Динамика апотенциального осциллятора и ее технические приложения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Глава 1. ДИНАМИКА АПОТЕНЦИАЛЬНОГО ОСЦИЛЛЯТОРА

ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ.

1.1. Свободные колебания апотенциального осциллятора.

1.2. Вынужденные колебания апотенциального осциллятора.

Глава 2. ДИНАМИКА ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ АПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ ОСЦИЛЛЯТОР ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ТИПА.:.

2.1 Апотенциальный гаситель колебании, возвратно-поступательного типа.:.

2.2 Разработка и исследование механизма привода пилорамы, использующего апотенциальный осциллятор возвратно-поступательного типа.

2.3 Использование бесшатунного силового механизма в двигателях внутреннего сгорания.

2.3.1 Математическое моделирование двигателя с кривошипно-шатунным силовым механизмом.

2.3.2 Математическое моделирование двигателя с бесшатунным силовым механизмом.

2.3.3 Анализ результатов и сравнительная оценка двух видов двигателей внутреннего сгорания.

Глава 3. ДИНАМИКА АПОТЕНЦИАЛЬНОГО ОСЦИЛЛЯТОРА

ВОЗВРАТНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ.

3.1 Свободные колебания апотенциального осциллятора.

3.2 Вьшужденные колебания апотенциального осциллятора.

Апотенциальным осциллятором называют систему из 2-х или более массивных звеньев, которые связаны передаточным механизмом и совершают возвратно-вращательное или возвратно-поступательное движение, при этом колебания тел сопровождаются обменом кинетической энергии между ними, а потенциальная энергия системы в целом и каждого из тел остается неизменной. Простейшие примеры таких систем приведены в главах 1 и 3.

Обладающие рядом специфических свойств, апотенциальные осцилляторы стали объектом пристального внимания исследователей-механиков с восьмидесятых годов. Прежде всего, здесь выделяется цикл работ, выполненных под руководством И.Д. Юдовского j 46 |, I 47 |, 148 |, 149 |, | 50 |, | 511, | 52 |, | 53 |, | 54 в которых эти устройства, названные им инерционными кинематическими осцилляторами, рассматриваются как элементы различного рода рекуперативных приводов для цикловых и вибрационных машин и роботов. Основное внимание в этих работах уделено кинематическому динамическому анализу с позиции теории машин и механизмов. Серьезным достижением ученых этого коллектива является разработка большого числа приложений, имеющих практическое значение в различного рода манипуляторах роботов.

В данной работе основное внимание уделяется апотенциальному осциллятору, как нелинейной колебательной системе с некоторыми особыми свойствами. В частности, в работе | 52 | показано, что при свободных колебаниях симметричного возвратно-поступательного апотенциального осциллятора при отсутствии диссипации: 1) амплитуда колебаний не зависит от начальных условий и определяется параметрами системы; 2) частота свободных колебаний определяется начальными условиями и, прежде всего, начальной скоростью Уд, при отсутствии которой движение вовсе не имеет места; 3) величина массы элементов не влияет на кинематические характеристики движения.

Возможность обеспечить постоянство амплитуды и плавно регулировать частоту колебаний осциллятора изменением начальной скорости имеют принципиальное значение и могут найти широкое применение в различного рода технических приложениях | 4 |, | 47 |, 1491, |511.

Наибольший интерес здесь представляет использование апотенциальных осцилляторов, как элементов различного рода приводов, где они могут иметь существенное преимущество по сравнению с традиционными схемами. Так, с середины прошлого века известна конструкция бесшатунного привода двигателя внутреннего сгорания 141, которая, как показали многочисленные испытания, обеспечивает значительное уменьшение габаритов и повышение экономических показателей двигателя.

К сожалению, все вышеуказанные работы, посвященные техническим приложениям апотенциального осциллятора, рассматривают объекты с позиции кинематического и структурного анализа. Математические модели, рассматривающие апотенциальные осцилляторы как встроенные колебательные звенья, фактически отсутствовали.

Целью настоящей работы является: исследование динамики апотенциальных осцилляторов и технических устройств, в которых они используются, с позиции теории нелинейных колебаний. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать и исследовать нелинейные математические модели апотенциальных осцилляторов, описывающие их свободные и вынужденные колебания, определить основные закономерности поведения этих нелинейных систем,

- разработать математические модели технических устройств, в которых используются апотенциальные осцилляторы, как передаточные звенья. Это, прежде всего, динамические гасители колебаний, приводы двигателей внутреннего сгорания, электрические приводы машин с возвратно-поступательным движением выходного звена (пилорамы, грохоты и др.)

- на основании выполненного анализа этих устройств разработать рекомендации по практическому применению параметров систем и критерии сопоставимости характеристик этих устройств с устройствами традиционного типа.

Первая и третья главы диссертации посвящены исследованию свободных и вынужденных колебаний апотенциальных осцилляторов возвратно-поступательного и возвратно-вращательного движения. Вторая глава - вопросам динамики технических устройств, использующих апотенциальный осциллятор возвратно-поступательного типа.

Диссертационная работа выполнялась в рамках Всероссийских научных программ «Университеты России(Технические университеты)» и «Фундаментальные исследования в технических университетах»( 1995-1999г. г.).

11. Выводы и результаты (математические модели, результаты исследования), полученные в данной работе, могут быть использованы при создании других технических устройств, в которых необхдимо обеспечить снижение инерционных нагрузок и точность позиционирования.

1. Артоболевский И.И. Теория машин и механизмов. М.: Наука, 1975,-640с.

2. Архангельский В.М. и др. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1967,-485с.

3. Асинхронные двигатели общего назначения. Под ред. В.М. Петрова и А.Э. Кравчика. М.: Энергия, 1980, - 488с.

4. Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. М., «Машиностроение», 1972,- 175с.

5. Балуев A.B., Дурнин М.Ю., Колганов А.Р., Хвостов В.А. Автоматизация моделирования электромеханических систем. Брянск. БИТМ, 1995,-92с.

6. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Колельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, гл. ред. физ. мат. лит., 1987, 600с.

7. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний. Учебное пособие для втузов. М.: Высшая шк., 1972.

8. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1981,- 720с.

9. Гулиа Н.В., Юдовский И.Д. Динамика маховичного рычажного рекуператора // Второй всесоюзный съезд по теории механизмов и машин. Тезисы докладов. Одесса, 1982, - с. 127-128.

10. Данилов И.Л., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники.: Учеб. Пособие для неэлектротехн. спец. техникумов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк. 1989, -752 е.: ил.

11. Добровольский В.В., Зайчик В.М. Асинхронные машины. Теория, расчет, элементы проектирования. Ленинград. ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1990, 368с.

12. Дьяченко Н.Х. и др. Теория двигателей внутреннего сгорания. М., «Машиностроение», 1965.

13. Двигатели внутреннего сгорания. Под редакцией Л.К. Коллерова. М., «Машиностроение», 1965.

14. Зайчик В.М. К уточнению теории асинхронных машин.//Электричество. 1978, №7.- С.86-88. 20.Зайчик В.М. Условие корректного применения формулы Клосса. // Известия вузов. Электромеханика. 1980, - №10. - С.1066-1068.

15. Кампе Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. -М.: Изд-во физ.-мат. литературы, 1961, 704с.

16. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М.: ЭНЕРГОИЗДАТ, 1983,-440с.

17. Keglin В.G., Paris J.B. Free vibrations of an apotentional oscilletor. Book of abstracts of 3-th international congress of industrial and applied mathematics. Humburg, 1995, p.322.

18. Кеглина Ю.Б. Псевдоколебания механической системы с одной степенью свободы // Тез. Докл. YI Межреспублик, студенч. науч.-техн. конф. «Проблемы повышения прочности элементов машиностроительных конструкций». Брянск, 1988, - С. 12.

19. Кеглин Б.Г., Париж Ю.Б. Свободные колебания апотенциального осциллятора // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. Брянск, 1992, - С.50-56.

20. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. Для вузов. М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1985,-560с.

21. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1977, 230с.

22. Колебания сложных механических систем / K.M. Рагульскис, З.И. Кубайтис, A.J1. Кумникас и др. Вильнюс: Минтае, 1969, - 246с.

23. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1977, 832с.

24. Крановое оборудование электрооборудование. Справочник. М.: Энергия, 1979, - 238с.

25. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. -М.Машиностроение, 1987, С.88, 90, 173.

26. Левицкий И.И. Колебания в механизмах: Учебное пособие для втузов. -М.: Наука. Гл.ред. физ.-мат. литературы, 1988, 336с.

27. Левитская О.Н., Левитский Н.И. Курс теории механизмов и машин: Учебное пособие для мех. спец. Вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая шк., 1985,- 279 е., ил.

28. Любченко В.И. Резание древесины и древесных материалов: Учебное пособие для вузов. М.: Лесная пром-сть,1986, - 296с.

29. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод. М.: Энергоиздат, 1986, - 416 с.

30. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1971, - 240с.

31. Париж Ю.Б., Кеглин Б.Г. Исследование динамического гасителя колебаний апотенциального типа // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. Брянск, 1990, - С.53-58.

32. Попов B.C., Николаев С.А. Общая электротехника с основами электроники. М.: Энергия, 1976, - 460с.

33. Попык К.Т. Динамика автомобильных и тракторных двигателей. -М.: Высшая школа, 1970, 301с.

34. Попык К.Т. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей. -М.: Высшая школа, 1968.

35. Серенсен C.B. и др. Динамическая прочность в машиностроении. М.: Машгиз, 1945, - 302с.

36. Теория апотенциальных осцилляторов и ее приложения в машиностроении. Исследование свободных колебаний апотенциальных осцилляторов. Отчет по НИР, Брянск, БИТМ, 1995,- 17с.

37. Теория механизмов и машин / К.В.Фролов, С.А. Попов, А.К.Мусатов и др. / под. ред. К.В.Фролова. М. : Высшая школа, 1987,-496с.

38. Тимошенко С.Г. Колебания в инженерном деле. -М.:Физматгиз, 1959, С.206-213.

39. Деревообрабатывающее оборудование. Каталог-справочник. Под ред. Трофимова H.A. М.: НИИМАШ, - 464с.

40. Юдовский И.Д. Автоколебания инерционного рекуперативного привода с реверсиуемым двигателем // Сб. Теория механизмов и машин-1990, Вып.48, - С.72-79.

41. Юдовский И.Д. Динамика и синтез маховичного лифта // Механика машин, 1983, №60, - С.66-72.4 8. Юд овский И.Д. Динамика рычажного рекуператора механической энергии // Изд. вузов, 1983, -№11.- С.32-37.

42. Юдовский И.Д. Манипулятор инерционный рекуперативный цикловый МИР-18(макет). Минпилкомхоз УССР, Киев, 1988.

43. Юдовский И.Д., Гринцвайг А.Е. Инерционный рекуперативный привод для цикловых транспортных машин. М.: МАДИ, 1991, -С.17-28.

44. Юдовский И.Д. Инерционный кинематический осциллятор и рекуперативные приводы на его основе. Автореферат докт. дисс. -С.-Петербург, СПГТУ, 1992.

45. Юдовский И.Д. Рекуперативный маховичный привод для неперепрограммируемых автоматических манипуляторов // Вестник машиностроения. 1985, - №4. - С. 10-11.

46. Юдовский И.Д. Рекуперативные приводы с маховичным накопителем энергии // I Научно-техническая конференция «Маховичные накопители энергии». Тезисы докладов и сообщений.-Житомир, 1985,-С.43.

47. Вибрации в технике / Под редакцией К.В. Фролова. М.: Машиностроение, 1981, т.6. - 456с.

48. Фонкин В.Ф. Лесопильные рамы и околорамное оборудование, -М.: Машиностроение, 1970, 623с.