Расчет машинного агрегата для получения электрической энергии с помощью генератора (стр. 1 из 9)

1. Устройство и принцип работы машинного агрегата

Машинный агрегат образован последовательным соединением двигателя внутреннего сгорания (ДВС) I, передаточного механизма II и генератора электрического тока III (см. рисунок 1). Одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания служит для преобразования потенциальной энергии продуктов сгорания в механическую работу вращательного движения, которая преобразуется в генераторе в электрическую энергию. Так как угловая скорость вращения ДВС не равна угловой скорости вращения ротора генератора, то между ДВС и генератором установлен передаточный механизм, в виде планетарного зубчатого редуктора.

Рисунок 1 – Схема машинного агрегата

Двигатель внутреннего сгорания (см. рисунок 2) включает кривошипно-ползунный механизм (КПМ) и механизм газораспределения (МГ).

КПМ состоит из кривошипа (коленчатого вала) 1, шатуна 2, ползуна (поршня) 3 и стойки (корпуса) 0. Силой, вызывающей движение поршня является сила давления расширяющихся газов. Механизм газораспределения обеспечивает наполнение рабочих цилиндров свежим зарядом и очистку их от отработанных газов. Основными элементами механизма газораспределения являются впускные и выпускные клапаны 4 и распределительные валы 5 с кулачками 6. Движение к клапану передается через толкатель 7, штангу 8 и коромысло 9. Кулачок взаимодействует с толкателем по средствам ролика, установленного в нижней части толкателя. Движение к распределительному валу 5 от кривошипа 1 может передаваться цепной передачей или набором цилиндрических зубчатых колес.

Рисунок 2 – Схема двигателя внутреннего сгорания

2. Структурный анализ механизмов

2.1 Общие сведения

Выполнение структурного анализа агрегата проводится в следующей последовательности:

1. Разбивка машинного агрегата на простые механизмы, установка их вида и наименования;

2. Определение количества звеньев в механизме, характера их относительного движения, названия звеньев. Выделение входных (ведущих) и выходных (ведомых) звеньев, их нумерация;

3. Определение вида и класса кинематических пар механизма, обозначение и классификация, определение количества пар каждого класса. Вращательные пары, образованные подвижными и неподвижными звеньями обозначают «О» с индексом подвижного звена; образованные подвижными звеньями – первыми буквами латинского алфавита;

4. Расчет числа степеней свободы механизма.

W=3(n-1)-2p₅-1p₄, (1)

где W-степень подвижности механизма;

n-число звеньев механизма, включая стойку;

p₄, p₅ –число кинематических пар 4-го и 5-го класса.

Степень подвижности механизма определяет количество звеньев, которым необходимо задать движение, чтобы все остальные звенья двигались по вполне определенным законам.

2.2 Структурный анализ кривошипно-ползунного механизма

КПМ-плоский, четырехзвенный механизм (n=4): звено 0-стойка; 1-кривошип, совершающий вращательное движение; 2-шатун, совершающий сложное плоскопараллельное движение;3-ползун, совершающий возвратно-поступательное движение (см. рисунок 3).

Рисунок 3 – Структурная схема кривошипно-ползунного механизма

Звенья механизма соединены между собой четырьмя кинематическими парами 5 класса. Характеристика кинематических пар кривошипно-ползунного механизма приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика кинематических пар КПМ

Обозначение	Наименование	Звенья	Класс	Характеристика
О1	Вращательная	Кривошип 1- стойка 0	5	Плоская, низшая
А	Вращательная	Кривошип 1- шатун 2	5	Плоская, низшая
В	Вращательная	Шатун 2 – ползун 3	5	Плоская, низшая
В0	Поступательная	Ползун 3 – стойка 0	5	Плоская, низшая

Определяем степень подвижности механизма по формуле 1, где n=4, p₄=0, p₅=4

W=3(4-1)-2

4-0=1

Это значит, что в механизме должно быть одно начальное (ведущее) звено- кривошип 1.

При исследовании КПМ выделяем из механизма структурные группы (группы Ассура) и начальный механизм. Группа Ассура – простейшая кинематическая цепь с парами 5-го класса, присоединенная свободными элементами звеньев к стойке и имеющая нулевую степень подвижности. Группа Ассура состоит только из четного числа звеньев. Для плоских механизмов с низшими парами формула групп Ассура имеет вид:

W=3n-2p₅, (2)

Для кривошипно-ползунного механизма:

W=3

2-2 3=0

Начальный механизм состоит из кривошипа 1, присоединенного к стойке кинематической парой О₁. Степень подвижности начального механизма:

W=3

(2-1)-2 1=1

Кривошипно-ползунный механизм является механизмом 2-го класса 2-го порядка.

2.3 Структурный анализ кулачкового механизма

Трехзвенный кулачковый механизм состоит из стойки 0, кулачка 1, толкателя 2, ролика 2^’ (см. рисунок 4). Кулачок совершает равномерное вращательное движение с угловой скоростью ω_к, толкатель совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение со скоростью v_А.

Рисунок 4 – Структурная схема кулачкового механизма

Классификация кинематических пар кулачкового механизма приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Классификация кинематических пар

Обозначение	Наименование	Звенья	Класс кинематической пары
О1	Вращательная	Кулачок 1- стойка 0	5
А	Кулачковая	Кулачок 1- толкатель 2	4
А’	Вращательная(пассивная)	Ролик 2’- толкатель 2	5
В	Поступательная	Толкатель 2- стойка 0	5

По формуле 1 определяем степень свободы кулачкового механизма:

где n=3;

p₄=1;

p₅=2.

W=3

(3-1)-2 2-1 1=1

Для привода кулачкового механизма достаточно одного источника движения.

3. Кинематический анализ и синтез механизмов

Кинематический синтез механизмов сводится к определению основных размеров звеньев по структурным схемам и закономерностям движения. По полученным размерам строятся кинематические схемы механизмов.

Кинематический анализ механизмов сводится к решению следующих задач:

- разметка траектории движения всех звеньев механизма, позволяющая рационально спроектировать корпусные детали механизма;

- определение скоростей характерных точек механизма в различных его положениях, сто позволяет найти кинетическую энергию всех подвижных звеньев механизма;

- определение ускорений характерных точек механизма для последующего нахождения силы инерции звеньев.

Результаты аналитического анализа используют при динамическом исследовании агрегата.

3.1 Кривошипно-ползунный механизм

3.1.1 Кинематический синтез центрального кривошипно-ползунного механизма

Определяем ход поршня, h₀,, м:

h₀=

, (3)

где v_ср – средняя скорость движения поршня, м/с;

n₁ – частота вращения коленчатого вала, об/мин.

h₀=

м

Определяем радиус кривошипа, r, м:

r=h₀/2, (4)

r=0,128/2=0,064 м

Определяем длину шатуна, l, м:

l=r/ λ, (5)

l=0,064х4,8=0,307 м

По известным размерам звеньев вычерчиваем кинематическую схему КПМ.

Определяем масштабный коэффициент длин, μ_l, м/мм:

μ_l=

, (6)

где r_ист – истинное значение радиуса кривошипа, м;

О₁А – отрезок на чертеже, отображающий ход поршня, мм.

μ_l=

м/мм

3.1.2 Анализ кривошипно-ползунного механизма

3.1.2.1 Графический метод планов

Угол поворота кривошипа О₁А_i разбиваем на 12 частей. За начало отсчета принимаем положение кривошипа и шатуна, соответствующее нижней мертвой точке ползуна. Из точек А_i циркулем отмеряем расстояние равное длине шатуна АВ в масштабе и на линии движения ползуна делаем засечки. Соединив точки А_i с соответствующими точками В_i,, получаем промежуточные положения шатуна.

Определяем положение ползуна в соответствующих точках, S_Bi, м:

S_Bi=

, (7)

где S_Bi– положение ползуна на чертеже:

S_B1=7 мм, S_B2=28 мм, S_B3=56 мм, S_B4=91 мм, S_B5=117 мм, S_B6=128 мм.