданных сил и от передаточных свойств механизма. При этом известны размеры, массы и моменты инерции звеньев.

Обратная задача, когда заданы кинематические характеристики режима движения машины и необходимо найти массы, моменты инерции, а следовательно, и размеры звеньев, при которых механизм, нагруженный заданными силами двигался бы в требуемом режиме – это динамический синтез механизма.

Т.к. машина – это устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации, то через нее проходит поток механической энергии от ее источника до ее потребителя. Обычно источник (двигатель) и потребитель (рабочая машина) связаны передаточным механизмом. Т.о. машина – это сложная система, состоящая из трех частей:

Группы сил и пар сил, действующих на механизм машины:

1. Движущие силы и моменты, совершающие положительную работу. Приложены к ведущим звеньям;

2. Силы и моменты сопротивления, совершающие отрицательную работу:

   1. Силы и моменты полезного сопротивления – приложены к ведомым звеньям, совершают требуемую от машины работу;

   2. Силы и моменты сопротивления среды, в которой движутся звенья.

3. Силы тяжести подвижных звеньев и силы упругости пружин. За полный кинематический цикл работа этих сил равна нулю.

4. Силы и моменты, приложенные к корпусу машины, т.е. извне – сила тяжести корпуса, реакция основания (фундамента) и др. Т.к. эти силы приложены к неподвижному звену (стойке), то работы они не совершают.

5. Силы взаимодействия между звеньями механизма, т.е. силы, действующие в его кинематических парах. Эти силы (III закон Ньютона) всегда взаимообратны. Их нормальные составляющие работы не совершают, а касательные (силы трения) на относительном перемещении звеньев совершают отрицательную работу.

1,2,3 – внешние активные силы, 4 – внешние, но не все активные. В большинстве случаев движущие силы и моменты, силы и моменты сопротивления не остаются постоянными, а изменяют свою величину при изменении положения звеньев механизма или их скорости. Эти зависимости называются механическими характеристиками, при решении задач являются известными и могут быть представлены графически, массивом чисел или аналитически. Диаграмма изменения мощности на валу двигателя или среднего момента в зависимости от числа оборотов называется механической характеристикой двигателя:

При увеличении скорости вращения момент двигателей (источников) обычно уменьшается, а момент рабочих машин (потребителей) обычно по модулю увеличивается. Это свойство называется саморегулированием и автоматически содействует устойчивому поддержанию установившегося режима движения машины.

Для механизма двухтактного ДВС сила Fд, приложенная к поршню, действует всегда влево. Поэтому при движении поршня влево (процесс расширения газов) она совершает положительную работу и показана со знаком «+», при движении вправо – отрицательную (площадь под графиком).

Положительная часть работы больше отрицательной, поэтому работа силы Fд за полный период будет положительной. Т.о. сила Fд, хоть и знакопеременна, является движущей.

Для основного механизма четырехтактного двигателя внутреннего сгорания закон изменения давления P газа в цилиндре задается индикаторной диаграммой – зависимостью P=ƒ(H) (Н – ход поршня):

Полный цикл работы двигателя заканчивается в течение двух оборотов кривошипа. За первую половину оборота происходит всасывание горючей смеси FO, за вторую половину оборота сжатие этой смеси OD, по кривой DA – воспламенение смеси, по кривой AB – расширение воспламененной смеси (рабочий ход) по кривой BF – выхлоп.

Для компрессора простого действия закон изменения давления газа в цилиндре дается также индикаторной диаграммой:

Кривая FCD – сжатие газа,

DA – выхлоп,

AB – расширение газа, оставшегося в мертвом объеме,

BF – всасывание новой порции газа