EMP: Vztrajnostni moment
Transcription
EMP: Vztrajnostni moment
EMP: Vztrajnostni moment Klemen Drobnič 10. marec 2015 Dinamika prehodnih pojavov v pogonskem sistemu je odvisna od vztrajnostnega momenta J posameznih elementov (motorja, bremena, prenosa). Najprej si bomo ogledali izračun J za nekaj osnovnih geometrijskih teles ter podali napotek za določevanje kompleksnejših (sestavljenih) teles. V drugem delu pa bomo določili pravilo za določitev reduciranega vztrajnostnega momenta J 0 , ki ga čuti motor. Vztrajnostni moment različnih teles Splošen izraz za izračun vztrajnostnega momenta je J= Z m r2 · dm (1) y Najpogosteje uporabljeno telo v pogonski tehniki je valj (disk) z rotacijsko osjo, ki poteka vzdolžno skozi njegovo težišče. Njegov J lahko izračunamo, če imamo podano njegovo maso m in dimenzije oz. gostoto ρ in dimenzije. Edini način za določitev J je integracija. Valj razdelimo v več koncentričnih prstanov z maso dm in polmerom r ter debelino dr. Ker dA predstavlja ploščino tega prstana, lahko sklepamo, da je delež dm napram celotni masi m enak kot je delež dA nasproti celotni ploščini A. dm dA m = ⇒ dm = dA m A A 2m m (2πr · dr ) = 2 r · dr πR2 R Zdaj imamo masni element dm izražen z diferencialom koordinate r, ki ga vnesemo v enačbo 1 JV = Z 2 m r · dm = ZR 0 2m 2m r · 2 r · dr = 2 R R 2 ZR 0 r3 dr = m 2 R . 2 Če imamo cilinder ter sta Rn in Rz njegov notranji oz. zunanji polmer JC = Z 2 m r · dm = ZRz Rn m = ( R2z + R2n ). 2 m 2m r · (2πr · dr ) = 2 2 2 π ( Rz − Rn ) Rz − R2n 2 r R z ploščina osnovne plošče (diska) je A = πR2 , medtem ko je ploščina prstana1 enaka dA = 2πr · dr dm = dr ZRz Rn r3 dr = Slika 1: izračun vztrajnostnega momenta za disk (os vrtenja je z-os) Lahko si zamislimo, da prstan "odvijemo"ter dobimo dolg, tanek pravokotnik s stranicama 2πr in dr 1 dA x emp: vztrajnostni moment 2 Za tanek cilinder pa lahko zapišemo JC,t = Z 2 m r · dm = R+ Z δ/2 r2 · R−δ/2 m m (2πr · dr ) = R3 = mR2 . 2πRz · dr R disk s tanko steno disk z debelo steno poln disk Rn ' Rz R = ( Rn + Rz )/2 Rn < Rz R = Rz J = f (m) mR2 J = f (ρ) 2π ( Rz − Rn )hρ · R3 m 2 ( R + R2n ) 2 πhρ 4 ( R − R4n ) 2 Rn = 0 Rz = R m 2 R 2 πhρ 4 R 2 Tabela 1: Vztrajnostni moment različnih diskov. Za vsak tip sta podani dve enačbi, in sicer: v zgornji nastopa masa m, v spodnji pa gostota ρ. Primer 1. Določimo J za disk s tanko steno, s srednjim premerom 2R=0, 5 m, debelino stene δ = 0, 02 m, višino h = 0, 5 m ter gostoto ρ = 7850 kg/m3 . Uporabimo ustrezno enačbo iz tabele 1 J = 2π ( Rz − Rn )hρ · R3 = 2π · 0, 02 · 0, 5 · 7850 · 0, 5 2 3 = 7, 71 kgm2 . Če lahko sestavljeni element razdelimo v več enostavnih teles (slika 2), ki se vrtijo okoli iste osi in katerih J poznamo, je vztrajnostni moment celotnega elementa Jsk Jsk = J1 + J2 + · · · Jsk vztrajnostni moment sestavljenega telesa (2) J1 = J2 + Slika 2: vztrajnostni momenti sestavljenega telesa Primer 2. Določi vztrajnostni moment Jsk telesa na sliki 2 levo, če sta vztrajnostna momenta J1 = 0, 5 kgm2 in J1 = 2 kgm2 . Ker imata valj in cilinder isto os vrtenja lahko zapišemo Jsk = J1 + J2 = 0, 5 + 2 = 2, 5 kgm2 . Iznos vztrajnostnega momenta telesa je močno odvisen od izbire osi vrtenja. Vztrajnostna momenta Jv1 in Jv2 diskov na sliki 3 v emp: vztrajnostni moment splošnem nista ne enaka, niti matematično odvisna (da bi lahko npr. z vedenjem Jv1 določili Jv2 ). Izjema je primer, ko sta osi vrtenja med seboj vzporedni. Če poznamo vztrajnostni moment Jtez telesa, katerega os vrtenja poteka skozi njegovo težišče, lahko določimo vztrajnostni moment J za vse primere, kjer je os vrtenja vzporedna omenjeni osi. Takrat lahko zapišemo (slika 4) J = Jtez + md2 . (3) Jv1 ≠ 3 Jv2 Slika 3: vpliv osi vrtenja na J d Vztrajnostni moment telesa je minimalen takrat, ko os vrtenja poteka skozi njegovo težišče. Primer 3. Vztrajnostni moment železne pravokotne plošče skozi njeno težišče znaša Jtez = 2, 557 kgm2 . Dimezije plošče so a = 0, 5 m in b = 0, 25 m ter masa m = 98, 25 kg. Določi J, če ploščo vrtimo okoli njenega roba (slika 5). Najprej določimo razdaljo med težiščem in robom s s a 2 b 2 0, 5 2 0, 25 2 d= + = + = 0, 28 m 2 2 2 2 Jtez J Slika 4: Teorem vzporednih osi (Steinerjev teorem) Vztrajnostni moment plošče okoli njenega roba J = Jtez + md2 = 0, 557 + 98, 25 · 0, 282 = 10, 26 kgm2 a d Naloga 1. Izračunajte vztrajnostni moment homogenega valja in homogenega cilindra (za vzdolžno os). Kakšno je razmerje njunih mas in njunih vztrajnostnih momentov? gostota ρ višina h polmer valj cilinder 10000 kg/m3 1m R=1 m 10000 kg/m3 1m Rn =0,5 m, Rz = 1 m b Slika 5: vrtenje pravokotne plošče okoli njega roba 300 3 2 50 50 200 Slika 6: jekleni vztrajnik v tlorisu (levo) in narisu (desno) 200 1 700 Določite vztrajnostni moment jeklenega (ρ = 7870 kg/m3 ) vztrajnika oblike in dimenzij, kot jih podaja slika 6: 800 Naloga 2. emp: vztrajnostni moment 4 Reducirani vztrajnostni moment Elektromotorski pogon sestavljata motor in breme, ki sta povezana preko mehanskega sklopa z izkoristkom η. Če je smer pretoka moči od motorja k bremenu velja MM · ωM = d 1 MB · ω B + Wk , η dt (4) če pa je smer pretoka moči od bremena k motorju M M · ω M = η · MB · ω B + d W. dt k (5) Kinetična energija Wk je lastnost vseh gibajočih teles. V pogonih je prisotna v tako v rotirajočih (rotor, ventilator, zobnik,...) kot tudi premogibajočih masah (dvigalo, tekoči trak). Zanima nas, kako se spremeni Wk , če v pogon vključimo mehanski prenos (reduktor, multiplikator, polž, zobata letev). Ta novi vpliv bremenskih mas na motorsko gred bomo opisali z reduciranim vztrajnostnim momentom2 J 0 . Za pogon z mehanskim krožnim prenosom (slika 7) zapišemo ! 2 ω 1 1 1 J M + JB 2B ω 2M Wk (t) = J M ω 2M + JB ω B2 = 2 2 2 ωM reducirani vztrajnostni moment J 0 preračunan na gred motorja ! ω B2 0 . (6) J = JB ω 2M skupni vztrajnostni moment sistema je seveda vsota Jsk = J M + J 0 . 2 Slika 7: mehanski krožni prenos Za pogon z mehanskim linearnim prenosom (slika 8) lahko zapišemo ! 2 v 1 1 1 Wk (t) = J M ω 2M + m B v2B = J M + m B 2B ω 2M 2 2 2 ωM reducirani vztrajnostni moment J 0 preračunan na gred motorja ! v2B 0 J = mB . (7) ω 2M Slika 8: mehanski linearni prenos Reduciran vztrajnostni moment pri zaporednem mehanskem krožnem prenosu (slika 9) je JB1 + J0 = i12 JB2 i22 JB2 (ω B1 /ω B2 )2 . (ω M /ω B1 )2 JB1 + = (8) Slika 9: zaporedni mehanski krožni prenos emp: vztrajnostni moment Reduciran vztrajnostni moment pri vijačnem prenosu (slika 10) je P . (9) J 0 = (m B + m P ) 2π Reduciran vztrajnostni moment pri dviganju (slika 11) je 0 J = mB vb ωM 2 . (10) Slika 10: vijačni prenos Naloga 3. Določite skupni vztrajnostni moment, ki ga čuti motor, za dvigalo na sliki (slika 12). Slika 11: dviganje vrtilna hitrost motorja n M masa bremena m B premer bobna D prenosno razmerje prvega para zobnikov i1 prenosno razmerje drugega para zobnikov i2 vztr. moment vrtečih se delov na gredi motorja J0 vztr. moment vrtečih se delov na gredi 1 J1 vztr. moment vrtečih se delov na gredi 2 J2 motor motorska gred 1000 obr/min 230 kg 0,4 m 5 5 0,2 kgm2 0,15 kgm2 1,75 kgm2 Slika 12: dvigalo z dvojnim krožnim prenosom prenos nM i1 i2 gred 1 boben ωB gred 2 vB breme mB 5 emp: vztrajnostni moment Naloga 4. Simbolično določite reduciran vztrajnostni moment za vrtilno mizo z ekscentričnim bremenom (slika 13). Zanemarite vztrajnost povezovalnih gredi in prenosnega mehanizma. mB2 breme(na) mB1 rB1 Slika 13: vrtilna miza z ekscentričnim bremenom mB3 miza mMiza rmiza ωB prenos i ωM motor JM Naloga 5. Določite vztrajnostni moment tanke plošče (gostota na površinsko enoto: 20 kg/m2 ), ki se vrti okoli točke O (slika 14). Namig: Najprej določite vztrajnostni moment plošče, če bi se le-ta vrtela okoli svojega težišča: Jp = 1 m p ( a2 + b2 ) 12 kjer sta a in b dolžina in širina plošče. Nato uporabite Steinerjev izrek. (Rešitev: J = 0, 276 kgm2 ) Slika 14: plošča z izrezanimi krogi 6 emp: vztrajnostni moment 7 Naloga 6. Določite vztrajnostni moment jeklenega bobna, na katerega se navija papir debeline d s hitrostjo v. zunanji polmer jeklenega valja Rz notranji polmer jeklenega valja Rn višina valja h končni polmer valja z navitim papirjem R hitrost navijanja v debelina papirja b specifična gostota papirja ρ p specifična gostota jekla ρ j 10 cm 9 cm 1m 1m 0,5 m/s 0,1 mm 800 kg/m3 7800 kg/m3 R0 R(t) l dR Naloga 7. Na koncu steze za hladno valjano pločevino navijalni stroj navija pločevino. Material (jeklena pločevina) s širino b in debelino d se s hitrostjo v navija na vreteno, in sicer z začetnega polmera R0 na končni polmer R1 . Izračunajte oz. določite: 1. čas navijanja enega kosa tnav , 2. časovno funkcijo polmera R(t), 3. zahtevan časovni potek vrtilne hitrosti motorja ω M , 4. začetno in končno vrtilno hitrost motorja ω M0 in ω M1 , 5. časovni potek skupnega vztrajnostnega momenta Jsk preračunanega na motorsko gred. hitrost navijanja v debelina pločevine d širina pločevine b polmer navijalnega bobna R0 končni polmer navite pločevine R1 vztrajnostni moment motorja in navijalnega bobna J M prestavno razmerje motor-boben i specifična gostota jekla ρ j 5 m/s 0,4 mm 1m 0,2 m 1m 18 kgm2 4 7850 kg/m3 Slika 15: boben za navijanje papirja b v emp: vztrajnostni moment Naloga 8. Določite vztrajnostni moment vztrajnika na sliki 16. bv Slika 16: vztrajnik s štirimi palicami venec bp dp palica glava zunanji premer venca dv širina venca bv zunanji premer glave d g notranji premer glave d0 širina glave bg dolžina palice d p premer palice b p specifična gostota jekla ρ j dv dg d0 bg 90 cm 12,4 cm 16 cm 8 cm 8 cm 30 m 4 cm 7850 kg/m3 Namig: Vztrajnostni moment palice dolžine d in mase m, ki jo vrtimo okoli osi, ki poteka skozi njeno težišče, je Jp = m 1 md2 . 12 Pri reševanju naloge uporabite Steinerjev izrek. d Slika 17: vztrajnostni moment palice 8