Прибор для экспериментальных исследований сил с учетом трения покоя в соединении "тормозная колодка-барабан"
Полезная модель относится к лабораторному оборудованию и может быть применена в учебных лабораториях по теоретической и прикладной механике технических вузов, техникумов и технических училищ.
Известный прибор имеет постоянные размеры штока и постоянное положение его опор, что не позволяет проводить научные исследования по выявлению зависимостей сил от размеров звеньев стенда с учетом трения.
Предложенный прибор снабжен водилом, шарнирно связанным со станиной в шарнирном соединении барабанов с консольной балкой, основной стержень водила расположен параллельно штоку и жестко связан с его направляющими, правая часть стержня водила и часть стержня, расположенная между направляющими, выполнены телескопическими, наружные стержни телескопических соединений выполнены с клеммами на концах, направленными влево, левый конец основного стержня водила связан клеммой с кареткой с возможностью перемещения ее по круговому направляющему пазу станины, средняя линия которого представляет собой дугу окружности, центр которой совпадает с геометрической осью вращательных шарниров барабанов, и жесткого закрепления каретки с помощью резьбовых крепежных элементов к станине, горизонтальная площадка, на которой расположен шарнир блока, выполнена с возможностью перемещения вдоль вертикальной направляющей станины, которая сама выполнена с возможностью перемещения вдоль горизонтальной направляющей станины и жесткого закрепления и тех и других к направляющим. Это позволило студентам первых курсов проводить научные исследования и повышать свой уровень инженерного образования. 1 илл.
Полезная модель относится к лабораторному оборудованию и может быть применена в учебных лабораториях по теоретической и прикладной механике технических вузов, техникумов и технических училищ.
Известен прибор для рассмотрения сил с учетом трения покоя с приложенными к нему внешними силами и моментами (Сборник заданий для курсовых работ по теоретической механике: Учебное пособие для технических вузов. - 7-е изд., исправленное. - М.: Интеграл-Пресс, 2001, стр.36, рис.33, вар.17) начальное положение опор и длины звеньев которого определяются соответствующими размерами а, b, R, 1,5R, 
, состоящий из двух соосно расположенных барабанов разных радиусов, радиус большего барабана в полтора раза больше радиуса меньшего барабана, геометрическая ось барабанов расположена горизонтально и одновременно является геометрической осью вращательных шарниров, на барабан меньшего радиуса намотана нить, расположенная справа с левым уклоном, которая перекинута под углом к горизонтали через шарнирно связанный со станиной блок, шарнир блока расположен на горизонтальной площадке и находится правее и выше шарниров барабанов, к концу нити прикреплен груз, шарниры барабанов закреплены на левом конце консольной балки, правый конец которой жестко заделан в станину, слева к барабану большего радиуса прижата тормозная колодка, жестко связанная со штоком, ось симметрии которых совпадает с горизонтальной осью симметрии барабанов, шток расположен в двух направляющих станины.
Основной недостаток известного прибора заключается в том, что он имеет постоянные размеры штока (застывшую форму), т.е. постоянные линейные параметры штока и постоянное положение опор, что не позволяет студентам (обучающимся) проводить учебные исследования как теоретические, так и экспериментальные по выявлению зависимости величин реакций связей и сил взаимодействия частей прибора от линейных размеров штока и изменения взаимного расположения опор.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в том, чтобы у водила штока можно было изменять его размеры, а у опор - изменять их взаимное положение, и обеспечить обучающимся проведение учебных исследований как теоретических, так и экспериментальных, и сравнивать полученные результаты.
Технический результат достигается тем, что прибор для экспериментальных исследований сил с учетом трения покоя в соединении «тормозная колодка-барабан», состоящий из двух соосно расположенных барабанов разных радиусов, причем геометрическая ось барабанов расположена горизонтально и одновременно является геометрической осью вращательных шарниров, на барабан меньшего радиуса намотана нить, расположенная справа с левым уклоном, которая перекинута под углом к горизонтали через шарнирно связанный со станиной блок, шарнир блока расположен на горизонтальной площадке и находится правее и выше шарниров барабанов, к концу нити прикреплен груз, шарниры барабанов закреплены на левом конце консольной балки, правый конец которой жестко заделан в станину, слева к барабану большего радиуса прижата тормозная колодка, жестко связанная со штоком, ось симметрии которых совпадает с горизонтальной осью симметрии барабанов, шток расположен в двух направляющих станины, согласно нашему предложению, снабжен водилом, шарнирно связанным со станиной в шарнирном соединении барабанов с консольной балкой, основной стержень водила расположен параллельно штоку и жестко связан с его направляющими, правая часть стержня водила и часть стержня, расположенная между направляющими, выполнены телескопическими, наружные стержни телескопических соединений выполнены с клеммами на концах, направленными влево, левый конец основного стержня водила связан клеммой с кареткой с возможностью перемещения ее по круговому направляющему пазу станины, средняя линия которого представляет собой дугу окружности, центр которой совпадает с геометрической осью вращательных шарниров барабанов, и жесткого закрепления каретки с помощью резьбовых крепежных элементов к станине, горизонтальная площадка, на которой расположен шарнир блока, выполнена с возможностью перемещения вдоль вертикальной направляющей станины, которая сама выполнена с возможностью перемещения вдоль горизонтальной направляющей станины и жесткого закрепления и тех и других к направляющим.
Такое исполнение прибора позволило изменять размеры основного стержня водила и взаимное положение опор и проводить учебные исследования обучающимся по выявлению зависимости величин реакций связей (опор) и сил взаимодействия частей прибора от размеров основного стержня водила и изменения взаимного положения опор, а также угла наклона нити к вертикали.
На фиг. представлена схема предлагаемого прибора.
Прибор устроен следующим образом.
Прибор для экспериментальных исследований сил с учетом трения покоя в соединении «тормозная колодка-барабан» с приложенными к нему внешними силами и моментами, начальное положение опор и длины звеньев которого определяются соответствующими размерами a, b, R, 1,5R, , состоит из двух соосно расположенных барабанов 1 и 2 разных радиусов. Радиус большего барабана больше радиуса меньшего барабана, геометрическая ось барабанов расположена горизонтально и одновременно является геометрической осью вращательных шарниров О.
На барабан 2 меньшего радиуса намотана нить 3, расположенная справа с левым уклоном, которая перекинута под углом к горизонтали через шарнирно связанный со станиной блок 4. Шарнир D блока расположен на горизонтальной площадке и находится правее и выше шарниров О барабанов. К концу нити прикреплен груз Q. Шарниры О барабанов закреплены на левом конце консольной балки 5, правый конец которой в точке С жестко заделан в станину. Слева к барабану 1 большего радиуса прижата тормозная колодка 6, жестко связанная со штоком 7, ось симметрии которых совпадает с горизонтальной осью симметрии барабанов. Шток расположен в двух направляющих А и В станины.
Прибор снабжен водилом 8, шарнирно связанным со станиной в шарнирном соединении О барабанов с консольной балкой. Основной стержень 9 водила расположен параллельно штоку и жестко связан с его направляющими А и В. Правая часть 10 стержня водила и часть стержня 11, расположенная между направляющими А и В, выполнены телескопическими. Наружные стержни 12 и 13 телескопических соединений выполнены с клеммами на концах, направленными влево. Левый конец основного стержня 9 водила связан клеммой 14 с кареткой 15 с возможностью перемещения ее по круговому направляющему пазу 16 станины, средняя линия которого представляет собой дугу окружности, центр которой совпадает с геометрической осью вращательных шарниров О барабанов, и жесткого закрепления каретки с помощью резьбовых крепежных элементов 17 к станине. Радиус средней линии кругового паза равен r. Горизонтальная площадка, на которой расположен шарнир D блока 4, выполнена с возможностью перемещения вдоль вертикальной направляющей 18 станины, которая сама выполнена с возможностью перемещения вдоль горизонтальной направляющей 19 станины и жесткого закрепления и тех и других к направляющим.
Прибор работает следующим образом.
Теоретически в приборе с размерами прототипа необходимо определять минимальное значение внешней силы Р, приложенной к штоку, силы взаимодействия частей прибора и реакции его опор, находящиеся в покое, с учетом сил сцепления (трения покоя) в соединении «тормозная колодка-барабан». Эта задача решается с помощью уравнений равновесия.
Согласно рекомендациям, изложенным в указанном выше источнике, в котором описан прототип, сначала составляются уравнения равновесия сил, приложенных к грузу Q. Из этих уравнений определяется реакция нити и нормальная реакция при взаимодействии нити с блоком. Затем составляются уравнения равновесия сил, приложенных к барабану 2, из которых определяется нормальная сила, действующая на барабан, а также реакции шарниров барабана. Для определения минимального значения силы Р и реакций опор в направляющих А и В штока и в жесткой заделке консольной балки достаточно рассмотреть равновесие сил, приложенных к штоку, барабанам и балке.
Поскольку в предложенной полезной модели предусмотрено изменение длины основного стержня водила и взаимного положения опор, то перечисленные величины сил можно определять при измененных размерах стержня 8 и соответствующих размеров взаимного положения опор А и В. Если длины правой части и части стержня, расположенной между опорами штока 8, изменять ступенчато последовательно или одновременно, то можно получать и соответствующие значения сил. По полученным данным можно строить графические зависимости значения сил от изменения размеров основного стержня 8 и его опор. Шток 6 можно перемещать в пределах угла Р, который равен 90° и симметрично расположен относительно горизонтали. Перемещением горизонтальной площадки шарнира С вдоль вертикальной направляющей 17 можно изменять и угол . Изменение угла дает дополнительную возможность проведения научных исследований.
Определять соответствующие зависимости можно и экспериментально, снабдив звенья прибора соответствующими датчиками и регистрирующей аппаратурой. Появилась возможность у обучающихся проводить как теоретические, так и экспериментальные исследования и сравнивать их результаты.
Таким образом, задача, поставленная перед полезной моделью, полностью выполнена.
Прибор для экспериментальных исследований сил с учетом трения покоя в соединении «тормозная колодка-барабан», состоящий из двух соосно расположенных барабанов разных радиусов, причем геометрическая ось барабанов расположена горизонтально и одновременно является геометрической осью вращательных шарниров, на барабан меньшего радиуса намотана нить, расположенная справа с левым уклоном, которая перекинута под углом к горизонтали через шарнирно связанный со станиной блок, шарнир блока расположен на горизонтальной площадке и находится правее и выше шарниров барабанов, к концу нити прикреплен груз, шарниры барабанов закреплены на левом конце консольной балки, правый конец которой жестко заделан в станину, слева к барабану большего радиуса прижата тормозная колодка, жестко связанная со штоком, ось симметрии которых совпадает с горизонтальной осью симметрии барабанов, шток расположен в двух направляющих станины, отличающийся тем, что он снабжен водилом, шарнирно связанным со станиной в шарнирном соединении барабанов с консольной балкой, основной стержень водила расположен параллельно штоку и жестко связан с его направляющими, правая часть стержня водила и часть стержня, расположенная между направляющими, выполнены телескопическими, наружные стержни телескопических соединений выполнены с клеммами на концах, направленными влево, левый конец основного стержня водила связан клеммой с кареткой с возможностью перемещения ее по круговому направляющему пазу станины, средняя линия которого представляет собой дугу окружности, центр которой совпадает с геометрической осью вращательных шарниров барабанов, и жесткого закрепления каретки с помощью резьбовых крепежных элементов к станине, горизонтальная площадка, на которой расположен шарнир блока, выполнена с возможностью перемещения вдоль вертикальной направляющей станины, которая сама выполнена с возможностью перемещения вдоль горизонтальной направляющей станины и жесткого закрепления и тех и других к направляющим.
