Детали машин. 11
Введение
Ленточный конвейер предназначен для перемещения массовых (насыпных) или штучных грузов непрерывным потоком. Он состоит из приводного и натяжного барабанов, охватывающей их ленты, поддерживающих роликов, привода натяжного устройства и рамы.
Тяговое усилие F на приводном барабане передается силами трения за счет натяжения ленты.
Масштаб выпуска – мелкосерийное: основной способ получения заготовок корпусных деталей – литье; зубчатых колес – штамповка.
- Энергетический и кинематически
й расчеты привода.
1.1. Частота вращения барабана:
n’б=60000v/πDб=60000×2/(3,14×2
1.2. Ожидаемое общее передаточное число привода:
Общее передаточное число привода:
u’oc=nдвс/n’б, ,
где nдвс – синхронная частота вращения привода.
Электродвигатели серии АИР выпускают с nдвс =3000; 1500; 1000 и 750 мин-1. Тогда соответственно этому получим u’oc=22; 11; 7.53; 5.5.
Привод состоит из цилиндрического редуктора и цепной передачи :
где =3,15..5; =1,5..3.
Тогда
u’0=(3,15..5).(1,5..3)=4,73..
Тредуемая частота вращения двигателя лежит в пределах:
n’дв =n’бn’o=136.5(4,73..15)=645..
1.3. Кинематическая схема.
Обозначено:
1-электродвигатель;
2-муфта;
3-редуктор вертикальный;
4-цепная передача;
5-привод барабана;
6-лента конвейера;
I,II,III,IV-номера валов
Рисунок 1. Кинематическая схема привода.
1.4 КПД привода
Общий КПД привода [1,с.7] в соответствии с рисунком 1 (ТЗ):
где согласно [1,с.7] представлены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – КПД кинематических пар привода
Муфта |
Зубчатая закрытая передача с цилиндрическими колесами |
Цепная передача |
Подшипники качения вала барабана |
h 1 = 0,98 |
h 2 = 0,97 |
h 3 = 0,93 |
h 4 = 0,99 |
h 0 =h1 h2 h3 h4 = 0,98×0,97×0,93×0,99 = 0,88.
1.5 Подбор электродвигателя
Потребная мощность двигателя, кВт:
Тогда = 2000×2/(1000×0,88) = 2,8 кВт.
Ближайшая большая мощность Рдв=3 кВт с частотой вращения вала 1410 мин-1. Двигатель АИР100S4УЗ, масса m=23кг.
1.6Уточнение передаточных
u’o =nдвс/n’б,=1410/136,5=10,33;
принимаем uред=4.5;
uцп= u’o/ uред=10,33/4,5=2,3.
1.7 Частоты вращения и моменты на валах
Частота вращения i-го (i=1..4) вала :
где - передаточное число между валом двигателя (i=1) и i-м валом привода.
Вращающий момент на j-м валу (j=4…1):
Tj=T4/u4-jη4-j,
где u4-j, η4-j - соответственно передаточное число и КПД между валом барабана (j=4) и j-м валом привода.
Результаты расчета представлены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Частоты вращения и моменты на валах
Вал |
Параметры | ||||
|
I II III IV |
1 1 4,5 2,05 |
1410 1410 313,3 136,5 |
10,33 10,33 2,3
|
0,88 0,89 0,99 0,97 |
12,75 12,75 73,07 175 |
2. Проектировочный расчет зубчатых передач редуктора
Зубчатые передачи обоих ступеней редуктора закрытые. Основной характер разрушения – усталостное выкрашивание активных поверхностей зубьев под действием контактных напряжений. Проектировочный расчет следует начинать с определения межосевого расстояния αw из условия сопротивления контактной усталости.
2.1 Материал и термообработка зубчатых колес
В целях унификации материалов для зубчатых колес обеих ступеней с учетом массового производства принимаем сталь 40ХН ГОСТ 4543-71. При H<350 HB чистовое нарезание зубьев производят после термообработки, что позволяет получать высокие степени точности без применения дорогих отделочных операций.
Назначаем термообработку зубьев:
- шестерен - закалка ТВЧ1
- колес - улучшение У2.
Механические свойства стали 40ХН после термообработки с предложением, что D<125мм, S<80мм, приведены в таблице 1.3.
Наименование параметра |
Зубчатое колесо | |
шестерня |
колесо | |
средняя по Роквеллу по Бринеллю
|
Закалка ТВЧ1 (45-50)HRC 50,5HRC 452,5HB 900 750 |
Улучшение У2 (45-50)HRC 37,5HRC 285,5HB 900 750 |
Таблица 1.3 – Механические свойства зубчатых колес из стали 40Х
2.2 Режим работы передачи и число циклов перемены напряжений
Lh=365.24.krkch=365.24.0,7.0,
где - коэффициенты годового и суточного использования,
h=4 лет – срок службы передачи в годах.
Суммарное число циклов перемены напряжений за весь срок службы:
где n – частота вращения зубчатого колеса, ;
c – число зацепления зуба за один оборот зубчатого колеса, c=1.
Шестерни:
N1=60×n×c×Lh=60.1410.1.12141=
Колеса:
N2=N1/u=102,7.107/4,5=22,82.
Базовое число циклов перемены напряжений:
- по контактным напряжениям ,
где -средняя твердость зубьев по Бринеллю;
- по изгибным напряжениям .
NHlim1=30Hm2.4=7×107<12.107;
NHlim2=30Hm2.4=2,34.107<12.107
Из сравнения чисел циклов имеем, что N1 и N2 > NHlim; N1 и N2 > NFlim
Отсюда
коэффициент долговечности ZN=
2.3. Допускаемые напряжения
Для косых и шевронных зубьев допускаемые и контактные напряжения вычисляются по формуле:
где
- базовый предел контактной выносливости зубьев МПа:
- для шестерен (закалка ТВЧ1)
- для колес ( улучшение У2)
- коэффициент долговечности в зависимости от отношения / ;
- коэффициент запаса прочности [2,с.10];
для ; для ;
коэффициент запаса прочности:
SH1=1,2; SH2=1,1
Тогда =(σH)1=1007·1/1,2=839 МПа;
(σH)2=641·1/1,1=582 МПа;
(σH)min=582 МПа;
Расчетное контактное допускаемое напряжение [σH]=639 МПа
Допускаемое напряжение изгиба:
[σF] =σFlimb*Yn ,
где базовый предел изгибной выносливости брусьев:
σFlimb1 =310 МПа σFlimb2 =1,03HHBm=1,03×285,5=294 МПа; Y N=1
Допускаемое напряжение на изгиб: [σF]1=310 МПа [σF]2=294 МПа
- Коэффициент рабочей ширины венца
величина стандартная при симметричном положении колес относительно опор , принимаем .
Коэффициент рабочей ширины венца по диаметру шестерни :
- Коэффициенты расчетной нагрузки
Окружная скорость:
ν=n1(T1/u)1/3/1194=1410(12,
Степень точности 8-В ГОСТ 1643-81;
Коэффициент динамичности нагрузки ( при м/с, 8-я степень точности, и , косые зубья), [1,c.36].
Коэффициент неравномерности распределения нагрузки по длине контактных линий:
где - коэффициент неравномерности распределения нагрузки в начальный период до приработки зубьев.
При и интерполяцией находим ,[1,c.37]; -коэффициент приработки зубьев (при м/с, ) получим
=0,33.
Коэффициент неравномерности распределения нагрузки между парами зубьев
где начальное значение:
Получили , следовательно, по нормам плавности необходимо принять 7-ю степень точности. Тогда . Уточнение степени точности передачи: 8-7-8-В ГОСТ 1643-81. .
Коэффициент расчетной нагрузки по контактным напряжениям .
- Межосевое расстояние
Округляя в большую сторону для массового производства, будем иметь мм.
- Основные параметры передачи
Ширина венца колеса:
Ширина шестерни:
Максимально допустимый модуль из условия неподрезания зубьев у основания:
Для силовых передач рекомендуют мм. По ГОСТ 9563-60 принимаем мм.
Наименьший угол наклона косых зубьев:
βmin=arcsin(4m/ b2)= arcsin(4×1,5/36)=10.806923°.
Cуммарное число зубьев:
округляем до целого числа, принимаем и уточняем фактическое значение угла β.
Для косозубых передач рекомендуют .
Число зубьев шестерни:
округляем до ближайшего целого числа . Из условия отсутствия подрезания . Принимаем . Число зубьев колеса:
Фактическое передаточное число редуктора:
Отклонение от номинального:
что меньше для одноступенчатого цилиндрического редуктора.
Диаметры зубчатых колес:
-делительные: мм;
мм;
-окружностей вершин: мм;
мм;
-окружности впадин: мм;
мм.
- Расчёт цепной передачи.
Исходные данные:
- Момент на валу ведущей звёздочки Т1= 73,07 Нм;
- Частота вращения ведущей звёздочки п1= 313,3 мин-1;
- Передаточное число и=2,3;
- Коэффициент суточного использования kc=0,66;
- Диаметр приводного барабана DБ= 280 мм.
Ограничения:
а. Ведущая звёздочка должна вписываться в габариты редуктора, т.е. в первом приближении Dе1<d2зуб+100мм, где d2зуб – делительный диаметр колеса зубчатой передачи редуктора, 100мм добавка на высоту корпуса относительно диаметра колеса. По расчётам редуктора d2зуб=166,15 мм, тогда Dе1<267 мм.
б.Условно Dе2<1.25DБ ,где DБ – диаметр приводного барабана конвейера; Dе2<1.25 .280=312,5мм.
3.1. Проектировочный расчёт.
- Число зубьев звёздочек
z1min=29-2u>13;
z1min‘=29-2u=29-2 .2.05=24.9, принимаем z’1 =25,
Тогда z’2 =51.25; округляем z2 =51
- Коэффициент эксплуатации
КЭ=КД.КА.КН.КРЕГ.КСМ.КРЕЖ.КТ ,
где КД – коэффициент динамической нагрузки: плавная работа равномерная нагрузка КД=1;
КА– коэффициент длины цепи (межосевого расстояния а): принимаем оптимальное а=(30..50)Р, тогда КА=1;
КН– коэффициент угла Ψ наклона передачи к горизонту: принято Ψ=0°; при Ψ<45° КН=1;
КРЕГ– коэффициент регулирования (для нормального натяжения цепи):нерегулируемые оси звёздочек КРЕГ=1.25;
КСМ– коэффициент способа смазывания: смазка периодическая КСМ=1.5;
КРЕЖ– коэффициент режима работы КРЕЖ=1.26;
КТ – температурный коэффициент: при -25°<T<150° C КТ=1.
КЭ= КД.КА.КН.КРЕГ.КСМ.КРЕЖ.КТ=1 .1 .1 .1.25 .1.5 .1.26 .1 =2.36<3.
- Шаг приводной роликовой цепи
Р’=28
- допускаемое давление в шарнирах1 =28 МПа;
тр- коэффициент рядности цепи: при числе рядов 1 тр=1; при числе рядов 2
тр=1.7. Подставляя параметры в формулу получаем:
-однорядная цепь Р’=28 =28 =16.99 мм,
-двурядная цепь Р’=28 =28 =14.23 мм.
По ГОСТ 13568-97 ближайший больший шаг двухрядной цепи 15,875 мм, однорядной 19,05 мм. Принимаем однорядную цепь повышенной точности ПР с разрывным усилием 31,8 кН.
- Пересчёт чисел зубьев звёздочек.
При Р=19,05 мм и =28 МПа z1min=9+0,2Р=9+0,2·19,05=12,81
z’1=22·103T1КЭ/Р3
принимаем z1=18; z’2=15×2,05=36,9; принимаем z2=37
Фактическое передаточное число:
иф= z2/z1=37/18=2,3.
- Диаметры звёздочек.
-делительные:
d1=P/sin(180°/z1)=19,05/sin(
d2=P/sin(180°/z2)=19,05/sin(
-окружности вершин зубьев:
De1= P(0,5+ctg(180°/z1))=19,05(0,5+
по ограничению ведущей звёздочки
De2=P(0,5+ctg(180°/z2))=19,05(
по ограничению ведомой звёздочки.
- Минимальное межосевое расстояние
аmin=0,6De1(u+1)=0,6×117,56(2,
отимально а=(30..50)Р=571,5..952,75мм. Выбираем а=600 мм.
- Потребное число звеньев цепи
W’=2а/P+0,5zc+D2P/а;
при zc=18+37=55, D=(z2-z1)/2p=(37-18)/2p=3,03;
W’=2а/P+0,5zc+D2P/а=2×600/19,
Принимаем W'=92;
Длина цепи в метрах:
L=10-3WP=10-392×19,05=1,905м.
- Окончательное межосевое расстояние
а'=0,25Р(W-0,5zS+Ö(W-0,5zS)2+8
Ослабление цепи (на провисание) Dа=(0.002..0.004)а=0,82..1,65
Окончательно а=611,64-1,64=610 мм.
3.2 Проверочный расчёт
3.2.1. Уточнение момента Т1
Так как Uф=U=2,3 то Т1=73,07Нм
3.2.2. Давление в шарнирах
p=2000T1КЭ/(d1AШmP)<[p]0 ,
где AШ площадь проекции опорной поверхности шарнира однорядной цепи AШ=50мм2
р=2000T1КЭ/(d1AШmP)<[p]0=2000×
Отклонение Dр=100(28-27,14)/28=3,07%
3.2.2. Максимальное натяжение
F1MAX=КДF1+Fq+Fυ
F1=2000×T1/d1=2000×73,07/109,
Fq=60qа×cosѰ=60×1,9×0,61=69,
υ=p×d1×n1/60000=p×109,7×313,3/
Fυ=qv2=1,9×2,022=7,75H
F1MAX= КДF1+Fq+Fυ=1×1207,47+69,54+7,
Допускаемый коэффициент запаса прочности:
[S]=7+0,25×10-3Pni=7+0,25×10-3
Расчетный коэффициент запаса прочности:
S=Fразр/F1max=60000/1284,76=
3.2.3. Влияние динамической нагрузки
w=z1n1/(15W)≤508/P=25×313,3/15
Условие динамической нагрузки выполняется.
3.2.4. Назначаем ЦЕПЬ ПР-19,05-31,8 ГОСТ 13568-97
3.2.5. Нагрузка на валы звёздочек
Рисунок 2. Натяжения ведущей и ведомой ветвей цепи.
F1= F1MAX=1284,76H;
F2= Fq+Fυ=69,54+7,75=77,29H;
Угол между ветвями:
γ=57,3(d2-d1)/a=57,3(224,63-
Допустим, что по кинематической схеме верхняя ветка – ведущая, тогда знаки такие:
FBx=(F1+F2)cos(γ/2)=(1284,76+
FBy=(F1-F2)sin(γ/2)=(1284,76-
4. Проверочный расчет зубчатой передачи
- Уточнение параметров по UФ .
в результате проектировочных расчетов передач были получены фактические передаточные числа:
UФред = 4,45; UФрп = 2,3
UФ0= UФрп ×UФред= 2,3 × 4,45 = 10,1
Отклонение фактического передаточного числа
∆u0 = 100% (u0ном–u0ф) / u0ном =100%(10,33–10,1)/10,33=1,2%,
что меньше допускаемого [±4%]
Результаты уточнения частот и моментов на валах:
Вал |
М |
1 |
2 |
Б |
ni мин-1 |
1410 |
1410 |
316,8 |
137,8 |
Tj,Нм |
13,18 |
12,95 |
73,07 |
175 |
4.2 Проверка выбора механических характеристик материала.
проверка механических характеристик материалов цилиндрических колес в зависимости от размеров заготовок Dзаг, Sзаг из условия
Dзаг ≤ D, Sзаг ≤S
а) шестерни z1:
Dзаг = da1+6 = 41,31 < D = 125 мм;
б) для сплошного колеса (без выточек):
Sзаг = b2+4 = 32+4 = 36<80мм;
Механические характеристики материалов определены верно.
4.3 Окружная скорость.
v = πd1n1 /60000 = π32,31×1410/60000 = 2,38 м/с,
(в
проектировочном расчете было 2
Кн=1,05×1,017×1,165=1,24 (было КН=1,23)
4.4 Контактные напряжения.
σ Н = ZW [KH T1(UФ+1)3/(b2×UФ)]1/2/aW
ZW - вспомогательный коэффициент для косых зубьев, который равен 8400
Ϭ σ
Н=ZW [KH
T1(UФ+1)3/(b2×UФ)]1/2/aW=8400[
Отклонения:
∆σН=([σН] -ϬσН)/ [σН] ×100% =(574,77–639) / 639×100% = -10,1%
Условие сопротивления контактной усталости зубьев выполняется.
4.5 Коэффициент расчетной нагрузки по напряжениям изгиба
KFV - коэффициент динамичности нагрузки KFV = 1,1
KFβ = 1,041
KFα = KHα0 = 1,5
Коэффициент расчетной нагрузки:
KF = KFV×KFβ×KFα = 1,1×1,041×1,5 = 1,72
4.6 Окружное усилие
Ft = 2000 T1/d1 = 2000×17,82/32,31 = 1103,06 МПа;
Эквивалентное число зубьев колеса:
ZV =Z/cos3β;
Для шестерни:
ZV1
=Z/cos3β=21/cos312,838568=22,
Для колеса:
ZV2
=Z/cos3β=83/cos312,838568=89,
Коэффициент формы зуба и концентрации напряжений (при Х = 0)
YFS1 =3,47+13,2 /ZV=3,47+13,2/23 = 4,04;
YFS2=3,47+13,2 /ZV=3,47+13,2/90 =3,62 ;
Коэффициент угла наклона зубьев:
Yβ=1–β /100 ≥ 0,7 1–12,8/100 = 0,87 > 0,7
YԐ= 0,65 – коэффициент перекрытия для косых зубьев
4.7 Напряжение изгиба
В ножке зуба колеса - Ϭσ F2=(KF×Ft×YFS2×Yβ×YԐ )/(b2m)≤[σF]2
ϬσF2= (1,72×1103,06×3,62×0,87×0,65)/
В ножке зуба шестерни - Ϭσ F1= σF2 ×YFS1/YFS2 ≤ [σF]1
ϬσF = 102,07×4,04 / 3,62 = 113,91 МПа < 310МПа
Условия изгибной выносливости зубьев выполняются.
5. Расчет и конструирование валов
5.1. Материалы валов
Зубья шестерни нарезаны на быстроходном валу. Следовательно, материал этого вала тот же, что у шестерни: сталь 40Х ГОСТ 4543-71; термообработка вала – ТВЧ1. Колесо съемное, его вал изготавливается отдельно. Производство по заданию- мелкосерийное, поэтому в целях унификации материала для вала колеса назначаем ту же сталь 40Х.
Механические характеристики стали 40Х при диаметре заготовки Dзаг<120 мм и H>270 HB: Ϭσв=900, Ϭσт=750, Ϭτт=450, Ϭσ-1=410, Ϭτ-1=240 МПа; коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла Ϭψτ=0,1.
5.2. Концы валов
Диаметры концов валов при пониженных допускаемых напряжениях Ϭ[τК]=25 МПа:
- быстроходного Ϭ dБ΄≥(7…8)ТБ1/3=(7…8) ×18,01 1/3= (18,34…20,96) мм;
- тихоходного Ϭ dТ΄≥(5…6)ТБ1/3=(5…6) ×125 1/3= (25…30) мм;
dБ=20 мм; dТ=32 мм;
Конец быстроходного вала:
d=20мм, l1=50мм, l2=36мм, dср=18,2мм, bxh=4x4, t1=2,5 t2=1,8, резьба М12-1,25;
Конец тихоходного вала:
d=232м, l1=58мм, dср=29,1мм, bxh=6x6, t1=3,5, t2=2,8;
5.3. Опоры валов
Диаметры подшипника dп определяется из условия установки ПК без выемки шпонки.
d΄п≥ dср+2t2+1, где t2-глубина паза в ступице;
-быстроходный d΄пБ≥ 25,9+2×1,8+1=22,8;
-тихохоходный d΄пТ≥ 29,1+2×2,8+1=35,7;
Принимаем dПБ=25 мм, dПТ=40 мм;
По рекомендациям практики назначаем шариковые радиальные однорядные подшипники легкой узкой серии по ГОСТ 8338-75:
Размеры ПК:
-быстроходный вал - подшипник 205: d=25 мм, B=15 мм, D=52 мм, r=1,5 мм;
-тихоходный вал - подшипник 208: d=40 мм, B=18 мм, D=80 мм, r=2 мм;
Проверяем условия размещения ПК и болтов крепления крышки редуктора в пределах aw=80 мм:
а wтр=0,5(D пб+ D пт)+∆, где ∆≥2 - зазор между наружными кольцами подшипников соседних валов;
а wтр=76<100 мм;
∆=14 мм≥13,2 мм
Условие названного размещения выполняется. Схема установки ПК «враспор».
Рисунок 3. Схема установки подшипников «враспор».
6. Подбор муфты
Конец быстроходного вала соединяется с валом двигателя муфтой. Расчетный момент муфты:
Т р=КТБ=1,25×125=156,25 Н×м;
К=1,25- коэффициент режима работы;
Диаметр dБ должен быть согласован с диаметром d1 конца вала двигателя. В данном расчете у двигателя АИР 132М8 d1=32 мм.
Выбираем муфту упругую с торообразной выпуклой оболочкой;
Тном=200Нм>Тр=156,25Нм;
Окончательно принимаем dб=25 мм, dт=40 мм. Концы валов выполняются стандартными коническими по ГОСТ 2081-72.
7. Смазка зацеплений и
При скоростях n = 0,3…12,5 м/с применяют картерную смазку окунанием зацеплений.
Допустимый уровень погружения колес цилиндрического редуктора в масляную ванну:
Минимально необходимый объем масла для смазывания зубчатых передач:
Vmin 0,5 Pдв л/кВт 0,5.6 = 3 л;
Расстояние b0 между дном корпуса и наружной поверхностью колёс:
B b0>3a, принимаем b0=30мм;
Требуемая кинематическая вязкость масла [1 с.140] при sН от 600 до 1000 МПа и nТ = 2,03м/с m = 60 мм2/с (при t8 = 408C). Рекомендуемая марка масла И-Г-А-68 ГОСТ 20799–88 (m = 61…75 мм2/с).
Смазка подшипников при n$1м/с (у нас nБ = 2,03) [1, с.140] разбрызгиванием.
Выходные концы валов закрыты манжетными уплотнениями I-го типа по ГОСТ 8752–79.
Для герметизации плоскость разъема крышки и корпуса перед окончательной сборкой должна быть покрыта слоем герметика УТ–35 ГОСТ 24285–80.
8. Конструктивные элементы
8.1. Конструкции зубчатых колёс.
Форма зубчатого колеса может быть плоской и с выступающей ступицей. Заготовки получают в двусторонних штампах. Форму зубчатых колёс для этих случаев проектируют по рис. Тонкими линиями показана заготовка после штамповки со штамповочными уклонами γ≥70 и радиусами закруглений R≥6 мм – для свободной выемки заготовки из штампа.
