Теория механизмов и машин

СТРОЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ МАШИН

Строение машинного агрегата

Уже несколько веков существование человечества невозможно представить без машин — устройств, различных по назначению и конструкции. Но, несмотря на эти различия, можно четко определить понятие «машина» как устройство, служащее для преобразования энергии, материалов и информации. По своему назначению машины подразделяются:

• • на энергетические;
• • технологические (рабочие);
• • транспортные и грузоподъемные;
• • информационные; и др.

Энергетические машины служат для преобразования энергии из одного вида в другой, их можно подразделить на двигатели и рабочие машины. Примерами энергетических машин, с помощью которых возможно преобразование химической, электрической, тепловой, ветровой, солнечной и термической энергий в механическую, могут служить электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания (ДВС), турбины и другие двигатели, являющиеся источниками механической энергии. Компрессоры, насосы, электрогенераторы могут служить примерами рабочих энергетических машин, являющихся потребителями механической энергии, вырабатывая другие виды энергии. Основное свойство рабочих машин — потребление ими энергии, как правило, механической. Характерным примером рабочих технологических машин являются различные механические станки (фрезерные, токарные и т. п.). Примером транспортных машин могут служить теплоход, автомобиль, транспортер, примером информационных машин — механические табло, указатели.

Рабочий процесс преобразования энергии характеризуется определенными энергетическими показателями, например давлением, температурой газов и т. п. Эти энергетические параметры, в свою очередь, характеризуют механические параметры машины, определяющие уровень механических напряжений в ее основных деталях, а также скорости, ускорения и т. п. Примерами механических характеристик машин являются зависимости крутящего момента вала двигателя от угловой скорости его вращения М (со). В современных рабочих машинах и двигателях обычно имеется орган управления, перестановка которого меняет расход энергии и ведет в свою очередь к изменению механических параметров. Это свойство изменения механических параметров машин при изменении положения управляющего органа и внешних воздействий характеризует управляемость и устойчивость, что обеспечивает возможность ее приспособления к изменению внешних условий. Таким внешним воздействием на работу двигателя является изменение момента сопротивления рабочей машины, часто называемого механической нагрузкой. Для электрического генератора под нагрузкой понимают величину тока, определяющего механическую нагрузку в виде крутящего момента вала.

Важным свойством энергетических машин, связанным с управляемостью, является их обратимость, т. е. возможность изменения направления потока преобразуемой энергии. Например, при определенном изменении управляющих ее параметров электрический двигатель, являющийся потребителем электрической энергии, превращается в генератор электрической энергии, отдавая ее в сеть и потребляя механическую энергию. Важность этого свойства машин связана с возможностью рекуперации энергии, т. е. возвращения части обычно теряемой энергии, например при торможении машины, для повторного использования.

Для преобразования движений в машине существует система взаимосвязанных тел — звеньев, образующих механизм. Механизм — это часть машины, в которой рабочий процесс реализуется путем выполнения механических движений звеньев. Несмотря на значительную разницу в функциональном назначении механизмов, в их строении много общего. Задачей курса основ проектирования машин является раскрытие общих закономерностей в строении машин и механизмов и применение их при проектировании с целью улучшения динамических качеств и экономичности расхода энергии. Принято различать два этапа синтеза. Первый — выбор структурной схемы машин и механизмов. Второй этап — определение постоянных параметров выбранной схемы, например расчет длин звеньев и передаточных отношений механизмов. Если требуется обеспечить заданные динамические свойства машины, то решается задача динамического синтеза, т. е. определение параметров, характеризующих распределение работ и энергий в цикле движения, определение необходимых масс и моментов инерции звеньев. Как правило, последующие расчеты деталей на прочность, их конструктивное оформление, выбор материалов и технологии уже не могут существенно изменить основные свойства механизмов преобразования движений и экономичности расхода энергии машины. Вот почему очень важно на самом начальном этапе проектирования машины заложить в нее возможность достижения высоких показателей экономичности расхода энергии и динамических качеств, определяющих производительность и зависящих от кинематических свойств механизмов преобразования движений.

На практике мы часто встречаем сложные схемы механизмов, получаемые при объединении машин двигателей и рабочих машин. Такое объединение называется машинным агрегатом (МА). Принципиальная схема МА, показанная на рис. 1.1, включает двигатель /, соединяемый передаточным механизмом 2 с рабочей машиной (РМ) 3. Более детальное развитие схема, представленная на рис. 1.1, получит позже на рис. 1.2, 1.8 и 1.20.

Рис. 1.1. Структурная схема машинного агрегата:

1 — двигатель; 2 — передаточный механизм; 3 — рабочая машина; 4 — управляющее устройство; со — скорость вращения; М — крутящий момент вала; U — передаточное отношение между валами;

G — расход энергии Автоматическое управление МА осуществляется с помощью управляющего устройства (УУ), часто называемого регулятором 4, который в нашем примере (см. рис. 1.1) воздействует на двигатель 1 путем изменения расхода энергии G с целью изменения крутящего момента М, и регулирования скорости вращения его вала со,. В первую очередь передаточный механизм 2 необходим в случае различия скоростей вращения валов двигателя 1 и рабочей машины 3. С техническим прогрессом скорости вращения двигателей значительно увеличились, в то время как скорости РМ возросли не столь значительно, так как их рабочие органы контактируют с естественными природными материалами, свойства которых со временем мало изменились. В результате возникает необходимость применять передаточные механизмы, например редуктор, коробку передач и др. Роль передаточного механизма заключается в согласовании характеристик двигателя и рабочей машины с целью достижения оптимальных характеристик МА по критериям экономичности, быстродействия и производительности.

Современные машины, как правило, оснащаются системой управления режимами работы или скорости. Под режимом работы машины понимается сочетание основных механических параметров, однозначно определяющих производительность, расход энергии, напряженное и тепловое состояние деталей и др. Из этих механических параметров часто выделяют нагрузку, иод которой обычно понимают крутящий момент М_кр вала машины, и скорость вращения того же вала со (см. рис. 1.1). Комбинация двух этих режимных параметров практически однозначно определяет другие параметры машины, например, мощность.

Режим работы МА может быть рассчитан наложением механических характеристик (зависимостей крутящего момента М двигателя и РМ от скорости со). Обычно при этом пренебрегают их колебаниями относительно среднего значения, т. е. рассматривают пересечение квазистационарпых характеристик при со = const. Среди режимов работы выделяют номинальный, близкий к режиму максимальной мощности и экономичности, а также режим холостого хода, при котором нагрузка отсутствует (М = 0), причем скорость вращения принимает максимальное со_шахили минимальное co_min значения.

В основе принципа работы системы управления МА лежит осуществление прямого воздействия на орган управления машиной и определение реакции на это воздействие — так называемой обратной связи. Обратная связь, показанная на рис. 1.1 пунктиром, реализуется при помощи специального датчика, передающего информацию о текущей скорости вращения со, вала 1 двигателя регулятору 4. Например, в дизельном ДВС в качестве УУ подачи топлива G используется топливный насос регулируемой производительности, оснащенный центробежным регулятором скорости со,. Более подробно они будут рассмотрены позже. Управляя скоростью вращения вала со, двигателя, тем самым управляют и скоростью движения машины. Например, управление со, вала судового двигателя (рис. 1.2) осуществляется с помощью механического регулятора, воздействующего на подачу топлива G в цилиндр ДВС. Однако управление машинами по расходу энергии часто практикуется на основе предварительной информации о характеристиках машин, полученных экспериментальным или расчетным путем. Например, на рис. 1.2 показана.

Рис. 1.2. Структурная схема силового агрегата судового двигателя:

1 — коленчатый вал с маховиком, соединенный зубчатой передачей 8 с кулачковым валом 7; 2 — шатун; 3 — поршень; 4 — планетарный редуктор; 5 — клапан с пружиной; в — толкатель, соединенный рычагом с клапаном; 9 — винт структурная схема силового агрегата судового двигателя, в котором система управления воздухоподачей осуществляется клапанами 5 ДВС с помощью кулачкового вала 7, связанного с коленчатым валом 1 зубчатой передачей 8. Рабочий процесс в цилиндре ДВС осуществляется подачей топлива и открытием и закрытием клапанов, оптимальные фазы движения которых выявляются путем экспериментальных испытаний на стенде.