background image

E. Michlowicz: IMW – Modelowanie mechanizmu podnoszenia                       

 

WYKŁAD 4 

MODELOWANIE MECHANIZMU PODNOSZENIA 

 

   

                               

 

 
 
 

Mechanizm podnoszenia – 

1 – silnik, 
2 - sprzęgło hamulcowe wkładkowe wraz z hamulcem, 

3 - przekładnia zębata zamknięta, 

4 - sprzęgło zębate przybębnowe, 
5 – bęben, 

6 - krążek wyrównawczy, 
7 – lina, 

8 – zblocze hakowe. 

 
 
 

1. Stany nieustalone w ruchu mechanizmu podnoszenia 

 

Model mechanizmu podnoszenia służący do badania ruchu to układ dwóch 

mas zredukowanych, które są ze sobą połączone elementem sprężystym jak to 
widać  na  poniższym  rysunku.  Masa  m

1

  to  masa  zredukowana  na  linę 

napinającą  na  bęben,  zastępuje  ona  momenty  bezwładności  elementów 
obrotowych:  bębna  z  nawiniętą  liną,  bębna  hamulcowego,  wirnika  silnika, 
sprzęgieł  i  kół  zębatych.  Masa  m

2

  jest  natomiast  masą  zredukowaną, 

zastępującą masę ładunku, zawieszonego na linie oraz masę zblocza (rys.1.). 

background image

E. Michlowicz: IMW – Modelowanie mechanizmu podnoszenia                       

 

 

 

 
 

 

 

 

Rys. 1.   Model dwumasowy mechanizmu podnoszenia 

 

Najogólniej można rozpatrywać kilka stanów nieustalonych mechanizmu 
podnoszenia (z ciężarem lub tylko hak ze zbloczem): 

1.Rozruch przy podnoszeniu, 

2.Rozruch przy opuszczaniu, 
3.Hamowanie przy podnoszeniu, 

4.Hamowanie przy opuszczaniu. 
 

2. 

Równania ruchu

 

2.1.Rozruch przy podnoszeniu 

 

Wartości  początkowe  mogą  przyjmować  różne  wartości,  a  jest  to  zależne  od 
warunków, w jakich rozpoczyna się rozruch. 
 

a) Przypadek z napiętymi więzami 

 
Na  rysunku  2  przedstawiono  przypadek,  w  którym  obydwie  masy  zaczynają 
ruch jednocześnie a więzy między masami są napięte. 
W tym przypadku równania ruchu mają postać: 

 

                                                               (1.1) 

 

 

background image

E. Michlowicz: IMW – Modelowanie mechanizmu podnoszenia                       

 

 

 

Rys. 2.   Model matematyczny – przypadek z napiętymi więzami 

 

Dwa  równania  drugiego  rzędu  (1.1)  można  zastąpić  układem  czterech 

równań różniczkowych pierwszego rzędu (1.2). 

 

                                                  

        (1.2) 

 
Wartości początkowe w chwili t=0 wynoszą:  

 
 

                                                                                                                            (1.3) 

      

 

b) Przypadek ze zluzowanymi więzami 

 

Rysunek  3  przedstawia  ładunek  spoczywający  na  podłożu,  lina  nie  jest 

napięta.  Ruch  takiego  układu  rozpoczyna  się  od  fazy  napinania  więzów,  tj. 
początkowo  porusza  się  tylko  masa  m

1

,  co  powoduje  stopniowe  rozciąganie 

więzów.  Faza  ta  trwa  do  chwili,  w  której  siła  odkształcająca  więzy  osiągnie 
wartość równą sile S

2

 

Układ  ma  tylko  jeden  stopień  swobody,  a  więc  ruch  układu  opisuje  jedno 
równanie drugiego rzędu lub układ dwóch równań pierwszego rzędu. 

 

background image

E. Michlowicz: IMW – Modelowanie mechanizmu podnoszenia                       

 

 

 

Rys. 3.   Model matematyczny – przypadek ze zluzowanymi więzami 

 

 
Pierwsza faza ruchu  

 

 

                               

 

 

    

              (1.4) 

 
lub 
 

                  

 

 

 

 

              (1.5) 

 

 
Druga faza ruchu 

 

Warunki początkowe dla t=0 
 

 

                   

 

 

 

 

 

 

 

 (1.6) 

 
t

- czas, po którym siła rozciąganych więzów równa się sile S

2  

 

                  

 

 

 

 

 

 

 

(1.7)  

 

Odkształcenie, jakie osiągają więzy: 
 

  

 

 

 

 

 

 

 

 (1.8) 

 
Wartość prędkości masy 1  

background image

E. Michlowicz: IMW – Modelowanie mechanizmu podnoszenia                       

 

 

                         

 

 

 

 

 

 

 (1.9) 

 

              

 

                         (1.10) 

 
 
 

c)  Przypadek z nadmiernym luzem w linie 

 

 

 

Rys. 4.   Model matematyczny – przypadek z nadmiernym luzem w linie 

 

Na  rysunku  4  ładunek  również  jak  w  poprzednim  przykładzie  (rys.  3.) 

spoczywa  na  podłożu,  lecz  tym  razem  liny  są  bardziej  luźne.  Ruch  takiego 
układu  rozpoczyna  się  od  fazy  kasowania  luzu  w  więzach  –  porusza  się  tylko 
masa m

1

 pociągając za sobą linę bez oporu, a masa m

2

 spoczywa swobodnie 

na podłożu. 
Wartości początkowe są równe zero: 

 

                                                                                                                              

(1.11)

 

  

 

W równaniu nie występują zewnętrzne ani wewnętrzne siły oporu. 

                                                                                                                               (1.12) 

 

Ruch jest jednostajnie przyspieszony i trwa do chwili wyczerpania luzu: 

                                                                                                                                         

(1.13) 

 

background image

E. Michlowicz: IMW – Modelowanie mechanizmu podnoszenia                       

 

Czas kasowania luzów wyraża się wzorem: 

 

                                                                                                                                                                                                           

(1.14) 

 

Prędkość masy m1 w chwili skasowania luzu jest równa: 

 

                                                                                                                                                                                                            

(1.15) 

 

Drugą  fazą  tego  układu  jest  napinanie  więzów,  tj.  początkowo  porusza 

się  tylko  masa  m

1

,  co  powoduje  stopniowe  rozciąganie  więzów.  Faza  ta  trwa 

do  chwili,  w  której  siła  odkształcająca  więzy  osiągnie  wartość  równą  sile  S

2

Równanie  ruchu  nie  zmienia  się,  natomiast  występują  inne  warunki 
początkowe: 

 

 

                                                                                                                                   

(1.16)

 

 

 

 

 

Faza ta trwa aż do chwili, w której napięcie więzów zrównoważy siłę 

obciążającą więź S

2

. Wartości t

*

, x

1

*

, v

1

*

 na końcu drugiej fazy są odpowiednio 

wartościami początkowymi trzeciej fazy ruchu obu mas. Faza ta rozpoczyna się 
w chwili t > t

*

, gdy siła naciągu liny zaczyna przekraczać wartość S

2

 

Pierwsza faza kasowanie luzu  

 

                                                                                                                      (1.17) 

 

                                                                                                                       (1.18) 

 

Druga faza napinanie więzów (x

1

=Δ, v

1

=v

luz

 

                                                                                               (1.19) 

 
 
 

Trzecia faza ruch obu mas (x

1

=x

1

(t

*

), v

1

=v

1

(t

*

)) 

 

t

*

 - czas po którym siła rozciąganych więzów równa się sile S

2

 

 

            

 

 

            (1.20) 

 

background image

E. Michlowicz: IMW – Modelowanie mechanizmu podnoszenia                       

 

2.2.  Hamowanie przy opuszczaniu 

 

Podczas  hamowania  przy  opuszczaniu  układ  sił  jest  bardzo  podobny  jak 

przy  rozruchu  -  przedstawia  nam  rysunek  5.  Zasadnicza  różnica  polega  na 
zmianie  kierunku  ruchu  mas  oraz  na  tym,  że  siła  S

1

  pochodzi  od  hamulca 

umieszczonego na wale silnika. 

 

 

Rys. 5.   Model matematyczny – przypadek hamowania przy opuszczaniu 

 

Warunki początkowe określone są przez prędkość ruchu przy opuszczaniu oraz 
wydłużenie układu linowego pod wpływem zawieszonego ciężaru: 
 

  

                                                                                                                                      (1.21) 

  

 

Ruch opisują dwa równania różniczkowe: 

 

     

                                                                      (1.22) 

 
Ruch tego układu składa się z dwóch faz: 
- ruch obu mas trwa do zatrzymania masy m

1

 siłą hamulca (t= t

*

, v

1

= 0), 

- po zatrzymaniu masy m

1

 (x

1

= x

1

*

= const) następuje faza, w której masa m

2

 

wykonuje swobodne wahania pionowe opisane równaniem: 
 

                                                                 (1.23) 

 

background image

E. Michlowicz: IMW – Modelowanie mechanizmu podnoszenia                       

 

Pierwsza faza obie masy w ruchu (v

1

= v

2

= v

nom

, x

1

= 0, x

2

 = S

2

/k) 

 

                                                                  (1.24) 

 

Druga  faza ruch jednej masy (x

1

=x

1

*

 = const, v

1

*

=0, x

2

=x

2

(t

*

), v

2

=v

2

(t

*

) ) 

t

*

 - czas po którym zakończyła się faza pierwsza. 

 

                       

 

 

                  (1.25) 

 

2.3.  Hamowanie przy podnoszeniu 

 

Hamowanie  podczas  podnoszenia  można  opisać  podobnie  jak  hamowanie 

podczas opuszczania – rysunek 5. Istotna różnica polega tylko na tym, że siła 
S

2

  pochodząca  od  ciężaru  współdziała  z  hamulcem,  co  przyspiesza  proces 

hamowania (rys. 6). 

 

 

 

 

Rys.6.   Model matematyczny – przypadek hamowania przy podnoszenia 

 
 
Równania ruchu w fazie pierwszej – ruch obu mas: 
 

     

                                                                   (1.26) 

background image

E. Michlowicz: IMW – Modelowanie mechanizmu podnoszenia                       

 

 

Faza ta trwa aż do chwili t= t

*

, w której nastąpi zatrzymanie pierwszej masy 

m

1

, v= 0.  

 

Druga  faza  po  zatrzymaniu  masy  m

1

  (x

1

=  x

1

*

=  const)  to  ruch  wahadłowy 

drugiej masy m

2

 

                                                                                            (1.27) 

 

Pierwsza faza - obie masy w ruchu (v

1

= v

2

= v

nom

, x

1

= 0, x

2

= S

2

/k) 

 

                                                                  (1.28) 

 
 

Druga faza - ruch jednej masy (x

1

= x

1

*

= const, x

2

=x

2

(t

*

)) 

 
t

*

 - czas, po którym zakończyła się faza pierwsza 

 

                                                                                                 (1.29) 

 

 

3. Parametry do identyfikacji 

 

Z rozważań zawartych w punktach 1-2 wynika, że każdorazowo do 
pełnego opisu równań ruch należy wyznaczyć sześć parametrów: 

 

  k – współczynnik sprężystości więzi (np. liny), 
  h – współczynnik tłumienia więzi, 
  m

– masę zredukowaną na linę nabiegającą na bęben linowy – od 

strony silnika, 

  m

– masę zredukowaną na linę – od strony zblocza, 

  S

lub S

– obciążenie czynne – od silnika lub hamulca, 

  S

– obciążenie bierne – od podnoszonego lub opuszczanego 

ciężaru. 

 
Ważne uwagi: 

 
- przy redukcji sił lub momentów sił korzystamy z zasady zachowania 

mocy w układzie (z uwzględnieniem odpowiedniej sprawności), 
 

- przy redukcji mas lub momentów bezwładności korzystamy z zasady 
zachowania energii
 badanego układu.