ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ХРАПОВОМ МЕХАНИЗМЕ СВОБОДНОГО ХОДА БЛОЧНОГО ТИПА ПРИ ЗАМЫКАНИИ

​THEORETICAL DETERMINATION OF MECHANICAL LOSSES IN A FREE-ROAD BLOCK-TYPE GRIPPER MECHANISM WHEN CLOSED

Shenkman Lyudmila Vladislavovna

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Hydraulic Drive and Hydraulic and Pneumatic Automation, Associate Professor, Kovrov Technological Academy,

Russia, Kovrov

Kozlova Svetlana Nikolaevna

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Hydraulic Drive and Hydraulic and Pneumatic Automation, Associate Professor, Kovrov Technological Academy,

Russia, Kovrov

АННОТАЦИЯ

На основании приближенного метода определения силы удара  предложен способ определения механических потерь в храповом механизме свободного хода (МСХ) для работы в составе инерционно-импульсной механической передачи. Определены зависимости механических потерь в МСХ от частоты вращения. Выполнен сравнительный анализ механических потерь в корпусном и выходном МСХ.

ABSTRACT

Based on the approximate method of determining the impact force, a method has been proposed for determining the mechanical losses in the ratchet free-wheel mechanism (FWM) for use in an inertial-impulse mechanical transmission. The dependencies of the mechanical losses in the FWM on the rotational speed have been determined. A comparative analysis of the mechanical losses in the housing and output FWM has been performed.

Ключевые слова: механизм свободного хода, механические потери, удар.

Keywords: freewheel mechanism, mechanical losses, impact.

 Механическая бесступенчатая инерционно-импульсная передача (ИИМП), имеет более высокий КПД по сравнению с многими механическими и гидромеханическими передачами. Механические потери ей присущие, вызваны зацеплением в планетарном импульсном механизме, подшипниках качения и механизмах свободного хода.

Если механические потери в планетарном механизме и подшипниках качения можно достаточно достоверно определить, то в механизме свободного хода (МСХ), работающем при высоких скоростях вращения в режиме импульсного включения с высокой частотой, механические потери неизвестны.

Рассматриваемый храповой МСХ блочного типа [1], представляет собой набор храповых дисков 1 с зубьями большого шага и соответствующим числом собачек 2, поджимаемых пружинами3 (рис.1). Во время работы ИИМП происходит высокочастотное замыкание МСХ, которое сопровождается торцевым ударом собачек о зубья храповиков, вызывающим механические потери, связанные с явлением гистерезиса и возникновением пластической деформации в телах соударения.

Особенностью исследуемого процесса является удар вращающегося тела о тело неподвижное, или удар двух тел, вращающихся в одном направлении, но с различными скоростями. Известные модели удара [3, 4] анализируют свободный удар поступательно движущихся тел и достоверно описать процесс удара вращающихся тел при наличии пластической деформации не могут.

Рисунок 1. Храповый МСХ блочного типа

Приближенный метод [3] определения силы удара P_max, времени τ и коэффициента восстановления k при свободном ударе  позволяет оценить потери при торцевом ударе через определение коэффициента передачи внутренней энергии η_вн и коэффициента передачи суммарной энергии η_сум от ударяющего тела массой m₂ к ударяемому телу массой m₁.

Вводится коэффициент n:

где - скорость распространения ударной волны в стержне длиной.

Значение этого коэффициента для стального стержня постоянного сечения площадью S при втором стержне, длина которого :

где- начальная скорость соударения тел,- радиусы торцевых поверхностей соударяющихся тел.

Коэффициент восстановления при неупругом ударе с одинаковым поперечным сечением соударяющихся поверхностей:

здесь  - коэффициент Пуассона.

Для определения упомянутых выше коэффициентов η_вн и η_сум вводятся следующие  величины:

Тогда максимальная сила удара:

Время, соответствующее достижению этой силы:

Механические потери при соударении разделяются на потери части кинетической энергии, идущей на возбуждение упругих колебаний, на пластическую деформацию и прочие потери. Общая энергия тел после удара подразделяется на кинетическую энергию движения центров масс m₁ и m₂ и внутреннюю энергию тел относительно подвижных координат.

При анализе потерь в МСХ нельзя не учитывать и переменную массу ударяющего тела, обусловленную особенностями конструкции инерционно-импульсной механической передачи (рис.2).

В корпусном МСХ происходит удар вращающегося тела (храповика) с приведенной массой m₂ о тело неподвижное (собачка в неподвижной обойме). В этом случае приведенная масса ударяющего тела [4]:

где - число сателлитов,- угловая скорость вращения реактора,- угловая скорость вращения сателлитов,- моменты инерции сателлита, груза, реактора, МСХ,- окружная скорость центра тяжести сателлита, - масса сателлита и груза.

Рисунок 2. Инерционно-импульсная механическая передача

1 – импульсный механизм, 2 - вал-реактор с солнечной шестерней, 3–корпусной МСХ, 4 - выходной МСХ, 5 - выходной вал с маховиком

В выходном МСХ происходит удар двух вращающихся с разными скоростями тел.

Масса ударяющего тела выражается уравнением (2), а масса ударяемого тела:

где - угловая скорость выходного вала,- момент инерции маховика, выходного вала и приводимого механизма.

В процессе торцевого удара в корпусном МСХ скорость ударяемого тела равна нулю.Тогда коэффициент передачи суммарной энергии:

а коэффициент передачи внутренней энергии:

В выходном МСХ происходит соударение двух движущихся в одном направлении тел, поэтому коэффициент передачи суммарной энергии:

а коэффициент передачи внутренней энергии:

где - окружная скорость обоймы выходного МСХ.

Графические зависимости механических потерь для корпусного и выходного МСХ от частоты вращения вала реактора n₂ представлены на рис.3.

Рисунок 3. Зависимость механических потерь в храповом МСХ блочного типа от частоты вращения

Данные зависимости получены на основе теоретического анализа механических потерь в МСХ. Как показывают графики в корпусном МСХ(рис. 3, а) коэффициент  растет до значительной величины  при определенной скорости соударения.  Затем наблюдается некоторое падение его, что можно объяснить возрастающей долей энергии, затрачиваемой на пластическую деформацию соударяющихся тел. Этим же объясняется монотонное снижение коэффициента передачи внутренней энергии.

В выходном МСХ коэффициент  (рис. 3, б) несколько выше. По мере разгона скорость соударения тел падает, скорости соударяющихся тел сближаются, доля пластической деформации ничтожна, чем и объясняется такой характер изменения КПД.

Список литературы:

1. Патент №2243428 МКИ F16D 41/12 Блок храповых механизмов свободного хода / Бондалетов В.П., Крылов С.В., Любкин А.В., Тесаков Р.В./ Опублкован 27.12.04, бюллетень 36.
2. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара - М. Наука 1977 г.
3. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. - М. "Мир", 1989 г.
4. Кильчевский Н.Д. Динамическое контактное сжатие твердых тел. Удар. - Киев, Наукова думка, 1976 г.