Лекція 9 рівняння руху механізму

При вивченні руху механізму ми звичайно припускали, що по­чаткова ланка (головний вал машини) обертається із сталою швидкістю (₁ = const). Цей закон руху можна одержати в тих випадках, коли структура механізму проста, наприклад у ме­ханізмах, що складаються тільки з обертових ланок. Для здійснення такого руху потрібні цілком певні співвідношення між силами, що діють на механізм, і масами його ланок. Але закон зміни сил залежить від їх фізичної природи й до структу­ри механізму не має відношення. Тому не можна встановити між силами, що діють на механізм, таке співвідношення, яке б забезпечило заданий закон його руху.

Закон руху будь-якої ланки механізму можна визначити ли­ше тоді, коли відомі всі зовнішні сили, або залежність цих сил від різних параметрів. Як було показано раніше, рушійні сили й сили виробничих опорів можуть залежати одно­часно або окремо від положення ланки, яка прийнята за почат­кову, або від її кутової швидкості. Зведені моменти інерції J_зв механізму чи машини можуть бути або сталими, або залежати від положень початкової ланки.

Визначення закону руху механізму, що перебуває під дією прикладених до його ланок сил, і є задачею динамічного аналізу. Для механізму, що має один ступінь вільності, цю зада­чу можна вважати розв'язаною, коли буде встановлено закон руху однієї ланки. Звичайно за таку ланку вибирають вхідний вал робочої машини або вихідний вал двигуна. До цієї ланки, що приймається за ланку зведення, доцільно звести всі сили й моменти пар сил, прикладені до механізму, та маси й моменти інерції його ланок. Тоді замість розгляду всього комплексу сил, що діють на ланки механізму, можна розглянути сили, що діють лише на одну ланку — ланку зведення, наприклад кривошип ОА (рис. 9.1), що перебуватиме під дією сили F_зв або зведеного моменту M_зв (у загальному випадку змінних) і матиме зведену масу m_зв, зосереджену ніби в точці А зведення, або зведений момент інерції J_зв всіх ланок, який наданий ланці зведення ОА. Закон руху всіх інших ланок механізму можна визначити, якщо відомий закон руху початкової ланки.

Рис. 9.1

Для розв'язання цієї задачі динаміки (знаходження закону руху початкової ланки механізму) використовують рівняння руху, яке може бути записане в енергетичній або диферен­ціальній формі.

Основою для складання рівняння руху механізму служить теорема про зміну кінетичної енергії:

Зміна кінетичної енергії механічної системи за будь-який проміжок часу дорівнює сумі робіт усіх прикладених сил, що діють на цю систему протягом цього ж проміжку часу:

(9.1)

де — кінетична енергія механічної системи відповідно в кінці і на початку проміжного часу, який розглядається; — сума робіт усіх прикладених до системи сил; i = 1, 2, 3, ..., п — кількість сил. Тут т_зв, т_зв0 — зведені ма­си механізму відповідно в кінці і на початку проміжку часу, який розглядається; v_зв, v_зв0 — швидкості точки зведення, які відповідають цим положенням механізму.

Розглядаючи механізм чи машину як змінну систему, праву сторону цього рівняння можна виразити через суму робіт рушійних сил А_p, корисних A_к.о і шкідливих A_ш.о опорів:

(9.2)

Крім цього, якщо звести всі сили й маси до вибраної ланки зведення, рівняння (9.1) з урахуванням (9.2) можна записати так:

(9.3)

При обертовому русі ланки зведення рівняння (9.3) можна записати в такому вигляді:

(9.4)

де , — зведені моменти інерції механізму; , ₀ — кутові швидкості ланки зведення відповідно в кінці і на початку проміжку часу, який розглядається.

Теорема про зміну кінетичної енергії, записана у вигляді рівнянь (9.3) або (9.4), має назву рівняння руху механізму в енергетичній формі (у формі інтеграла енергії).

Враховуючи, що роботу зведених рушійних сил і сил опо­ру можна виразити через зведений момент М_зв = М_р + М_с рушійних сил і сил опору, який прикладаємо до ланки зве­дення:

(9.5)

рівняння (9.4) записуємо у вигляді:

(9.6)

де  — узагальнена координата (кут повороту ланки зведення);

₀ — значення кута  на початку руху.

Рівняння руху механізму може також бути записано в дифренціальній формі, яке можна дістати з рівняння кінетичної енергії в диференціальній формі:

(9.7)