Химические и нефтяные аппараты с мешалками

Для описания положения мешалки используется обобщенная координата, то есть независимая величина, которая определяет изменение формы оси вала (положение системы).

Обобщенной силой является сила, которая полностью определяет действующую систему сил.

Обобщенная координата и сила связаны формулировкой: в результате произведения приращения обобщенной координаты на обобщенную силу получается работа.

Движение вала с мешалкой описывается уравнениями в обобщенных координатах. Между обобщенными координатами и декартовыми координатами всегда существует зависимость в виде функции декартовых координат от обобщенных координат.

Из общего уравнения движения системы, полученного в декартовых координатах, получают уравнение движения в обобщенных координатах. В результате получается запись:

Для кинетическая энергия системы

находится производная по обобщенным координате и скорости и после преобразований:

Уравнение движения запишется в виде

Силы, действующие на вал, зависят только от положения и не зависят от времени, скорости. В этом случае, согласно теоремы Кастильяно, обобщенная сила равна производной потенциальной энергии (при этом совершаемая работа переводит потенциальную энергию в кинетическую):

По теореме Кастильяно [5,с.319] прогиб точки приложения сосредоточенной силы (P) равен частной производной потенциальной энергии деформации по этой силе, а производная потенциальной энергии деформации по обобщенной силе равна обобщенному перемещению:

В результате получается уравнение движения Лагранжа:

__

Равновесное положение системы вала принимается за начало обобщенных координат, т.е.

Кинетическая и потенциальная энергии системы:

-

коэффициенты инерции,

– коэффициенты жесткости.

Существует форма записи обобщенного закона Гука [5,с.314], связывающая все силы и перемещения:

В условиях равновесия:

С учетом этого, уравнение Лагранжа можно записать в виде системы линейных однородных дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами:

Частными решениями уравнений системы будут уравнения:

В частных решениях (j = 0, 1,2,3…s):

Частным решениям соответсвуют резонансные частоты колебаний.

Для неизвестных получают систему линейных однородных уравнений подстановкой полученного частного решения в приведенную систему уравнений (основные уравнения система малых колебаний с s степенями свободы):

Полученная система уравнений имеет решение, отличное от нуля в случае равенства нулю определителя этой системы.

На этом основании записывается вековое уравнение (уравнение частот). Вековое уравнение является уравнением s-степени относительно :

Искомые частота колебаний р и амплитуды , возникающие при этой частоте (k = 1,2,3…n), находятся из:

– основных уравнений системымалых колебаний с s степенями свободы,

– векового уравнения.

Вековое уравнение является уравнением s степени относительно k². И из этого уравнения находятся все частоты свободных колебаний k системы.

Так как определитель k₂ = 0, одно из уравнений системы при = 1 является следствием других уравнений системы. Последовательно подставляя в уравнения системы все полученные значения k² получается система уравнений:

Находятся значения коэффициентов :

– определитель матрицы, получаемый вычеркиванием из определителя

первых столбца и строки.

– минор элемента первой строки и

j

–го столбца со знаком (-1) основного

определителя

– коэффициенты распределения равные 1.

В результате частные решения первой системы уравнений:

– первое главное колебание с частотой

k

₁

и начальной фазой

₁

.

– второе главное колебание с частотой

k

₂

>

k

₁

и начальной фазой

₂

.

– третье главное колебание с частотой

k

₃

>

k

₂

и начальной фазой

₃

.

…..

Коэффициенты определяют форму главных колебаний:

– форму первого главного колебания,

– форму второго главного колебания,

– форму третьего главного колебания,

и тд.

Общее решение первой системы уравнений можно получить суммированием частных решений:

2s неизвестные постоянных определяются по 2s и по начальным обобщенным скоростям и координатам:

На основании приведенного выше, алгоритм полного исследования свободных колебаний системы с s степенями свободы состоит из следующих действий:

а) нахождение частот свободных колебаний k₁, k₂ … k_s из векового уравнения,

б) нахождение коэффициентов распределения

в) нахождения амплитуд и начальных фаз

Применение программы MathCAD

Яблонский отмечает [3,с.143] если число степеней свободы превышает 4, то доя полного решения задачи потребуется громадная вычислительная работы.

Однако, в настоящее время возможно применение математических пакетов таких как MathCAD.

Программа MathCAD позволяет для матриц выполнять нахождение определителя, решать матричные уравнения. Применение этой программы исключает выполнение громоздких ручных расчетов и позволяет по приведенному выше алгоритму получать точное решение без каких-либо приближенных методов.

MathCAD позволяет выполнять с матрицами символьные вычисления.

Для решения матричного уравнения типа:

необходимо записать матрицу

вставить определитель

, вызвать команду «->».