Характеристики рабочих процессов

Характеристикой рабочего процесса называют математическую модель полезной нагрузки, приложенной к рабочему органу машины. Характеристика рабочего процесса представляется в виде:

,

где x – координата рабочего органа, t – время. Такую характеристику называют статической, так как она не учитывает того факта, что полезная нагрузка прикладывается к рабочему органу не мгновенно. Как правило, в большинстве задач силового анализа такого упрощенного представления о характере силы полезного сопротивления бывает достаточно. При необходимости учета постепенного приложения нагрузки переходят к динамической характеристике рабочего процесса:

,

где τ, с – постоянная времени полезной нагрузки. Нетрудно заметить, что при будем иметь статическую характеристику.

Пример 1.

Простейшая характеристика рабочего процесса подъемного крана имеет вид:

,

где m – наибольшая масса поднимаемого груза, - ускорение свободного падения.

Пример 2.

Характеристика рабочего процесса воздушного поршневого компрессора изображена на рис. 25: P – равнодействующая сил давления воздуха на поршень, x₁ – положение поршня, при котором закрыты впускной и выпускной клапаны (сжатие), x₂ – при котором открывается выпускной клапан (нагнетание), x₃ – при котором закрывается выпускной клапан (разрежение), x₄ – при котором открывается впускной клапан (всасывание).

Работа силы полезного сопротивления воздуха за один цикл вычисляется как площадь внутри характеристики рабочего процесса: .

Определение характеристик рабочих процессов конкретных машин и агрегатов не является задачей теории механизмов. Например, рабочие характеристики металлорежущих станков определяются в теории резания, компрессоров – в теории компрессорных машин и т.д.

Силовой анализ механизма

Дадим постановку задачи силового анализа. Известны: кинематическая схема механизма, результаты его структурного и кинематического анализа, массово-геометрические характеристики звеньев (массы, центры масс, моменты инерции относительно осей, проходящих через центры масс), характеристики рабочих процессов. Известны также активные силы, приложенные к звеньям (ветровая нагрузка, силы тяжести, силы упругости пружин и т.п.). Требуется определить:

· главные векторы и главные моменты сил реакций в кинематических парах механизма;

· Обобщенные движущие силы и моменты на входных звеньях механизма.

В приближенных расчетах на ранних стадиях проектирования силовой анализ механизма проводят в предположении, что звенья – абсолютно твердые тела. Ясно, что силовой анализ требует предварительной конструкторской проработки механизма, так как приближенные значения массово-геометрических характеристик звеньев могут быть получены, если известны основные геометрические размеры звеньев и материалы, из которых они будут изготовлены.

Результаты силового анализа в дальнейшем проектировании механизма используются следующим образом. Информация о силах и моментах реакции в кинематических парах позволяет, при необходимости, рассчитать силы трения и уточнить силовой расчет механизма, а также выполнить прочностные расчеты звеньев. Информация о движущих силах и моментах дает возможность рассчитать энергетические характеристики машины и правильно спроектировать привод. Кроме того, имея результаты силового анализа, можно решать оптимизационные задачи проектирования (например, спроектировать механизм, обладающий наименьшей массой или наибольшим коэффициентом полезного действия). Таким образом, силовой анализ является важным этапом исследования механизмов в решении задач проектирования и модернизации машин.