Неравномерность движения механизмов   3103

 

Если у работающего двигателя внутреннего сгорания точным и быстродействующим прибором измерить угловую скорость ω коленчатого вала, то получим тахограмму (рисунок 2.1), из которой видно, что угловая скорость не остается постоянной в течение одного оборота коленчатого вала. Такое явление – циклически повторяющееся изменение угловой скорости кривошипа – характерно и для многих других машин: строгальных, долбежных, ткацких станков, кривошипных прессов, многих станков-автоматов, компрессоров, насосов-качалок и т.п. При этом в большинстве машин период изменения угловой скорости равен времени одного оборота кривошипа.

Причин циклической неравномерности вращения кривошипа две:

ü первая причина– непостоянство внешних сил, действующих на звеньях механизма (точнее - несовпадение по времени работ, поступающих с двигателя и расходуемых машин). Примером машины, где эта причина проявляет себя, служит тихоходный поршневой насос. В нем на такте выталкивания жидкости на поршень действует значительное усилие; оно заставляет кривошип уменьшить его угловую скорость к концу этого такта. На такте всасывания усилие на поршень невелико и двигатель к концу всасывания «разгонит» кривошип (таблица 2.1);

ü вторая причина –силы инерции, возникающие в звеньях при их движении (можно эту причину объяснить и иному: из-за изменения скоростей движения звеньев – ползуна, коромысла и т.п. – меняется их кинетическая энергия). Примерами машин, где эта причина проявляет себя, являются быстроходные автоматы, применяемые в легкой промышленности: силы инерции, возникающие из-за быстрого возвратно-поступательного движения звеньев, часто в несколько раз превосходят силы, действующие на рабочие органы (таблица 2.1).

Какая из двух причин неравномерности вращения кривошипа сказывается сильнее, зависит от соотношения рабочей нагрузки и сил инерции, действующих на звенья.

 

Таблица 2.1 – Примеры машин в зависимости от причин циклической неравномерности

 

Причина циклической неравномерности вращения кривошипа	Примеры машин
Первая причина (внешние силы, т.е. рабочая нагрузка)	Кривошипные процессы и молоты, насосы-качалки; поршневые насосы
Вторая причина (силы инерции звеньев)	Быстроходные станки-автоматы; вибраторы; полиграфические машины; текстильные машины.
Обе причины соизмеримы	Быстроходные двигатели внутреннего сгорания и компрессоры; долбежные и строгальные станки
Обе причины отсутствуют: циклического изменения угловой скорости практически нет	Токарные, фрезерные, сверлильные станки; конвейеры ленточные

 

Степень циклической неравномерности вращения кривошипа характеризуют отношением:

, (2.3)

называемым коэффициентом неравномерности движения. Т.е., коэффициент неравномерности движения механизма δ – это отношение разности между максимальной и минимальной угловой скорости к её среднему значению.

Бόльшие значения δ нежелательны по ряду причин:

ü Во-первых, большие колебания скорости могут ухудшить рабочий процесс: в полиграфических машинах (могут смазывать изображение); в текстильных машинах (могут обрывать нить) и т.п.

ü Во-вторых, при увеличении δ возрастают динамические нагрузки в приводе от двигателя к рабочему органу и увеличиваются опасные резонансные колебания в валах.

ü В-третьих, асинхронные электродвигатели, приводящие в движение большинство машин, не допускают, чтобы колебания их угловой скорости превосходили 3-5 %, т.к. при δ = 0,03-0,05 их КПД уменьшается, обмотки перегреваются, что может привести к короткому замыканию.

Поэтому, проектируя машину, нужно обеспечить, чтобы при ее работе коэффициент неравномерности движения δ был меньше предельно допустимой величины. В таблице 2.2 приведены ориентировочные допустимые значения δ для типичных машин.

 

Таблица 2.2 - Ориентировочные допустимые значения δ для типичных машин

 

Машины	Коэффициент неравномерности движения
Авиационные двигатели внутреннего сгорания (поршневые)	Менее 0,001
Двигатели внутреннего сгорания для наземного транспорта	0,01-0,03
Металлорежущие станки (строгальные, долбежные и т.п.)	0,03-0,05
Прессы, молоты, дробилки (с приводом от электродвигателей с повышенным скольжением)	До 0,1-0,15
Сельскохозяйственные машины	До 0,1- 0,02
Насосы	0,2 - 0,03

 

Для изучения периодических колебаний скоростей во время установившегося движения необходимо знать среднюю скорость механизма. Т.к. скорость меняется от минимального значения до максимального, то средняя скорость будет равна средней арифметической

. (2.4)

На паспорте двигателя такая скорость обычно указывается как номинальная.

Физический смысл коэффициента неравномерности δ. Коэффициент неравномерности движения характеризует только перепад угловой скорости ведущего звена в пределах от ω_min до ω_max, но не показывает динамику движения внутри одного полного цикла периода установившегося движения, т.е. не зависит от частоты колебаний.

На рисунке 2.2 показаны два графика зависимости ω = ω(φ), у которых ω_max и ω_min равны, но угловые ускорения для графика (рисунок 2.2, б) значительно больше. Поэтому и динамические характеристики различны, т.е. различны кинетическая энергия, момент инерции и др.

Коэффициент неравномерности рассчитан для некоторого вида машин. Для каждого вида машин имеется своя допустимая величина δ, выработанная практикой (таблица 2.2). Наилучшие условия работы всех машин – абсолютно равномерное вращение их главного вала (ведущего звена), т.е. когда δ = 0. Допустимые δ приводятся в справочной литературе и учебных пособиях по расчету механизмов.

а - с плавным изменением угловой скорости; б - менее плавным

Рисунок 2.2 - Графики зависимости угловой скорости

от угла поворота