Основные задачи динамики

При конструировании новой машины размеры опасных сечений деталей, размеры подшипников узлов, модули зубчатых зацеплений и т.д. определяются на основании расчетов на прочность в соответствии с действующими силами. В кинематических исследованиях силы не изучаются. Движение входных звеньев считается заданным. Законы движения остальных звеньев находятся из геометрических соотношений основных размеров, определяющих относительное расположение кинематических пар, например, длин звеньев – в рычажных механизмах, диаметров колес – в зубчатых. В процессе кинематического синтеза основные размеры варьируются так, чтобы обеспечивалось требуемое движение выходных звеньев.

Определение неизвестных сил, действующих на звенья механизма во время работы машин, является одной из основных задач динамики. Решение этой задачи при известных законах движения звеньев называется силовым расчетом механизма.

В теории механизмов и машин широкое применение получил метод силового расчета, основанный на принципе Даламбера, согласно которому силы, действующие на звено, можно считать уравновешенными, если к ним добавить силы инерции. Уравнения равновесия системы сил, которые в этом случае можно записать, называются уравнениями кинетостатики.

Для определения сил инерции при известных ускорениях необходимо знать массы и моменты инерции звеньев. Поэтому на первом этапе проектирования недостающими размерами звеньев и их формой задаются конструктивно. При этом производят приближенный расчет на прочность элементов некоторых деталей, определяя действующую нагрузку в статике.

К первой задаче динамики кроме силового расчета относится также вопрос об уравновешивании масс в механизмах, цель которого состоит в устранении динамических нагрузок от сил инерции на опоры механизма за счет соответствующего распределения масс звеньев (установка противовесов, применение механизмов с симметричным расположением звеньев). Этот вопрос решается одновременно с конструктивной разработкой проекта.

Зная массу и форму звеньев, кроме сил инерции можно определить силы тяжести и силы сопротивления среды, в которой движутся звенья. Для силового расчета рабочих машин должны быть заданы также силы производственного сопротивления (их зависимость от перемещения или скорости выходного звена или от времени). В одних случаях эти силы известны, а в других – определяются на основании теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия выходных звеньев с обрабатываемым материалом.

После силового расчета, последующего уточнения масс и моментов инерции по результатам расчетов на прочность конструктор приступает к решению второй задачи динамики: определению истинного движения механизма (машины) под действием приложенных сил с учетом влияния сил инерции.

При составлении динамических уравнений движения рабочей машины требуется знать механическую характеристику двигателя: зависимость развиваемого им крутящего момента (или мощности) от угловой скорости или положения. Для применяемых в технике двигателей такие характеристики известны, поэтому необходимо только найти номинальную мощность двигателя по величине затрат энергии на преодоление сил производственного сопротивления, потерь энергии на трение в кинематических парах и потерь на сопротивление среды. Номинальной называют мощность, при которой коэффициент полезного действия двигателя максимальный. Каждый двигатель развивает эту мощность при определенной угловой скорости его вала. Это обстоятельство необходимо учитывать еще на этапе кинематического исследования, задавая скорость входного звена рабочей машины.

Анализ результатов решения уравнений движения позволяет установить, какие параметры (массы, размеры, рабочие характеристики двигателя) следует изменить, чтобы движение выходных звеньев мало отличалось от требуемого. Если изменения значительные, в силовой расчет вносят необходимые уточнения.

В перечень задач, решаемых теорией механизмов и машин, не входят расчеты на прочность и разработка конструкции машин. Изучаются только методы силового анализа, кинематического и динамического исследования движения. Практически, как видно из вышеизложенного, все эти вопросы решаются в комплексе, т.е. на каждом этапе проектирования корректируются решения, полученные на предыдущих этапах, вплоть до изменения принципиальной схемы машины.

Инженеру-механику агропромышленного комплекса изучение методов теории механизмов и машин позволяет углубить понимание процессов, происходящих в машинах, повысить культуру обслуживания и качество ремонта техники, получить основы научных знаний, необходимых при модернизации технологических процессов производства и переработки сельскохозяйственной продукции.