Оглавление:
Регулирование хода машин
- В зависимости от назначения выполняемого машиной приходится .регулировать скорость или ее рабочего органа, или его производительность, или создаваемое им давление. Например, в стационарном двигателе необходимо поддерживать скорость рабочего органа постоянной, в транспортном двигателе (например, автомобильном) необходимо иметь возможность изменять скорость в широких пределах. В компрессорах, служащих для перемещения газов, илиРегулирование хода машин 173 насосах, служащих для перемещения жидкостей, регулированию может подвергаться или давление, под которым перемещаемое вещество входит в нагнетательный трубопровод, или производительность, т. е.
количество перемещаемого вещества в единицу времени. В дальнейшем мы будем иметь в виду только регулирование скорости рабочих органов двигателей. Из уравнения движения машины следует, что для изменения скоростей материальных точек движущихся частей машины необходимо изменить разность (Да — А с) работ движущих сил и сопротивлений. Эту разность можно изменить, изменив или величину работы движущих сил, или величину сопротивлений работы, или одновременно и то и другое. Регулирование скорости рабочего органа путем уменьшения работы сопротивлений является нецелесообразным: чтобы иметь возможность уменьшать вредные сопротивления,
машина должна работать при заведомо увеличенных вредных сопротивлениях (на Людмила Фирмаль
что расходуется дополнительная энергия); что же касается полезных сопротивлений, то уменьшать их при регулировании скорости — значило бы лишать машину возможности выполнять свое назначение. Устройства, при помощи которых вредные сопротивления могут быть увеличены при необходимости уменьшения скорости, применяются в виде тормозов в разного рода транспортных машинах, где они являются не только целесообразными, но и совершенно необходимыми. Такого рода устройства используются только в тех случаях, когда полное прекращение работы движущих сил является недостаточным для быстрого уменьшения скорости или когда действие движущих сил не может быть устранено, например, при спуске автомобиля с горы.
Стационарные двигатели, назначением которых является приведение в действие машин-орудий, насосов, генераторов электрической энергии и т . п. Я не уверен. В случае необходимости быстрого уменьшения скоростей движущихся частей тормозные приспособления устанавливаются не на двигателях, а на тех машинах-орудиях, где это оказывается необходимым по соображениям техники безопасности или производственных надобностей. В таких случаях устанавливаются и приспособления для быстрого разобщения машины-орудия от двигателя. Таким образом, если не считать тормозов, которые применяются преимущественно в
- транспортных машинах и служат только для уменьшения скорости рабочих органов машины, то чаще всего единственным способом регулирования разности работ движущих сил и сил сопротивлений остается изменение работы движущих сил. Это можно осуществлять путем воздействия на тот орган машины, через который подводится энергия к органу, воспринимающему работу внешних сил, — поршню паровой машины или двигателя внутреннего сгорания, лопаткам водяной или паровой турбины174 Движение и работа мамин и т. п. В транспортном двигателе регулирование осуществляется человеком, управляющим работой двигателя; в стационарном двигателе, рабочий орган которого должен вращаться с постоянной угловой
скоростью, регулирование производится автоматически. По способу регулирования скорости (числа оборотов в единицу времени) рабочего органа стационарные двигатели можно разделить на три рода: 1) электродвигатели; 2) двигатели, в которых органы, воспринимающие подводимую к двигателю энергию, совершают вращательное движение (турбины водяные и паровые), и 3) поршневые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания). В стационарных электродвигателях поддержание скорости на определенном уровне совершается само собой без каких либо регулирующих приспособлений, так как устройством этих двигателей в электрической части обеспечивается постоянное соответствие между развиваемой двигателем мощностью и потребляемой им
соответствие между развиваемой двигателем мощностью и потребляемой им Людмила Фирмаль
энергией. Орган, к которому подводится потребляемая электродвигателем энергия, находится в непосредственном взаимодействии с источником энергии. Это взаимодействие проявляется так, что количество потребляемой двигателем энергии находится в обратной (но не пропорциональной) зависимости от угловой скорости вращения рабочего органа: при увеличении работы сопротивлений угловая скорость вращения рабочего органа несколько уменьшается, вследствие чего приток энергии к двигателю увеличивается: при уменьшении работы сопротивлений, наоборот, угловая скорость увеличивается, а приток энергии вследствие этого уменьшается. Число оборотов рабочего органа в единицу времени не удерживается поэтому постоянным при изменении работы сопротивлений, а удерживается лишь в некоторых близких один к
другому пределах. Так, например, в наиболее распространенных в промышленности двигателях (трехфазных асинхронных) минимальное число оборотов в минуту при полной нагрузке лишь на 3-4% меньше максимального при холостом ходе. Такая разница в подавляющем большинстве случаев не имеет практического значения, о чем и свидетельствует широкое распространение двигателей. В двигателе второго рода (водяной или паровой турбине) орган, воспринимающий подводимую к двигателю энергию, так же как это имеет место и в электродвигателе, находится под непрерывным воздействием источника энергии. Например, в
водяной турбине (фиг. 188) вода под давлением через направляющие каналы а (расположенные вокруг сидящего на коренном валу в колеса с) непрерывно проте-регулирование хода машин175 В таких двигателях взаимодействие помощи особых механических устс вертикальным валом во з ы валу, приводимому во вра через какой-либо передаточкает через каналы колеса, образованные лопатками Д, которые воспринимают подводимую к турбине с водой механическую энергию. Однако в отличие от того, что имеет место в электродвигателях, орган, воспринимающий работу внешних сил (колесо с лопатками), не находится в двигателях второго рода в непосредственном взаимодействии с источником энергии,
приходится осуществлять ройств при, называемых регуляторами. До настоящего времени на практике получили применение многие системы регуляторов, основанные на различных принципах. Одним из первых широко распространенных регуляторов, который применяется и в настоящее время, является центробежный регулятор, схематически изображенный на фиг. 181, где м-тяжелые шары, BD BD, соединенных вращательные пары а и в. По щение ный механизм коренным валом двигателя (на фиг. 181 не изображенный), скользит ползун к, f f с рычагами се и DF; рычаги се и DF соединены во вращательные пары с и D с рычагами ас и BD. Ползун К соединен с органом двигателя, подводящим к органу, воспринимающему работ
у внешних сил, рабочее тело (пар или вода под давлением, горючая жидкость или горючий газ). Не показанное на фиг. 181 соединение выполнено таким образом, что при движении ползуна вверху приток энергии к двигателю уменьшается, при движении вниз — увеличивается. При определенной угловой скорости вращения коренного вала двигателя, а следовательно, и вала с регулятора рычаги АС и ВD, а вместе с ними ползун и К, занимают определенные положения, так как упругая сила пружины уравновешивается центробежной силой инерции шаров 7И. При уменьшении работы сопротивлений угловая скорость вращения коренного вала двигателя, а следовательно, и вала с регулятора, увеличивается, в результате
чего центробежные силы со стороны шаров увеличиваются, и К ползун, перемещаясь вверх, уменьшает приток энергии к двигателю, восстанавливая этим равновесие между работой движущих сил и работой сопротивлений. При увеличении сопротивлений ползун К работы, перемещаясь вниз, увеличивает приток энергии к двигателю, снова восстанавливая равновесие.176 Движение и работа машин Из изложенного следует, что пока работа сопротивлений не изменяется, регулятор поддерживает угловую скорость вращения коренного вала двигателя весьма близкой к постоянной, но при разных величинах сопротивлений работы ползун должен находиться в разных положениях на валу регулятора, а это является возможным лишь при разной угловой скорости вращения коренного вала дви182. гателя. Разумеется, при проектировании регулятора принимается во внимание, чтобы угловая скорость вращения коренного вала двигателя при регулировании практически не выходила за допустимые пределы. При необходимости поддерживать угловую
скорость на неизменном уровне независимо от развиваемой двигателем мощности применяются более сложные регулирующие устройства. В поршневых двигателях орган, воспринимающий работу движущих сил (поршень), совершает поступательно-возвратные движения. Это значительно усложняет регулирование угловой скорости вращения коренного вала двигателя. В основе всех двигателей поршневых лежит кривошипно-шатунный механизм. В гл. Я. 13 августа. стр. 11) изображена упрощенная конструктивная схема одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания и на фиг. 13, б приведена кинематическая схема основного механизма этого двигателя, осуществляющего преобразование поступательно-возвратного движения движущего звена (поршня) во вращательно
е движение кривошипа и жестко связанного с ним коренного вала двигателя. На фиг. 182 приведена так называемая индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля — двигателя внутреннего сгорания весьма распространенного типа, показывающая, какому силовому воздействию подвергается поршень при работе такого двигателя. По оси абсцисс диаграммы отложены объемы, а по оси ординат — давления газов над поршнем. Когда поршень находится в крайнем верхнем на фиг. 13, а положении, то объем ]/0 (фиг. 182) газов над поршнем является наименьшим; объем уо называется «мертвым пространством». В крайнем нижнем положении поршня, отстоящем от крайнего верхнего на длину, равную двойной длине кривошипа, объем VMAX в газов над поршнем является наибольшим. В Объем
газов над поршнем с расстоянием с поршня от верхнего крайнего положения и Ф площадью поперечного сечения поршня связан следующей очевидной зависимостью: V-V o + F-s. Регулирование хода машин 177 В точке а диаграммы, соответствующей крайнему верхнему положению поршня, давление ра газов наибольшее, так как в цилиндре находится воздух при высокой температуре, получившейся вследствие быстрого сжатия воздуха до нескольких десятков атмосфер при предыдущем ходе поршня снизу вверх. Верхняя часть диаграммы от точки а вправо показывает, что происходит в цилиндре при движении поршня вниз от крайнего верхнего положения. От точки а до точки Б давление газов не изменяется, несмотря на увеличение объема; это происходит потому, что на этой части хода поршня в цилиндр вводится в тонкораспыленном виде горючая жидкость (нефть), которая быстро
сгорает, попадая в сжатый воздух с температурой, превышающей температуру самовоспламенения жидкости. Несмотря на увеличивающийся при движении поршня объем газов, давление не уменьшается, во-первых, потому, что при сгорании жидкости увеличивается количество газов и, во-вторых, что увеличивается их температура, которая без притока тепла, выделяющегося при сгорании жидкости, должна была бы уменьшаться при увеличении объема. При положении поршня, соответствующем точке диаграммы б, в жидкости прекращается цилиндр впуск, вследствие чего давление начинает уменьшаться. Давление уменьшается несколько замедленно Сначала: от точки Б до точки с происходит еще догорание той же части жидкости, которая не успела сгореть к моменту
прекращения впуска жидкости в цилиндр. От точки сдавление быстро уменьшается по кривой диск при движении поршня к крайнему нижнему положению. Точка е диаграммы соответствует крайнему нижнему положению поршня. От точки д давление уменьшается не по кривой Де, а значительно быстрее. Это происходит потому, что при положении поршня, соответствующем точке г диаграммы, начинается открытие выпускного клапана (не показанного на фиг. 13, и нет. Следовательно, на участке диаграммы от точки д вправо давление уменьшается не только вследствие увеличения объема газов, но и вследствие выхода части их в
атмосферу. При обратном ходе поршня вверх происходит выталкивание продуктов сгорания в атмосферу через открытый выпускной клапан. Давление газов при этом удерживается близким к атмосферному (линия FG диаграммы), но несколько большим атмосферного давления р0, так как только за счет некоторой разности давлений по обе стороны выпускного клапана может сообщаться газам необходимая для выхода из цилиндра скорость и могут преодолеваться сопротивления их движению. х Г Точка диаграммы соответствует крайнему верхнему положению поршня. При следующем ходе поршня вниз при закрытом выпускном и открытом впускном клапанах происходит всасывание в цилиндр атмосферного воздуха. Давление в начале хода уменьшается по кривой ги и в
дальнейшем до конца хода поршня вниз (линия ИК 12 Зиновьев 612178 Движение и работа машин диаграммы) удерживается несколько меньше атмосферного по только что указанной причине. При следующем ходе поршня вверх при закрытых впускном и выпускном клапанах происходит сжатие воздуха (кривая ка) до давления в несколько десятков атмосфер, вследствие чего температура воздуха к концу хода поршня поднимается до нескольких сотен градусов и становится выше температуры самовоспламенения жидкости, которая начинает поступать в цилиндр в тонкораспыленном виде с начала следующего хода
поршня вниз. Выше кратко, без упоминания о некоторых подробностях, не имеющих значения для той же цели, которая нами имеется в виду, описана работа так называемого четырехтактного дизеля — двигателя внутреннего сгорания. Из изложенного выше следует, что из каждых четырех ходов поршня только один является таким, при котором давление (р — р0), где р — давление газов над поршнем и р0 — атмосферное давление, направлено по ходу поршня и поэтому создает силу, движущую поршень; этот ход поршня называется рабочим. Во время двух следующих за рабочим ходов
поршень преодолевает незначительные, а во время следующего хода за этими двумя значительные и все увеличивающиеся сопротивления своему движению. При таком силовом воздействии, которому подвергается поршень со стороны газов, двигатель не только не мог бы работать непрерывно, но поршень не мог бы совершить и одного хода вверх даже при отсутствии каких-либо сопротивлений его движению, если бы во время следующих за рабочим ходом трех ходов поршня вращение коренного вала не продолжалось по инерции. Работа двигателя становится возможной лишь при наличии на коренном валу колеса с достаточно большим моментом инерции, маховиком называемого. Назначение маховика состоит в том, чтобы воспринимать энергию во время рабочего хода
поршня и расходовать ее в течение всего времени работы двигателя на преодоление всех сопротивлений, в том числе и тех, которые поршень должен преодолевать в течение трех ходов, следующих за рабочим ходом. Кинетическую энергию в J-у маховика, где J в — момент инерции и (о — угловая скорость вращения маховика, можно сравнить с потенциальной энергией Qх жидкости в резервуаре, где г — вес и Н — высота жидкости. Если в течение первой из каждых четырех секунд в резервуар будет поступать, например, 0,01 Q жидкости с любой равномерной или неравномерной скоростью и в течение всех четырех секунд такое же количество жидкости будет вытекать из резервуара также с любой равномерной или неравномерной скоростью, то изменения высоты жидкости в резервуаре не будут превышать 0,01 Q. Следовательно, потенциальная энергия жидкости в резервуаре не будет уменьшаться более чем на
1%. Подобно этому, если в течение рабочего хода поршня маховику будет сооб-Определение основных размеров маховика двигателя 179 щаться энергия в количестве, значительно меньшем его кинетиче» _ ш2 скои энергии Дж и в таком же количестве маховиком расходоваться на вращение коренного вала в течение всех четырех ходов поршня, то кинетическая энергия, а следовательно, и угловая скорость маховика будут изменяться незначительно. При проектировании маховика принимаются во внимание допустимые в зависимости от назначения двигателя изменения угловой скорости вращения коренного вала в пределах одного цикла. Эти изменения учитываются коэффициентом неравномерности, равным 3 = = ш п1
mln млн *ср ‘ где (ОСР, < Omax, (dmin-средняя ,Максимальная и минимальная угловые скорости вращения коренного вала двигателя за один цикл. Наиболее строгим требованием в отношении равномерности хода должны удовлетворять двигатели, приводящие в движение генераторы электрического переменного тока; у таких двигателей коэффициент неравномерности принимается не больше 1/200-1/300 и в некоторых случаях значительно меньше (до 1/1000). Из изложенного следует, что угловая скорость вращения коренного вала выравнивается маховиком в каждом цикле. Но если мощность, расходуемая на преодоление сопротивлений маховиком, начнет превышать количество энергии, получаемое в единицу времени маховиком, или становится меньше этого количества, то угловая скорость маховика начнет постепенно изменяться. В таком случае
начнет действовать регулятор описанного или какого-либо иного типа. В приведенном выше примере действие регулятора проявится на участке АВ диаграммы (фиг. 182): в зависимости от того, в какую сторону начнет изменяться величина угловой скорости вращения коренного вала, AB AB будет регулятором соответственно укорочен или удлинен, Т. е. будет вводиться в цилиндр меньшее или большее количество горючей жидкости в начале рабочего хода поршня. Маховик является обязательной принадлежностью не только поршневых двигателей; маховики приходится устанавливать и на таких машинах-орудиях, рабочим органам которых приходится преодолевать силцные и прерывисто действующие сопротивления со стороны обрабатываемых материалов. Маховик в такой машине является как бы резервуаром энергии, в которой энергия от двигателя поступает непрерывно и равномерно и из которого расходуется время-от времени отдельными порциями.
Смотрите также:
| Приведение масс | Определение основных размеров маховика двигателя |
| Уравнение движения точки и звена приведения | Виды трения |
