Регулятори швидкості

За допомогою маховика можна регулювати швидкість руху ланки зведення механізму або машини лише для періодичних і ко­роткочасних неперіодичних коливань швидкості тобто коли рушійні сили і сили опору, як правило, змінюються протягом циклу за певним законом і робота рушійних сил за повний цикл дорівнює роботі сил опору. Крива Віттенбауера при такому русі - замкнута крива і має ціл­ком визначену форму.

Проте маховик не може регулювати довгочасні і неперіодичні коливання швидкості, коли робота рушійних сил не дорівнює роботі сил опору. Наприклад, навантаження на двигун внутрішнього згорання авто­мобіля значно зростає внаслідок крутого підйому дороги Це викликає значну зміну моменту сил опору на валу двигуна, у результаті цього по­рушується відповідність між роботою рушійної сили двигуна і роботою сил опору руху автомобіля, що викликає зменшення його швидкості. І навпаки, при крутому спуску автомобіля, його швидкість може значно збільшуватися до величини, яка буде більшою з точки зору безпеки руху. Водій автомобіля здійснює регулювання швидкості руху за рахунок змі­ни роботи рушійних сил (додатковою подачею палива в двигун) або включенням додаткової роботи сил опору (гальмуванням). Це дозволяє зберігати відповідний баланс робіт і необхідну швидкість автомобіля.

Таким чином, щоб забезпечити коливання швидкості ланки зведення в заданих межах, треба щоб у машині за один цикл підтриму­валась рівність робіт рушійних сил і сил опору . Для цього, як правило, встановлюють спеціальні механізми, пристрої, які називають регуляторами швидкості. Завдання регулятора полягає в тому, щоб встановити стійкий (стаціонарний), за законом зміни значення швидко­сті режим руху початкового вала механізму або машини, чого можна досягти вирівнюванням різниці між рушійними силами і силами опору. Так, якщо внаслідок якихось причин зменшився опір і машина починає прискорювати свій рух, то регулятор автоматичнозменшує рушійні сили. Навпаки, якщо сили опору збільшилися і машина починає спо­вільнювати рух, то регулятор збільшує рушійні сили. Отже, як тільки порушується рівновага між рушійними силами і силами опору, регуля­тор повинен знов їх збалансувати і змусити машину працювати з попе­редніми або близькими до попередніх швидкостями. У деяких маши­нах, зокрема у транспортних, регулювання руху досягається не тільки зміною рушійних сил, але й сил опору (гальмуванням).

Конструкції регуляторів і схеми регулювання бувають різні. На­приклад, у практиці застосовуються так звані відцентрові регулятори,плоскі й просторові, в яких використовується відцентрова сила інерції. Є інерційні регулятори, які використовують тангенціальні (дотичні) сили інерції. Застосовуються також регулятори електричного типута ін.

Розглянемо приклад автоматичного регулювання кутової швидкості початкової ланки машинного агрегата за допомогою від­центрового регулятора швидкості. На рис. 5.7 зображено машинний агрегат [1], що складається з робочої машини 2 і теплового двигуна 1. Чутливим елементом є відцентровий регулятор 3. Регулятор складаєть­ся з двох важких куль К, що сидять на ланках АС і BD. Ці ланки шар­нірно зв'язані з ланками СЕ і DF, які в свою чергу шарнірно зв'язані з муфтою N, що може вільно ковзати вздовж напрямної . Ланки АС і BD зв'язані пружиною L, яка намагається зблизити кулі К. Регулятор приводиться в рух від початкової ланки машини парою конічних коліс H і G. При обертанні початкової ланки двигуна з кутовою швидкістю регулятор обертається зі швидкістю , при чому .

Рис. 5.7. Відцентровий регулятор швидкості

При різних кутових швидкостях початкової ланки муфта N має різні положення, які визначаються величиною відцентрової сили інерції, що діє на кулі К. Чим більше швидкість обертання вала регуля­тора, тим більші сили інерції діють на кулі, тим вище піднімається муфта N, і навпаки, чим менша швидкість , тим менші сили інерції діють на кулі, а значить, нижче знаходиться муфта N. З муфтою N з'єднано механізм, що збільшує або зменшує подачу рушійної енергії в машину. Цей механізм складається з важелів ОR і RТ і заслінки 4. Па­лець М, що належить важелю ОR, ковзає в напрямних муфти N. При­пустимо, що внаслідок зменшення сил опору кутова швидкість регулятора збільшилась. Тоді тягарі К під дією відцентрових сил відда­лятимуться від осі обертання регулятора, і муфта N переміща­тиметься вгору. При цьому важіль RТ діятиме на заслінку 4, яка, опускаючись донизу, зменшить переріз каналу, по якому надходить у двигун робоча речовина (пара, вода, газ тощо). Тоді рушійні сили зменшаться, кутова швидкість також зменшиться, і муфта N почне переміщатися вниз. Отже, заслінка 4 переміщатиметься вгору, збіль­шуючи переріз каналу. Після збільшення подачі рушійної енергії процес може знову повторитися. Отже, робота регулятора - це деякий коливальний процес. Регулятор реагує автоматично на зміну кутової швидкості початкової ланки двигуна і забезпечує подачу необхідної енергії для пересування регулювального органу. Треба відзначити, що описаний спосіб регулювання має той недолік, що після зниження навантаження кутова швидкість буде трохи вищою від тієї, яку мала ма­шина до зниження навантаження, хоч рух машини і буде усталений, але швидкості цього руху будуть вже інші і дещо більші, ніж на початку процесу регулювання. Щоб уникнути зазначеної зміни швидкості, у техніці часто застосовують складніші схеми регулювання.

Описаний тип регулятора називається регулятором прямоїдії, оскільки в ньому регулятор безпосередньо з'єднаний з механізмом, що регулює подачу рушійної енергії. У розглянутому прикладі заслінка переміщується за рахунок відцентрових сил куль регулятора. У деяких випадках цих сил може бути не досить для переміщення заслінки, тоді необхідно включити в схему регулювання допоміжне джерело енергії, яке називають сервомотором. Такі регулятори називаються регуля­торами непрямої дії.

Питання для самоперевірки

І. Задача про регулювання руху машин. 2. Причини коливань швидкості ланки зведення (головного валу машини)? Типи коливань цієї швидкості. 3. Поняття про середню швидкість і коефіцієнт нерівномірності руху машини. 4. Визначення коефіцієнта нерівномірності руху за допомогою кривої Віттенбауера. 5. Для чого встановлюють на машинах маховик? Коли його дія є ефективною? Як впливає наяв­ність маховика на час розбігу та вибігу машини? б. Що необхідно зробити, щоб зменшити вагу і розміри маховика? 7. Які допущення приймають при знаходженні моменту інерції маховика реальних машин методом Віттенбауера? 8. Призначення та принцип роботи регуляторів швидкості.

Розділ 6

ТЕРТЯ В МАШИНАХ

Під час руху одного тіла відносно іншого між поверхнями, що стика­ються, виникає взаємодія, яка перешкоджає переміщенню цього тіла, а якщо воно знаходиться в стані спокою, –його відносному зміщенню. Це явище нази­вається тертям, а сили опору – силами тертя. Отже, тертям називають опір, що виникає при переміщенні одного тіла відносно іншого. Поверхні, якими стикаються між собою тіла, називаються тертьовими.

Види тертя

Залежно від характеру відносного переміщення тіл, що стикаються, відрізняють два види тертя: ковзання і кочення. При терті ковзання одні й ті ж самі поверхні одного тіла стикаються з різними поверхнями ін­шого тіла. При терті кочення різні поверхні одного тіла послідовно сти­каються з різними поверхнями іншого тіла.

Прикладами тертя ковзання можуть служити тертя лиж по снігу, пили по дереву, різця по металу, підошви взуття по землі, цапфи вала по втулці підшипника тощо. Тертя кочення має місце при перекочуванні коліс автомобіля по землі або вагона по рейках, у шарикових або роликових підшипниках, фрикційних передачах тощо.

Для зменшення сил тертя використовують різні мастила. Залежно від їх наявності між тертьовими поверхнями відрізняють два основних види тертя: сухе тертя (без мастильних матеріалів) і рідинне тертя (з мастильними матеріалами). При сухому терті між тертьовими поверхнями тіл відсут­нє будь-яке мастило. При рідинному терті тертьові поверхні тіл повністю розділені шаром мастила (рис. 6.2) і тертя твердих частин тіла замінено тертям окремих шарів мастила. Мастило може бути твердим, рідким або газоподібним.

Крім цього, інколи ще відрізняють проміжні види тертя: граничне, напівсухе і напіврідинне. При граничному терті на тертьових поверхнях є тонкі адсорбовані маслянисті плівки. Напівсухе і напіврідинне тертя не мають між собою різкої границі: якщо перевершує сухе тертя (більша частина поверхні контакту не покрита мастилом), то вважа­ють, що тертя напівсухе, і навпаки, якщо перевершує рідинне тертя, то ма­ємо напіврідинне тертя.

Тертя ковзання

При терті ковзання виникає сила тертя ковзання (рис. 6.3, а), яку можна наближено визначити за формулою Амонтона-Кулона

(6.1)

де f- коефіцієнт тертя ковзання; N - нормальна реакція, у нашому випадку вона дорівнює силі G, яка притискає тіло 1 доповерхні тіла 2 (N=G).

Рис.6.3. Тертя ковзання:

а) кут тертя; б) тертя на похилій площині; в) конус тертя

Сила нормального тиску дорівнює вазі тіла тільки тоді, коли поверхня ковзання – горизонтальна площина і на тіло не діють інші сили, крім сили його ваги. Якщо тіло лежить на похилій площині (рис. 6.3, б), то нормальна реакція , де - кут нахилу площини. Якщо ж на тіло крім сили тяжіння діють ще інші сили, то за силу нормального тиску на поверхню треба приймати нормальну складову рівнодіючої всіх прикладених до нього сил.

Під коефіцієнтом тертя ковзання розуміють відношення сили тертя до нормальної реакції:

. (6.2)

Коефіцієнт тертя залежить від матеріалу тіл, що стикаються, і фі­зичного стану тертьових поверхонь, тобто від величини і характеру шорсткості, наявності мастила, вологості, температури та інших умов. Матеріали, які мають високий коефіцієнт тертя, називають фрикційними(шкіра, гума, текстоліт, азбест тощо) і, навпаки, низький коефіцієнт тертя, – антифрик­ційними(бронза, бабіт, сірий чавун, капрон і деякі інші види пластмас).

Відрізняють силу і коефіцієнт тертя спокою і руху. Сила тертя під час руху менша сили тертя спокою. Це ж відноситься і до коефіцієнта тер­тя. Сила тертя завжди направлена в бік, протилежний відносним швид­костям, а в стані спокою тіла – протилежно силі, яка намагається вивести це тіло зі стану спокою.

Кут , на який через тертя відхиляється від нормальної реакції N повна реакція R опорної поверхні (рис. 6.3, а), називається кутом тертя. З рис. 6.3, а видно, що

. (6.3)

Але з формули (6.2) маємо, що

Отже,

, або (6.4)

Тангенс кута тертя дорівнює коефіцієнту тертя ковзання. Інакше кажучи, кутом тертя називається кут, тангенс якого дорівнює коефіцієнту тертя ковзання.