tmmivan

174

9. Регулирование движения машин

Большинство известных машин способны эффективно работать лишь наопределенных скоростных режимах. При этом существуют множество внутренних (свойственных самой машине) и внешних причин, действие которых делает скоростной режим машины нестабильным, а в некоторых случаях вообще нарушает ее работоспособность, приводя к остановке или разносу (движению с запредельной или разрушительной скоростью).

Значимость задачи регулирования скоростного режима легко представить на примере энергетической машины гидроэлектростанции. Не будь на генераторе системы регулирования, частота вращения его зависела бы от давления воды (уровня перед плотиной) на входе водяной турбины, а так же от величины нагрузки со стороны потребителей электроэнергии, как в зависимости от времени дня и ночи, так и от работы промышленных предприятий.

Нестабильность скоростного режима генератора ведет к изменению не только напряжению в электрической сети, но и частоты переменного тока.

Следствием колебаний напряжения явилось бы изменение яркости свечения осветительных приборов, изменение мощности и скоростей электродвигателей машин, станков, приборов включенных в эту сеть, а при превышении какого-то значения напряжения привело бы к перегоранию электроламп и выходу из строя большинства электромашин – потребителей.

Нестабильность частоты переменного тока нарушила бы функционирование большинства радиотехнических устройств (радиопере-

175

датчиков и радиоприемников, телевизоров, магнитофонов и компьютеров), а так же электронных приборов и систем управления, поскольку частотные характеристики электрических контуров, фильтров, устройств развертки и синхронизации этих электронных устройств определяются, в большинстве случаев, и зависят от частоты питающей их сети.

Рассматривая скоростной режим машин можно выделить два, принципиально отличающихся, показателя оценки.

Собственно в машине (рис. 9.1., на примере пахотного трактора) механизмы преобразователей момента и движения механически жестко связанно с выходным валом двигателя. При этом значение их кинематических характеристик (перемещений, скоростей, ускорений) повторяются с чистотой вращения вала двигателя. В случае их непостоянства вследствии каких-то причин, существенным является цикличность характера этого процесса.

Связь исполнительного органа машины с нагрузкой (на примере плуга трактора и почвы) иная, поскольку здесь нет жесткой механической связи или функциональной зависимости этой связи, да и нагрузка, ввиду нестабильности (в примере обусловлено неоднородности почвы) не зависит от положения вала двигателя. Этим объясняется то, что если возникает нестабильность кинематических характеристик исполнительного органа машины относительно нагрузки, характер этой нестабильности стохастический или апериодический (рис. 9.1.).

176

Машина (трактор)

Рис. 9.1. Схема взаимодействия машины с нагрузкой. (На примере: пахотный трактор – плуг - почва).

Поскольку различен характер нестабильности скоростного режима в самой машине и ее нагрузке, то соответственно отличаются меры ее оценки, различны причины вызывающие эту нестабильность, характер ее воздействия на машину и ее элементы, на человека оператора, рабочие тела или среду, а так же различны и средства управление нестабильностью, ее регулированием.

9.1Неравномерность хода машин.

9.1.1Меры (оценки) неравномерности хода.

Смомента включения и до полной остановки любая машина проходит три стадии работы:

а) стадия разгона б) стадия установившегося движения

в) стадия останова (выбега).

177

Рис. 9.2. Стадии работы машины.

Если в машине с нагруженным исполнительным звеном нет физических причин, способных вызвать нестабильность ее скоростного режима, то по достижении номинальной угловой скорости главного вала wн =wср (рис. 9.2.) ее значение в пределах всей стадии установившегося ty будет представлять собой прямую линию. При наличии источника или причины, создавшей непостоянство скоростного режима в машине или машинном агрегате, значение угловой скорости главного вала машин будет колебаться в пределах от максимального

– ωmax до минимального – ωmin относительно среднего – ωср причем с периодом Tyст – равным длительности цикла работы машин. Под машинным агрегатом понимается машина – двигатель, кинематически жестко связанный с машиной исполнительной (нагрузкой).

Неравномерность вращения оценивается коэффициентом неравномерности хода

178

δ = ωmax − ωmin ωср

Под коэффициентом неравномерности хода понимается колебание угловой скорости относительно ее среднего значения в течении цикла работы машины.

Средняя угловая скорость машины определяется через частоту вращения – n об/мин:

ωср = 2π n (рад/с)

Чем меньше неравномерность хода машины, тем равномернее, плавнее вращается ее главный вал и тем меньше на нем пульсации момента.

9.1.2 Причины вызывающие неравномерность хода машин.

Причины, или источники неравномерности хода могут находиться как в самой машине, ее принципе действия или конструктивном решении так и в не ее – характере нагрузки или типа исполнительного органа. В общем случае большинство причин неравномерности хода можно разделить на три группы:

1)неравномерность, обусловленная непостоянством движущих сил двигателя;

2)неравномерность, вызванная знакопеременными силами инерции звеньев, совершающих возвратно-поступательное, возврат- но-вращательное и плоско-параллельное движение в механизмах преобразователей движения машин;

179

3)неравномерность, обусловленная непостоянством сил сопротивлением на исполнительном органе машины или ее нагрузке. Яркой иллюстрацией первой группы являются двигатели внут-

реннего сгорания:

а) с принудительным (искровым) воспламенением топливно-

воздушной смеси – цикл Отто.

b)с самовоспламенением от сжатия - цикл Дизеля.

Вэтих энергетических машинах уже в самом принципе действия заложена неравномерность движения, поскольку, с одной стороны, силы воспламеняющихся газов, действующих на поршень с течением времени изменяются, причем не только вследствие самого горения, но и изменения объема камеры сгорания при движении поршня под действием сил газов. С другой стороны, преобразование кривошипноползунным механизмом поступательного движения во вращательное определяет функциональную зависимость соотношения скоростей ведущего и ведомого звеньев исключающую равномерность передачи движения.

Поэтому, в течение цикла, длительность которого для двухтактного двигателя равна одному обороту коленчатого (главного) вала, а для четырехтактного двум оборотам, при движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ), вблизи которой происходит воспламенение топливовоздушной смеси и начинается рабочий ход, к нижней мертвой точке (НМТ) скорость и ускорение поршня резко растут, а затем убывают. Ускорение и последующее замедление поршня через кривошип передаются коленчатому (кривошипному) валу, который вращается, то ускоренно, то с замедлением. Поскольку обратный ход

180

поршня совершается только за счет сил инерции, то на холостом ходу движение происходит только с замедлением. Начало последующего цикла сопровождается ускорением от вспышки новой порции топливовоздушной смеси.

Таким образом, пульсация движущих сил газов приводит к колебаниям угловой скорости вала двигателя, которые могут быть оценены значением углового ускорения в пределах цикла или коэффициентом неравномерности хода.

В ДВС неотделимой компонентой, ведущей к неравномерности хода является и сам преобразователь движения.

Ползун (поршень) преобразователя и шатун, совершающие соответственно возвратно-поступательное и плоско-параллельное движение обуславливают возникновение переменных по величине и направлению сил инерции. Эти силы относятся к категории сил вредного, так же как и силы тяжести, сопротивления в силовом балансе машины. В каждое мгновение цикла они противодействуют движущим силам (силам газов над поршнем). Так как возможности снижения инертности масс этих звеньев ограничены условием прочности, а ускорения в быстроходных ДВС значительны, действие этих сил приводит к существенным колебаниям угловой скорости двигателя.

181

Рис. 9.3. Кинематическая схема кривошипно-ползунного механизма ДВС и графики зависимости сил газов в цилиндре на рабочем

ходу – PГ,скорости поршня – VП и ускорения поршня – WП.

Неравномерность хода, обусловленная переменными силами инерции характерна для многих видов технологических машин, в которых несмотря на низкие скорости движения, благодаря большим массам звеньев развиваются значительные силы. К таким машинам можно отнести долбежные и строгальные станки, механические молоты, качающиеся транспортеры.

Неравномерность хода машины, которая будучи взятой в отдельности сама работает весьма равномерно, может быть вызвана непостоянством сил сопротивления со стороны исполнительного органа.

Примером могут служить молотилки зерноуборочных комбайнов, тесто – и бетономешалки, в некоторой мере, швейные машины, то есть машины, которые при отсутствии рабочего тела или обрабатываемого материала, ткани, вращаются достаточно равномерно, но

182

при загрузке материала или ткани, сопротивление которых через звенья преобразователей движения и момента передается двигателю машины и сообщая ему переменный циклический момент сопротивления приводит к неравномерности его хода.

Аналогичная ситуация и во взаимодействии двигателя и исполнительной машины в машинном агрегате (рис. 9.4.).

Рис. 9.4. Машинный агрегат

Типичным примером машинного агрегата может служить компрессорная установка. Используемый в качестве двигателя асинхронный электромотор сам по себе обладает весьма высокой равномерностью вращения, – преобразователь момента, в виде зубчатого редуктора практически не ухудшает равномерности вращения. А вот исполнительная машина (поршневой компрессор) является мощным источником пульсаций момента сопротивления.

Причины колебаний момента схожи с причинами, присущими ДВС. Отличие лишь в том, что здесь силы газов над поршнем являются не движущими илами, а силами полезного сопротивления.

Поскольку все компоненты машинного агрегата кинематически жестко (посредством валов и соединительных муфт) связаны друг с другом, то колебания момента сопротивления компрессора передается валу двигателя и приводит к колебаниям угловой скорости его вала.

183

9.1.3.Проблемы, создаваемые неравномерностью хода машин.

Вобщем случае неравномерность хода машины может вести к следующим последствиям:

1) разрушению отдельных деталей и агрегатов машины и как следствие к катастрофе;

2) нарушению технологического процесса, снижению его эффективности;

3) снижению комфортабельности машины;

4) снижению эффективности (экономичности) машины. Коленчатые валы поршневых двигателей испытывают перемен-

ные скручивающие нагрузки. Под действием этих нагрузок в валах возбуждаются крутильные колебания. Циклическое воздействие на коленчатый вал двигателя напряжений кручения существенно снижает долговечность вала. Этим объясняется более жесткий норматив на проектное задание показателя неравномерности хода для ДВС, особенно авиационных, где разрушение коленчатого вала двигателя ведет к катастрофическим последствиям. Циклически переменная нагрузка на электродвигатель (как, например в поршневых компрессорном или насосном агрегатах) приводит к работе его на переходном (близком к пусковому) режиме, при повышенном токе в обмотках. Работа же электродвигателя в таком режиме может стать причиной теплового разрушения его обмоток.

Неравномерность хода электрогенераторного агрегата с приводом от ДВС ведет к нестабильности частоты тока, вырабатываемого генератором. Нестабильность частоты тока обуславливает нарушение технологического процесса электромашин и устройств–потребителей