Машина как объект исследования

Машина(фр. machine, лат. machina – сооружение) – механизм или устройство, осуществляющее преобразование энергии в полезную для человека работу.

Структурная схема машины в общем виде может быть представлена, как показано на рис. 3.1. Машина состоит из двух основных систем.

Силовая система – это, собственно, и есть сама машина, т.е. набор механизмов или элементов, которые и превращают подведенную к ней энергию в полезную для человека работу. Силовая система машины включает:

— машину-двигатель;

— вариатор или преобразователь параметров энергии;

— рабочий (исполнительный) орган.

Системы, обеспечивающие нормальную работу силовой системы:

СУ — система управления;            СК — система контроля;

СО — система охлаждения;            СТ — система торможения;

ПС — противопожарная система;  СС — система смазки;

СН — система навигации;              ССт — система стабилизации;

ПуС — противоугонная система;   ДС — другие системы.

Двигательмашины предназначен для преобразования подведенной к нему энергии в механическую.

В качестве энергии, подведенной к двигателю, может быть исполь­зован любой вид энергии – электрическая, пневматическая, гидравлическая, химическая, паровая или их комбинации.

Применение того или иного вида подводимой к двигателю машины энергии обусловливается рядом причин:

— является ли машина стационарной или движется;

— в какой среде работает машина (агрессивные, взрывоопасные среды, работа в закрытом помещении, под землей, под водой, в безвоздушном пространстве)

— какая необходима энерговооруженность;

— каковы массо-габаритные ограничения и т.д.

Из-за ряда преимуществ электрической энергии и в первую очередь возможности передачи большой ее мощности на дальние расстояния, подвода энергии к потребителю практически без каких-либо трудностей, высокого КПД электрических двигателей обусловили очень широкое ее применение.

Электрические двигатели постоянного тока (с после­до­вательным, параллельным и смешанным возбуждением) и переменного тока (синхронные и асинхронные ) используются в стационарных машинах (насосы, вентиляторы, подъемные машины, станки) и в машинах, движущихся на небольшие расстоя­ния (проходческие и очистные комбайны, городской электротранспорт).

Двигателями, использующими химическую энергию (двигатели внутрен­не­го сгорания карбюраторные и дизельные, турбореактивные, реактивные) оснащаются автономные машины (автомобили, корабли, самолеты, ракеты).

Гидравлические и пневматические двигатели широко используются в горной промышленности, станкостроении и в др. отраслях, в случаях, когда по массогабаритным и др. ограничениям (взрывоопасная среда) нельзя использо­вать электропривод.

Из паровых двигателей наиболее распространенными являются турбин­ные двигатели привода генераторов тепловых и атомных электростанций, которые используют энергию перегретого пара.

Вариаторили преобразователь параметров энергии предназначен для преобразования параметров полученной механической энергии двигателя — это редуктор или мультипликатор, предназначенные для изменения момента и частоты вращения выходного вала.

Вариатор необходим, если преобразование энергии, напри­мер, электри­ческой в механическую с наибольшем КПД происходит при определенных параметрах – частоте вращения и моменте, а для рабочего органа машины требуются иные параметры. Иногда необходимо преобразовать вращательное движение в поступательное. В некоторых случаях (использование тихоходных электро- или гидродвигателей, гидроцилиндров) вариатор не нужен.

Основным параметром вариатора (редуктора) является передаточное число, показывающее во сколько раз уменьшается частота вращения вала и увеличивается крутящий момент. При этом передаваемая мощность остается неизменной (не считая потерь мощности в вариаторе)

                                   .

Рабочий органмашины и есть как раз той ее частью, которая и делает полезную для человека работу – шьет, вяжет, рубит, косит, молотит, режет, пилит, перемещает и выполняет еще тысячи других работ, полезных для человека. Поэтому эти устройства очень многообразны как по конструкции, так и по выполняемым операциям. Это наиболее важная часть машины — часто по названию рабочего органа называют всю машину, например, центробежный насос, сверлильный станок, ковшовый или роторный экскаватор и д.т.

Моделирование

Модели, их классификация

В прикладных исследованиях широко применяют моделирование, под которым поникают способ познания действительности с помощью моделей.

Модель — материальный или мысленный объект, отражающий основные свойства объекта-оригинала.

Использование моделей позво­ляет исследователю с меньшими затратами получить более точные резуль­таты и избежать ряда погрешностей.

Важнейшим требованием, предъявляе­мым к моделям, является их адекватность — подобие объектам-оригиналам. Два объекта подобны, если по известным характеристикам одного простым пересчетом можно получить характеристики другого.

Кроме того, модель должна обеспечивать достаточную степень точности результатов исследований.

Модели бывают материальными и мысленными.

Материальные модели делятся на натурные и аналоговые.

Натурная модель — сам объект иссле­дования или его аналог — харак­терна тем, что физическая природа проте­кающих в ней процессов анало­ги­чна природе процессов объекта-оригинала. При этом объект исследования абстра­ги­руется — не учитывается влияние второстепенных, не имеющих сущест­венного влияния на изучаемый процесс параметров или даже систем.

Процессы в аналоговых моделях имеют другую фи­зическую природу по сравнению с процессами объекта-оригинала. Например, исследование гид­рав­ли­ческих объектов может проводиться на электрических моделях.

Мысленные модели могут быть наглядными, символическими и матема­ти­ческими.

К наглядным моделям относятся так называемые воображаемые модели (например, модель атома).

Символические (знаковые) модели могут иметь вид условно-знаковых представлений: принципиальные схемы, записи химических реакций; гра­фы.

Наиболее полной мысленной моделью яв­ляется математическая, суть которой заключается описании свойств и связей объекта математическими уравнениями и соотношениями.

Построение моделей

При построении математических моделей руководствуются следую­щими соображениями.

1. Из общего комплекса процессов, характеризующих объ­ект, выделяют те, которые важныв данном исследовании и отражают основные свойства оригинала.

2. Создают общую описательную модель выде­ленных процессов. Выполняют словесное описание, проводят классифи­кацию, и систематизацию.

3. Определяют параметры и устанавливают значимыефакторы. С этой целью сложный объект разбивают на элементарные звенья. Для каждого звена определяют входные и выходные величины. Оценивают весомость влияния каждого фактора, выделяют значимые и отбрасывают второстепенные.

4. Создают математическую модель объекта, для чего составляют уравнения, описывающие процессы в звеньях, устанавли­вают и записывают уравнения связей и соотношений, выбирают метод ре­шения.

5. Проверяют адекватность модели реальному объекту.

6. Решают уравнения (аналитически, чи­сленными методами на ЭВМ или на аналоговых моделях).

При построении натурных моделей поступают следующим образом:

1. Выделяют процессы, отображающие основные свойства оригинала.

2. Дают общее словесное описание модели и устанавливают параметры и факторы.

3. С использованием теории размерностей определяют критерии подо­бия, по значениям которых рас­считывают значения физических пара­мет­ров модели.