В последние годы ученых и разработчиков привлекают энергетические механизмы, работа которых основана на использовании центробежных сил инерции вращающихся эксцентрических масс [1, 5]. В этой связи экспериментальные исследования инерционных механизмов являются весьма актуальными.
В работах [2, 3] проведен анализ колесного планетарного механизма с дебалансной массой на основе математической модели и получены аналитические зависимости крутящих моментов и мощности от действия центробежных сил инерции дебалансов относительно осей вращения в зависимости от угловой скорости вращения, геометрических размеров механизма, а также от расположения и величины дебалансной массы. Также в соответствии с законом сохранения момента количества движения проведен анализ импульсного изменения скорости вращения и кинетической энергии вращения механизма.
Лабораторией инновационных технологий Казахского национального педагогического университета имени Абая разработана технология использования энергии центробежных сил инерции [4].
Цель исследования
Цель исследования заключается в экспериментальном определении соотношения частот вращения водилы шестеренчатого планетарного инерционного механизма и привода при разных угловых скоростях его вращения.
Материалы и методы исследования
Для экспериментальных исследований изготовлен стенд инерционного механизма, кинематическая схема которого представлена на рис. 1.
Экспериментальный стенд состоит из трех зубчатых колес 1, обкатывающих центральное зубчатое колесо 2, водила 3 шарнирно установленного на оси центрального колеса 2, эксцентрических масс 4, жестко установленных на колесах 1, которые подвижно установлены на водиле 3, привода 5 в виде электродвигателя, кинематической связи 6, обгонной муфты 7. Центральное зубчатое колесо 2 жестко установлено на валу 8, который подвижно установлен в упорном подшипнике подпятника 9 и радиальном подшипнике 10. Электродвигатель 5 и подшипники 9, 10 установлены в корпусе. Вал 8 установлен вертикально (для устранения влияния сил тяжести) и снабжен плечом 11. Стенд снабжен счетчиками импульсов марки Omron H7EC с датчиками 12 и 13 соответственно для измерения числа оборотов водилы и привода. Также стенд снабжен тензометрической балкой 14, жестко защемленной на плече 11.
Для измерений в качестве привода использовался сверлильный станок, который обеспечивал изменение скорости вращения на шести позициях: 76, 140, 250, 345, 615 и 1100 об/мин. Фотография стенда с приводом от шпинделя сверлильного станка представлен на рис. 2.
Исследования инерционного механизма проводились следующим образом.
Электродвигатель 8 через кинематическую связь 6 и обгонную муфту 7 приводит во вращение водило 3, которое, в свою очередь, воздействует на три зубчатых колеса 1. Эти колеса обкатываются вокруг центрального колеса 2. Эксцентрические массы 4 при вращении создают знакопеременные крутящие моменты от сил инерции относительно центра вращения колес 1 и центра вращения водилы 3. Поскольку центральное колесо 2 жестко установлено на подвижном валу 8, то о силовом воздействии колес 1 на колесо 2 можно судить по силовому воздействию плеча 11 на тензометрическую балку 14.
Результаты исследования и их обсуждение
Соотношение числа оборотов привода к числу оборотов водилы 3 за одну минуту при разных скоростях шпинделя представлено на графике (рис. 3).
Рис. 1. Кинематическая схема экспериментального стенда инерционного механизма
Рис. 2. Фотография экспериментального стенда для исследования инерционного механизма
Рис. 3. График соотношения угловых скоростей привода и водилы механизма
Рис. 4. График экспериментальных зависимостей крутящего момента на центральном валу от скорости вращения привода
Эксперименты показали, что при возрастании скорости вращения привода от 150 об/мин, водило вращается быстрее привода, то есть обгоняет привод. Этот обгон достигает значения в 1,95 раза при скорости вращения от 400 до 800 об/мин, затем несколько падает. Для более детального анализа этого явления предполагается в следующих экспериментах расширить диапазон скоростей привода механизма.
Определение крутящего момента на центральном валу инерционного измерения производилось при помощи системы сбора данных LTR-U-1 с компьютерной программой L Graph 2 (L-CARD) для тензометрических измерений.
Первоначально производилась тарировка тензометрической балки при помощи грузов в 500 граммов. По графику тарировки в программе L Graph 2 определялся коэффициент пересчета в ньютонометрах на вольт [H м/B].
Обработанные результаты экспериментов по исследованию крутящего момента на центральном валу при различных скоростях привода представлены на рис. 4.
Характер кривой изменения крутящего момента на центральном валу инерционного механизма похож на кривую соотношения угловых скоростей привода и водилы механизма (рис. 4).
Поскольку исследования инерционного механизма проводились без нагрузки на ведомом валу, то полученные результаты отражают режим холостого хода механизма. Кроме того, полученные экспериментальные кривые отражают теоретические зависимости изменения крутящего момента.
Увеличение крутящего момента на центральном валу инерционного механизма с возрастанием скорости вращения привода объясняется тем, что это возрастание угловой скорости приводит к увеличению центробежных сил инерции, которые в первом полупериоде вращения водилы нагружают привод, а во втором разгружают его. Кроме того, из-за изменения момента инерции механизма за счет переменных положений эксцентрических масс происходит увеличение скорости вращения водилы в соответствии с законом сохранения момента количества движения.
Из графика (рис. 4) видно, что крутящий момент на центральном колесе от воздействия центробежных сил инерции эксцентрических масс сателлитов при изменении скорости от 76 до 345 об/мин возрастает почти в 8 раз.
Выводы
Проведенные экспериментальные исследования доказывают возможность практического использования центробежных сил инерции вращающихся эксцентрических масс для создания полезной мощности.
Работа выполнена в рамках гранта Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан (номер госрегистрации 0113РК00415).
Библиографическая ссылка
Лысенко В.С., Кулжабаев Б.Д. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНЕРЦИОННОГО МЕХАНИЗМА // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 10. – С. 48-51;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35156 (дата обращения: 19.04.2024).