Министерство  образования Республики Беларусь

    МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

    КАФЕДРА «Прикладная механика»

    КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

    По  дисциплине «Теория механизмов и  машин»

    Тема  проекта «Механизм насоса с качающейся кулисой» 
 
 
 
 

    Исполнитель:                                                                ст. гр. ХМУ-041

                                                               Полонец М.И. 
 
 
 

    Руководитель:                                                              ст. преподаватель

                                                              Горюнова Ф.К. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Могилев 2006 

    Министерство  образования Республики Беларусь

    МОГИЛЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОДОВОЛЬСТВИЯ

    КАФЕДРА «Прикладная механика»

    ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

    К курсовому проекту по дисциплине «Теория механизмов и машин»

    Тема  проекта: «Механизм насоса с качающейся кулисой» 
 
 
 
 

    Исполнитель :                                                            ст. гр. ХМУ-041

                                                             Полонец М.И. 
 
 
 

    Руководитель:                                                           ст. преподаватель

                                                            Горюнова Ф.К. 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Могилев 2006

 

     Содержание:

  Введение

1. Динамический  синтез рычажного  механизма по коэффициенту неравномерности хода машины.
1. Исходные данные для проектирования……………..……………………с.6
2. Задачи синтеза рычажных механизмов………………..…………………с.7
3. Структурный анализ рычажного механизма………………..…………...с.9
4. Метрический синтез рычажного механизма…….…………………….…с.12
5. Построение 12 планов положения механизма…………………………...с.14
6. Построение 12 повернутых планов скоростей.………………………….с.15
7. Описание динамической модели машинного агрегата………………….с.17
8. Определение приведенных сил и моментов сопротивления……….……с.18
9. Построение графика ………………………………..…………с.19
10. Построение графиков работы сил сопротивления и работы движущих сил ……………………………….……………..………………с.20
11. Построение графика ………………….………………………с.21
12. Построение графика приращенной кинетической энергии …с.22
13. Определение приведенного момента инерции ………………………..с.23
14. Построение графика ………………………………………….…с.25
15. Построение графика кривой Виттенбауэра……………….…с.26
16. Определение избыточной работы механизма и момента инерции маховика…………………………………………………………………………………..…с.28
17. Выбор положения максимальной нагрузки по графику …….с.29

 

     Введение

 

    Механизм  насоса с качающейся кулисой применяется в нефтедобывающей промышленности и предназначен для откачки жидкости с нефтяных  скважин. Может применяться также для перекачивания жидкости.

    Подача  жидкости регулируется автоматически  за счет кулачкового механизма 6.

    Поршень 4 получает возвратно-поступательное движение в цилиндре от электродвигателя 8 через планетарный редуктор 9 и шарнирно-стержневой механизм О₁АО₂С.

    При движении поршня вверх осуществляется рабочий ход, а при движении поршня вниз – холостой.

    При рабочем ходе на поршень 4 действует  постоянная по величине сила полезного сопротивления.

    Механизм  с качающейся кулисой – одностороннего действия.

    Кулачок 6 получает вращения посредством зубчатой передачи Z₅-Z₆.

    

    Рис. 1. Кинематическая схема механизма

 

    Рис.2.Схема  привода станка.

 

    

1. Динамический синтез  рычажного механизма

    1.1. Исходные данные  для проектирования. 

    Размеры звеньев:   

    

 

    

Задачи  динамического синтеза рычажных механизмов.

    При динамическом синтезе рычажных механизмов стоят две задачи: метрический синтез недостающих размеров звеньев и вторая задача проектирование маховика, который необходимо установить на входном звене рычажного механизма с целью уменьшения колебаний угловой скорости входного звена.

    Колебания угловой скорости вызывают динамическое давление в кинематических парах, могут вызвать упругие колебания звеньев, ухудшают условия протекания технологического процесса. Неравномерность хода машины и неравномерность движения главного вала оценивается коэффициентом неравномерности хода машины.

    

 с. 377 [1]

      - коэффициент неравномерности  хода машины 

     - максимальная угловая скорость  в цикле

     - минимальная угловая скорость  в цикле

     - среднее значение угловой  скорости

    Колебания угловой скорости обуславливается  двумя причинами:

    а) несовпадение законов изменения  приведенных движущих сил и сил  сопротивления.

    б) изменяемость приведенного момента.

    Применением маховых колес решается задача регулирования  непериодических колебаний угловых скоростей.

    Подобранный маховик (колес) должен аккумулировать приращение кинетической энергии, когда работа движущих сил больше сил сопротивления (А_дв>А_с) и отдавать кинетическую энергию при (А_дв<А_с).

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис. 1.2.1. Колебания угловой скорости. 

    По  коэффициенту необходимо спроектировать маховик, который уменьшит колебания угловой скорости до некоторых допускаемых переделов. Маховик в рабочей машине устанавливается на одном валу с кривошипом. Когда работа движущих сил больше работы сил сопротивления маховик аккумулирует кинетическую энергию, а когда работа сил сопротивления больше работы движущих сил маховик отдает накопленную энергию. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1.3. Структурный анализ  механизма.

    Механизмом  называется такая кинематическая цепь, в которой при заданном движении одного или нескольких звеньев относительно любого из них все остальные звенья совершают однозначно определяемые движения.                  

    Звено – одно тело или несколько тел  жестко соединенных между собой.

    Кинематическая  пара – соединение 2-x звеньев допускающее их относительное движение.

    Изобразим на схематически механизм и обозначим  на схеме звенья и кинематические пары. 

    

 

      Рис. 1.2.1. Схема механизма

    Данный  механизм является плоским. Плоскими называются кинематические цепи, точки звеньев  которых описывают траектории в  одной плоскости, или в параллельных плоскостях.

    Так как механизм плоский, то число степеней свобод определяем по формуле Чебышева:

    W=3n-2p₅-p₄ с. 28 [1]

    где n=5 – число подвижных звеньев;

    p₅=7 – число одноподвижных звеньев;

    p₄=0 – число двухподвижных звеньев;

    w=3*5-2*7-1*0=1

    Степень свободы равна единице, следовательно, механизм имеет одно входящее звено.

    Строим  заменяющую схему механизма, для  чего:

• ползуны, кулисные камни заменяем рычагами
• поступательные пары заменим вращательными
• звенья, соединенные с тремя другими изобразим в виде треугольного контура.

 
 

    

 
 

    Рис. 1.2.2. Заменяющая схема механизма

    Разобьем  механизм на структурные группы, запишем  структурную формулу механизма  и определим его класс и  порядок:

    I(0;1),II(2;3),II(4;5)=II₂ (механизм 2 класса, 2 порядка)

    Рассмотрим  каждую структурную группу в отдельности, определив степень свободы для  каждой из них: 

       
 
 

    1.4 Метрический синтез рычажного механизма. 

    Задачей метрического синтеза является определение недостающих размеров звеньев. В данной работе за основное условие принимаем ход выходного звена. В качестве дополнительных условий:

    а) условие существования кривошипа,

    б) ограничение угла давления,

    в) обеспечение заданной производительности механизма.

    Недостающие размеры звеньев механизма определяем исходя из крайних (мертвых) положений  механизма.

      
 

    Рис. 1.4.1. Крайние положения механизма. 

    Кинематическое  исследование рычажного механизма  проводим для 12 положений. За нулевое положение принимаем крайнее положение, с которого начинается рабочий ход. Крайним называется такое положение механизма, из которого входное звено может двигаться только в одном направлении.  

    По условию задачи задано: H=250мм, O₂O₁=525мм, K=2

    Необходимо определить O₂C, O₂A, O₁A 

  1. Определим угол размаха кулисы

    где k=2 по условию задачи.

    

2. Определим длину кривошипа.

O₁A₁= O₂O₁*0.5 =525*0.5=262.5 мм.

3. Определим О₂С

О₂С=H*0.5=125

4. Определим O₂

    

    Выберем масштабный коэффициент µ_S=0,004м/мм, 
 

    1.5. Построение 12 планов  положения механизма. 

    Построение  ведется методом засечек. В первую очередь выстраиваем крайнее положение механизма. Затем кривошипную окружность делим на 12 равных частей и для каждого положения кривошипа вычерчиваем механизм в порядке подсоединения структурных групп методом засечек, причем все звенья механизма вычерчивают в порядке подсоединения структурной группы. За начало отсчета планом берется мертвое положение после которого начинается рабочий ход.  
 
 
 

 

     1.6. Построение 12 повернутых  планов скоростей.

    Планом  скоростей называется плоский пучок, лучи которого изображают абсолютные скорости точек звена, а отрезки соединяющие концы этих лучей изображают относительные скорости между отдельными точками звена.

    Планом  скоростей механизма называется совокупность планов скоростей отдельных звеньев механизма с одним общим полюсом.

    Построение  планов скоростей начинаем с входного звена в порядке подсоединения структурных групп.

    План  скоростей необходим:

    - для определения скоростей точек;

    - для определения угловых скоростей точек;

    - для использования в качестве  рычагов Жуковского для определения  приведенной силы сопротивления;

    В связи с этим планы скоростей  стоим повернутыми на 90⁰.

      

      - длина звена АО₁ (действительная), м

      - угловая скорость входного  звена  (кривошипа)

       - постоянная равная 3,14

      - частота вращения кривошипа,  об/мин

       (рад/с) 

    V_A=8,06*0,262.=2,12 м/с;

    Выбираем  масштабный коэффициент:

    

    Для определения других скоростей точек  составляем системы уравнений:

    υ_А3=υ_А+υ_А3А1

    υ_А3=υ_О2+υ_А3О2       

    υ_С5=υ_С3+υ_С5С3

    υ_С5=υ_E+υ_С5E          
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Таблица 1.1. Скорости точек звеньев и угловые скорости звеньев

 

    Метод подобия – фигура на плане скоростей звена образованная векторами относительной скоростей точек звена подобно и сходственно  расположена с фигурой на звене образованной теми же точками.

    Чтобы определить угловую скорость звена, необходимо относительную скорость между двумя точками звена  разделить на расстояние между точками. Чтобы определить направление угловой  скороси звена, необходимо вектор относительной скорости между любыми 2-мя точками звена перенести паралельно самому себе в точку звена, не являющегося полюсом, и повернуть звено в направлении вектора вокруг полюса. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                   1.7. Описание динамической модели машинного агрегата.

    Определение приведенных сил  и моментов сопротивления. 

    Под машинным агрегатом понимается совокупность механизмов двигателя, передаточных механизмов и механизмов рабочей машины.

    Для определения приведенной силы сопротивления  необходимо весь машинный агрегат заменить динамической моделью:

      
 
 

    Рис. 1.7.1. Схема привода машинного агрегата

      
 
 
 
 
 
 
 

      Рис. 1.7.2. Динамическая модель 

    Приведенная сила (P_n^c) – сила, условно приложенная к точке приведения, работа которой на нее элементарном перемещении равна сумме работ всех сил и пар сил, действующих на звенья механизма.

    Приведенный момент инерции  – это есть момент инерции вращающегося тела вместе со звеном АО₁ тела, кинетическая энергия которого в каждом рассматриваемом положении механизма равна сумме кинетических энергий всех его звеньев.

    Приведенные моменты инерции  машинного агрегата могут быть или постоянными, или зависящими от положения начального звена. В данном случае (долбежный станок) инерции зависит от угла поворота j начального звена.

    В большинстве технических задач  приведенный момент движущих сил  и приведенный момент сил сопротивления задаются в виде графиков. В виде графика также задается и приведенный момент инерции. Поэтому решение уравнений движений механизма ведется графочисленными методами. При графочисленном решении уравнений движения удобно применить уравнение кинетической энергии. Для того использовать диаграмму , устанавливающей связь между кинетической энергией Т и приведенным моментом инерции .                   
 
 
 

 

     1.8. Определение приведенной  силы сопротивления 

приведенного момента сопротивления .

    Для определения приведенной силы используют рычаг Костера т.е. на повернутом плане скоростей параллельно самим себе переносим все силы, действующие на звенья механизма.

    Приведенная сила – это сила, приложенная к кривошипу и ему перпендикулярна, причем работа приведенной силы, умноженная на ее элементарное перемещение равна сумме работ всех сил и пар сил, действующих на звенья.

    Определение приведенной силы сопротивления  (пример для 5-го положения механизма).

                 (1.8.1)

    где - ускорение свободного падения.

    откуда  находим 

  

            (1.8.2.)

    где - масштабный коэффициент механизма.

    

    Аналогично  определяются и для 11 других положений механизма: 

    Таблица 1.8.1. приведенные силы сопротивления  и приведенные моменты сопротивления .

 
 
 
 
 
 
 

    1.9. Определение приведенного момента инерции

. 

    Приведенным моментом инерции называется момент инерции вращающегося вместе со звеном тела, кинетическая энергия которого в каждом рассматриваемом положении механизма равна сумме кинетических энергий всех его звеньев и обозначается .              

      

    где - кинетическая энергия машинного агрегата.

         - угловая скорость кривошипа,

          

    где Т_дв – кинетическая энергия двигателя,

          -угловая скорость двигателя,

    где

    

    T_м-ма=Т_дв+Т_кр+Т₃+Т₄ с. 335 [1]

    Где Т_кр - кинетическая энергия кривошипа,

    Т₃ - кинетическая энергия 3-го звена,

    Т₄ - кинетическая энергия 4-го звена,

    По  условию задачи центр масс звена  ВО₂Д задан пересечении медиан, для удобства решения применим другой метод, который заключается в разбиении звена ВО₂Д на два звена ВО₂ и О₂Д центра масс с массами и :

    

    

    

    

    

    

    

    T_м-ма=Т_дв+Т_кр+Т₃+Т₅

    

    Аналогично  определяются приведенные моменты  инерции в о остальных 11 положениях. Данные заносим в таблицу: 

    Таблица 18.1. Приведенные моменты инерции

 

    Выбираем  масштабный коэффициент   

    1.10 Построение графиков 

    Строим  график зависимости

    масштабный  коэффициент 

    Интегрируем график методом хорд, троим график работы сил сопротивления и график работы движущих сил . Для интегрирования графика методом хорд выбираем полюсное расстояние и масштабный коэффициент работы:

    

    График  работы движущих сил сопротивления  представляет собой прямую, перпендикулярную, соединяющую начало и конец графика  .

    Строим  график

       

    Аналогично  определяется для 12 других положений механизмаТаблица

   Затем строим график приведенных моментов сопротивления

    Масштабный  коэффициент 

    Из  графиков и методом общей переменной строим график - кривая Виттенбауэра. 

11. Определение избыточной работы механизма  и

момента инерции маховика. с. 302 [3]

    Проводим  касательные под углами j_МАХ и j_MIN к кривой Виттенбауэра, и получаем отрезок KL. Отрезок KL представляет собой избыточную работу с тем же масштабным коэффициентом, что и кинетическая энергия.

    Для определения избыточной работы необходимо:

1. построить кривую Виттенбауэра ,
2. к этой кривой под углами  j_МАХ и j_MIN провести касательные, которые отсекут на оси Т отрезок KL,

        с. 385 [1]

    где = 20- избыточная работа,

    Для определения величины приведенного момента инерции маховика воспользуемся формулами:               с.387/1/