71 Трение в механизмах. Виды трения.
Способность контактирующих поверхностей звеньев сопротивляться их относительному движению называется внешним трением. Трение обусловлено неидеальным состоянием контактирующих поверхностей (микронеровности, загрязнения, окисные пленки и т.п.) и силами межмолекулярного сцепления. Трение в кинематических парах характеризуется силами трения и моментами сил трения. Силой трения называется касательная составляющая реакции в КП (составляющая направленная по касательной к контактирующим поверхностям), которая всегда направлена против вектора скорости относительного движения звеньев.
Различают следующие виды трения:
трение покоя проявляется в момент, когда два тела находящиеся в состоянии относительного покоя начинают относительное движение (касательную составляющую возникающую в зоне контакта до возникновения относительного движения, в условиях когда она меньше силы трения покоя, будем называть силой сцепления; максимальная величина силы сцепления равна силе трения покоя);
трение скольжения появляется в КП при наличии относительного движения звеньев; для большинства материалов трение скольжения меньше трения покоя;
трение качения появляется в высших КП при наличии относительного вращательного движения звеньев вокруг оси или точки контакта;
трение верчения возникает при взаимодействии торцевых поверхностей звеньев вращательных КП (подпятники).
Кроме того по наличию и виду применяемых смазочных материалов различают:
1.Без смазочных материалов
2.Со смазочными материалами
2)жидкостное(гидростатическое, гидродинамическое, упругогидродинамическое)
3)с воздушной смазкой (газостатическое, газодинамическое)
Сила трения покоя зависит от состояния контактных поверхностей звеньев, а сила трения скольжения - также и от скорости скольжения.
Силы в кинематических парах с учетом трения.
Поступательная КП
При силовом расчете с учетом трения в поступательной КП определяются:
реактивный момент Mij ,
величина реакции Fij ;
направление вектора Fij ;
известны: точка приложения силы - геометрический центр кинематической пары A1п. и коэффициент трения скольжения f .
Полная величина реакции в КП равна векторной сумме Fij = F n ij + Fтр ij или
Fij = F n ij 1 + f 2 ,
где Fтр ij = F n ij tg = F n ij f - сила трения скольжения, - угол трения , f - коэффициент трения скольжения (tg f , так как мало).
Если tg f 0, то Fij F n ij , т.е. к решению без учета трения.
Число неизвестных в поступательной КП при силовом расчете с учетом трения увеличилось и равно ns = 3.
2. Вращательная кп
С иловой расчет с учетом трения является моделью КП более высокого уровня, с большей степенью приближения модели к реальной КП. При этом известны геометрические размеры элементов КП (радиусы цапф) и коэффициент трения скольжения. Так как в реальных парах имеются зазоры, то на расчетной схеме пару представляют как высшую.
При силовом расчете c учетом трения во вращательной КП определяются:
направление реакции Fij ;
величина реакции Fij ;
величина силы трения Fтр ij;
известно: линия действия нормальной составляющей проходит через центр КП точку B1в. , коэффициент трения скольжения , радиус цапфы ri rj .
Момент трения в КП
Мтр ij = Fтр ij ri = F n ij ri f = Fij cos tg ri = Fij ri sin = Fij,
где - радиус круга трения = ri sin ri tg ri f.
Число неизвестных во вращательной КП при силовом расчете с учетом трения увеличилось и равно ns = 3.
3.Высшая КП. В высшей паре два относительных движения - скольжение и перекатывание. Поэтому здесь имеют место два вида трения - трение скольжения и трение качения
При силовом расчете в высшей КП определяются:величина реакции Fij ;направление реакции Fij ;момент сил трения Мтрij
точка приложения силы - точка контакта рабочих профилей кинематической пары С2вп;, направление нормальной составляющей F n ij - контактная нормаль к профилям (размеры и форма профилей заданы);
направление тангенциальной составляющей Fтрij - касательная к профилям в точке контакта; коэффициенты трения качения k и скольжения f.
Полная величина реакции в КП равна векторной сумме
Fij = F n ij + Fтр ij или Fij = F n ij 1 + f 2 .
Момент трения в КП Мтр ij = F n ij k = Fij k / 1 + f 2 .
Число неизвестных в высшей КП при силовом расчете с учетом трения увеличилось с ns = 1 до ns = 3 ( так как в паре имеется два вида трения).
Силовой расчет механизмов с учетом сил трения.
Постановка задачи силового расчета: для исследуемого механизма при известных кинематических характеристиках и внешних силах, а также размерах элементов КП и величинах коэффициентов трения в них, определить уравновешивающую силу или момент (управляющее силовое воздействие) и реакции в кинематических парах механизма.
Методы решения задач силового расчета с учетом трения :
составление общей системы уравнений кинетостатики с уравнениями для расчета сил и моментов сил трения с числом уравнений соответствующим числу неизвестных;
метод последовательных приближений: на первом этапе решается задача кинетостатического расчета без учета трения и определяются нормальные составляющие реакций, по ним рассчитываются силы трения и определяются реакции с учетом трения.
Примечание: силовой расчет с учетом сил трения можно проводить на тех этапах проектирования, когда уже определены размеры элементов КП, материалы звеньев, образующих пары, классы чистоты рабочих поверхностей КП, вид смазки и скорости относительных движений, т.е. параметры по которым можно определить коэффициенты трения.
Понятие о КПД механической системы.
Коэффициентом полезного действия или КПД механической системы называют отношение работы сил полезного сопротивления к работе движущих сил за цикл ( или целое число циклов ) установившегося режима работы.
КПД механизма характеризует его эффективность при преобразовании энергии, определяет соотношение полученной на выходе полезной энергии и энергетических потерь в механизме на трение, перемешивание масла, вентиляцию, деформацию звеньев и др. Величину КПД можно рассчитать по следующей зависимости:
= | Aj /Ai | = | Аi - Aпот | / | Ai | ,
= 1 - | Aпот/ | Ai | = 1 - ,
где Ai - работа движущих сил, Aj - работа сил полезного сопротивления, - коэффициент полезного действия, - коэффициент потерь.
Работа движущих сил за цикл
Аi = Мд di Мдср (in - i0 ) Мдср i ,
i 0
работа сил полезного сопротивления за цикл
Аj = Мс dj Мcср (jn - j0 ) Мcср j ,
j 0
где Мдср и Мcср - среднеинтегральные значения движущего момента и момента сил сопротивления, in ,jn и i0 , j0 - значения угловых координат звеньев i и j ,соответственно в начале и в конце цикла.
Подставим эти выражения в формулу для КПД и получим
= | Aj /Ai | = | Мcср j | / | Мдср i | = | Мcср | / | Мдср | ,
где uji - передаточное отношение механизма.
КПД механической системы при последовательном и параллельном соединении механизмов.
п ри последовательном соединении (рис. 9.11) весь поток механической энергии проходит последовательно через каждый из механизмов
при параллельном соединении механизмов i и j (рис. 9.12) поток механической энергии делится на две части: часть проходящую через механизм i обозначим , а часть проходящую через механизм j , причем + = 1.
Промышленные роботы и манипуляторы.
Промышленный робот – автоматическая машина, состоящая из манипулятора и устройства программного управления его движением, предназначенная для замены человека при выполнении основных и вспомогательных операций в производственных процессах. Манипулятор – совокупность пространственного рычажного механизма и системы приводов, осуществляющая под управлением программируемого автоматического устройства или человека-оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека.
Назначение и область применения.
Промышленные роботы предназначены для замены человека при выполнении основных и вспомогательных технологических операций в процессе промышленного производства. При этом решается важная социальная задача - освобождения человека от работ, связанных с опасностями для здоровья или с тяжелым физическим трудом, а также от простых монотонных операций, не требующих высокой квалификации. Гибкие автоматизированные производства, создаваемые на базе промышленных роботов, позволяют решать задачи автоматизации на предприятиях с широкой номенклатурой продукции при мелкосерийном и штучном производстве. Копирующие манипуляторы, управляемые человеком-оператором, необходимы при выполнении различных работ с радиоактивными материалами. Кроме того, эти устройства незаменимы при выполнении работ в космосе, под водой, в химически активных средах. Таким образом, промышленные роботы и копирующие манипуляторы являются важными составными частями современного промышленного производства.