Nguyên lí máy - Chương 5: Động lực học máy

Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường NGUYÊN LÝ MÁY GV: ThS. TRƯƠNG QUANG TRƯỜNG KHOA CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường - 2 - Nguyên Lý Máy Chương 5 ĐỘNG LỰC HỌC MÁY Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường - 3 - ĐẠI CƯƠNG -Việc xác định chuyển động của máy dưới tác dụng của các lực là một vấn đề cơ bản của động lực học máy - Nhiệm vụ quan trọng của động lực học là xác định hàm số chuyển động của các khâu, có tính đến các lực và mômen quán tính, khối lượng, tính chất đàn hồi của các vật liệu, lực cản của môi trường chuyển động của máy, cân bằng lực quán tính, bảo đảm máy làm việc bình ổn. Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường I. KHÂU THAY THẾ - CÁC ĐẠI LƯỢNG THAY THẾ 1. Khâu thay thế - 4 - - Chuyển động của các khâu trong máy phụ thuộc vào chuyển động của khâu dẫn Để biết chuyển động thực của máy ta chỉ cần biết chuyển động thực của khâu dẫn Chọn khâu dẫn làm khâu thay thế Yêu cầu: - Động nĕng khâu thay thế bằng động nĕng của toàn bộ cơ cấu khi chuyển động: Et = Ei - Công suất các lực tác động lên cơ cấu bằng công suất của lực tác động lên khâu thay thế: Nt = Ni Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường - 5 - 2. Các đại lương thay thế a. Khối lượng thay thế 2 2 2 1 . . . 2 2 n t i si si i i m V m V J    2 2 1 . . n si i t i si i V m m J V V                 Các giá trị (Vsi/V) và (i/V) xác định dựa vào họa đồ vận tốc I. KHÂU THAY THẾ - CÁC ĐẠI LƯỢNG THAY THẾ Cân bằng động nĕng: b. Momen quán tính thay thế 2 2 2 1 . . . 2 2 n t i si si i i J m V J    2 2 1 . . n si i t i si i VJ m J                    Các giá trị (Vsi/) và (i/) xác định dựa vào họa đồ vận tốc Cân bằng động nĕng: Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường - 6 - - 6 - 2. Các đại lương thay thế c. Lực thay thế   1 . . .cos . n t i i i i i i P V P V M      1 . .cos . n i i t i i i i VP P M V V       Các giá trị (Vi/V) và (i/V) xác định dựa vào họa đồ vận tốc I. KHÂU THAY THẾ - CÁC ĐẠI LƯỢNG THAY THẾ Cân bằng công suất: d. Momen thay thế  Các giá trị (Vi/) và (i/) xác định dựa vào họa đồ vận tốc Cân bằng công suất:   1 . . .cos . n t i i i i i i M P V M      1 . .cos . n i i t i i i i VM P M         Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường - 7 - 1 k  1 kV  II. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MÁY 1. Phương trình động nĕng d cA A E   2 2 1 1 2 2 2 2 1 1. . . . 2 2 t t td tc J JM d M d           Trong đó: + E: độ biến thiên động nĕng của cơ cấu. E = E2 – E1, với E1, E2 là động nĕng của khâu thay thế tại thời điểm t1 và t2. + Mtđ, Mtc: mômen thay thế của các lực phát động và lực cản. + Ađ, Ac: công của lực phát động và công của lực cản trong khoảng thời gian từ thời điểm t1 đến t2, tương ứng với góc quay của khâu thay thế là 1 và 2. + 1, 2: vận tốc góc của khâu thay thế tại thời điểm t1 và t2. Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường II. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MÁY Đặc điểm động lực học trong các thời kỳ chuyển động của máy + Thời kỳ chuyển động mở máy: Bắt đầu mở máy  1 = 0  1 = 0  Ađ – Ac = E > 0  Công động > Công cản  Máy sẽ chuyển động nhanh dần, công thừa biến thành động nĕng + Thời kỳ chuyển động bình ổn:  1 = 2  Ađ – Ac = E = 0  Công động = Công cản  Chuyển động của khâu thay thế là chuyển động đều + Thời kỳ chuyển động tắt máy: Khi tắt máy  2 = 0  2 = 0  Ađ – Ac = E < 0  Biến thiên động nĕng âm  động nĕng giảm dần  Khâu thay thế chuyển động chậm dần Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường II. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MÁY Đặc điểm động lực học trong các thời kỳ chuyển động của máy t 0  Mở máy Chuyển động bình ổn Tắt máy Các thời kỳ chuyển động của máy Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường II. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MÁY 2. Phương trình chuyển động của máy viết dưới dạng momen 2 2 2 2 t t d c t J . dJd dM M M . J . d d dt            (phương trình dạng này ít được sử dụng) Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường  Trong khi giải bài toán phân tích động học cơ cấu, ta giả sử là khâu dẫn quay đều. Thực tế, các lực tác động lên máy luôn thay đổi, vị trí cơ cấu luôn luôn thay đổi. Vì vậy chuyển động thật của khâu dẫn là không đều. Xác định chuyển động thật của máy, tức là xác định vận tốc của khâu dẫn tại từng vị trí của cơ cấu.  Xét khâu thay thế là khâu quay, có mômen quán tính là Jt, chịu tác động của các mômen thay thế là Mtđ và Mtc.  Trong thực tế, đại lượng Mt này có thể là hàm của , của  hoặc của t; hoặc có thể là hàm của các thông số , , t.  Ví dụ:  Động cơ điện: Mđ = Mđ().  Động cơ đốt trong: Mđ = Mđ(,).  Máy bơm, quạy ly tâm: Mc = Mc().  Máy ép: Mc = Mc() - 11 - III. CHUYỂN ĐỘNG THẬT CỦA MÁY Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường Dựa vào phương trình chuyển động của máy, xác định vận tốc góc khâu dẫn: - 12 - III. CHUYỂN ĐỘNG THẬT CỦA MÁY 2 1 2 o đ c t [ E ( M M )d ] J       Thay thế các đại lượng   =  ()  Bài toán đã giải xong Thực tế, các hàm Mđ, Mc, Jt đều cho trước và thường ở dạng bảng số hay đồ thị. Giải bài toán bằng phương pháp số hay phương pháp đồ thị. Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường - 13 - III. CHUYỂN ĐỘNG THẬT CỦA MÁY 1. Phương pháp số          2 1 2 1 1 1 1 1 2 2 i i td tc i J M M d J                  Trong đó                 1 2 1 1 1 1 2 1 2 i i i i i i d c i i i i E J E M M d M M             ;             - Biểu thức vận tốc trên có thể viết lại dưới dạng Hay        1 1 2 i i i E E J         Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường - 14 - III. CHUYỂN ĐỘNG THẬT CỦA MÁY 1. Phương pháp số Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường - 15 - III. CHUYỂN ĐỘNG THẬT CỦA MÁY 2. Phương pháp đồ thị      , ,c dJ M M        d cM M M     M   E   E   E J  E   J  - Xây dựng đồ thị - Cộng đồ thị - Tích phân đồ thị  đồ thị  đồ thị - Xây dựng đồ thị (đường cong Wittenbauer) từ đồ thị và đồ thị Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường - 16 - III. CHUYỂN ĐỘNG THẬT CỦA MÁY 2. Phương pháp đồ thị M  A  E  E Eo Jt 0 E Jt  1 2 3 4 5 6 7 8 0 0 1 2 3 4 5 6 7 80 1 2 3 4 5 6 7 80 1 2 3 4 5 6 7 8 i 2 13 4 5 6 7 8 Ji Ei i min max i a) b) c) d) e) Mc() Md() Ac() Ad() Khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường - 17 - III. CHUYỂN ĐỘNG THẬT CỦA MÁY 2. Phương pháp đồ thị Từ đường cong Wittenbauer xác định vận tốc 1 như sau:     k k k k E E J J     + Tại  = k, động nĕng và momen quán tính của máy có giá trị: Xác định bởi điểm K trên đường cong + Gọi  OJ,OKk  , ta có        k / tan OJ / k kk Ek J k k EJ E EOE J J          + Do đó         1tan 2 2 tan k k k k kE E k k J J E E J J            Trường hợp tổng quát, đường cong E(J) gồm ba giai đoạn: Khởi động, chuyển động bình ổn và tắt máy. Trong giai đoạn bình ổn,  biến thiên giữa max và min Vận tốc máy biến thiên trong khoảng 1min  1max  biến thiên giữa