Насос простого действия

СОДЕРЖАНИЕ

 

            ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………………………5

             1. СИНТЕЗ И АНАЛИЗ РЫЧАЖНОГО МЕХАНИЗМА

                1.1. Исходные данные……………………………………………………………………………….7

                 1.2. Построение плана положений.....................................................................................8

                 1.3. Структурный анализ....................................................................................................9

                 1.4. Расчет механизма на ЭВМ.…………………………………………………………….......11

                 1.5. Кинематический анализ методом планов

                        1.5.1. Построение плана скоростей………………………………………………...........13

                        1.5.2. Построение плана ускорений…………………………………………......………...16

                 1.6. Силовой расчёт

                         1.6.1. Определение инерционных факторов………………………………………….....21

                         1.6.2. Силовой расчёт группы Ассура II₄ (4,5) ……………………..…………………..21

                         1.6.3. Силовой расчёт группы Ассура II₁ (2,3) …………………….…………………...22

      1.6.4. Силовой расчёт механизма I (0,1) класса……………………………………….24

              2. РАСЧЁТ МАХОВИКА

                  2.1. Определение приведённых факторов …………………………………...…..…………..26

                  2.2. Построение диаграмм………………….….……………..………………….….….….......27

                  2.3. Определение момента инерции маховика и его размеров……..….….…….………..28

              ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..………..………...........29

               ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………………………………..30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Теория машин и механизмов (ТММ) является основой проектирования работоспособных технических объектов. Основные задачи ТММ – анализ механизмов с заданными параметрами и проектирование механизмов (определение его параметров), удовлетворяющих заданным требованиям. Результаты решения задач ТММ являются исходными данными для более детального проектирования объектов методами, которые изучаются в таких специальных дисциплинах, как сопротивление материалов, детали машин, технология машиностроения и других.

Объектом данного курсового  проекта является рычажный механизм насоса простого действия, являющийся составной частью машинного агрегата, структурная схема которого приведена на рис.1

 

Рис. 1    Структурная схема машинного  агрегата

 

 

 Вращение от двигателя Д через муфту М1 передается на ведущий вал передаточного механизма  ПМ1 (планетарной передачи), который изменяет частоту вращения двигателя n_Д до заданной частоты вращения кривошипа n_кр рабочей машины РМ. Ведомый вал ПМ1 соединяется с валом кривошипа через муфту М2. Вращение от двигателя на вал кулачка кулачкового механизма КМ осуществляется передаточным механизмом ПМ2, состоящим из зубчатых ко-лес с числами зубьев z₁ и z₂ и преобразующим  n_Д в заданную частоту вращения кулачка n_к. РМ выполнена на базе плоского рычажного механизма; плоский КМ состоит из вращающегося кулачка и толкателя.

РМ выполняет заданную технологическую операцию, КМ выполняет  вспомогательные функции. Маховик М устанавливается на валу кривошипа РМ и служит для снижения колебаний угловой скорости кривошипа при установившемся движении до заданного уровня d.

 Задача курсового проекта состоит в определении параметров, кинематических, силовых и динамических характеристик механизмов машинного агрегата.

Вертикальный одноцилиндровый  насос простого действия предназначен для повышения давления жидкости в гидросистеме и подачи ее в напорный трубопровод. Насос приводится в  движение асинхронным электродвигателем, который через планетарный редуктор приводит во вращение вал 1 шестизвенного кривошипно-коромыслового механизма. Для смазки деталей служит плунжерный насос, выполненный на базе кулачкового механизма, кулачок которого получает движение от электродвигателя через пару зубчатых колес (рис. 1.1)

Кинематическая  схема рычажного механизма насоса простого действия представлена на рис.2 Всасывание жидкости в цилиндр при ходе поршня 5 вверх осуществляется через впускной клапан (левый на схеме) при давлении жидкости 0,1Q_max ниже атмосферного (правая линия на индикаторной диаграмме). Нагнетание жидкости в напорный трубопровод под давлением Q_max (левая линия на индикаторной диаграмме) осуществляется через выпускной клапан (правый на схеме) при движении поршня 5 вниз. Применение кривошипно-коромыслового механизма дает возможность обеспечить движение поршня в период всасывания жидкости с большей средней скоростью, чем в период нагнетания, что увеличивает производительность насоса. Сила сопротивления Q при работе насоса всегда направлена против скорости движения поршня.

 

Рис. 2  Кинематическая схема рычажного механизма

 

 

Синтез  и анализ рычажного механизма

 

1.1. Исходные данные

 

Кинематическая  схема заданного механизма приведена на рис.2,

 геометрические размеры и другие заданные постоянные параметры приведены в табл. 1.1.

 

 

                                                                                        Таблица 1.1

Заданные  параметры механизма

 

Длина кривошипа O1A, м	L1	0,38
Длина шатуна AB, м	L2	1,59
Длина коромысла O3 B, м	L3	1,12
Координаты, м	X03	0,69
	Y03	1,56
	X05	1,38
	Y05	0
Частота вращения, об/мин	n1	140
Рабочее сопротивление, н	Qmax	3200
Неравномерность	δ	0,22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
1.2 Построение плана положений

 

Порядок построения плана положений  механизма следующий:

 

1. Зададим масштабный коэффициент расстояний:

К_S = L_O1A / l_O1A ,     

 где    К_S – масштабный коэффициент расстояний,  м / мм;                                              

L_O1A  – длина кривошипа,  м ;                                                                                                                                                                                                    l_O1A – отрезок на чертеже в мм, изображающий кривошип ;

 

К_S = 0,38 / 38 = 0,01 м / мм;

 

2. Размеры всех звеньев механизма, а также межосевые расстояния, данные в

  задании, делим на масштабный  коэффициент расстояний и получаем 

чертежные размеры звеньев в мм, по которым на 1-м листе строим крайние

и заданное положения  механизма:

l_O1A = 38 мм;

l_АВ = 159 мм;

l_О3В = 112 мм;

X₀₃ = 69 мм;

Y₀₃ = 156 мм;

X₀₅ = 138 мм;

 

3. На чертеже отмечаем центры вращения звеньев О₁(S₁) и О₃(S₃), рисуем кривошипную окружность размером l_O1A , дугу, по которой перемещается точка

 В коромысла (радиусом  l_О3В), а также линию направляющих  NN, по которой перемещается ползун 5.

 

4. Вычерчиваем крайние положения механизма. В одном из крайних положений кривошип и шатун вытягиваются в одну линию. Суммируем чертежные  раз-

меры  кривошипа и шатуна  (R₁ = l_АВ + l_O1A),  откладываем этот размер на

циркуле и из центра вращения кривошипа делаем засечку на дуге, по которой перемещается точка В коромысла (получаем положение точки В). На кривошипной окружности отмечаем положение точки А. Проведя из точки В прямую через точку О₃ до пересечения с линией NN, получим положение точки С,

  а вместе с ней и положение  5-го звена. 

В другом крайнем положении кривошип и  шатун тоже располагаются на      одной линии, при этом шатун «накладывается» на кривошип. Вычисляем

радиус дуги:   R₂ = l_АВ – l_O1A ;

Этим  радиусом из центра вращения кривошипа проводим засечку на дуге, по которой перемещается точка В (положение точки В).  Проводим прямую из точки В через центр вращения кривошипа до пересечения с кривошипной окружностью (положение точки А). Из точки В проводим прямую через точку

 О₃  до пересечения с линией NN, получим положение точки С, а вместе с ней и положение 5-го звена в другом крайнем положении механизма.

 

5. За начальное положение кривошипа принимаем такое положение, которое  соответствует крайнему верхнему положению ползуна 5 (начало рабочего

хода  ползуна). Это положение, при котором  шатун и кривошип «накладыва-ются» друг на друга  (положение точки А₁).

         От этого положения кривошипа выполняем разбивку кривошипной окруж-

         ности на 12 равных частей (через 30 градусов) по ходу движения кривошипа.

        Если из точек А₂ , А₃ , А₄ и т.д. отложить позиции звена АВ, то можно

        получить позиции всех остальных звеньев механизма в соответствующих поло- 

        жениях механизма. Вычерчиваем рабочее положение механизма (по заданию

        это положение 9).

        Расстояние между крайним верхним  и крайним нижним положениями 5-го

        звена называется рабочим ходом. В рабочий ход механизма вписываем диагра-

        мму рабочих сопротивлений (см лист 1).   

 
1.3. Структурный анализ механизма

 

          Для исследования задан рычажный механизм насоса простого действия.

 Данный механизм выполнен на базе кривошипно-кулисного механизма. Движение от кривошипа (звено 1) передается через шатун (2) на качающуюся кулису (3), которая передает движение через камень (4) ползуну (5). Таким образом, ползун (5) является выходным (рабочим) звеном.                                                                                                                                 Согласно структурной классификации Артоболевского-Ассура, представленный механизм относится ко 2-му  классу и состоит из кривошипа со стойкой (механизм 1-го класса) и присоединенных к нему двух групп Ассура: 2-го класса 2-го порядка 1-го вида (звенья 2,3) и 2-го класса 2-го порядка 4-го вида (звенья 4,5)

  (см рис. 3).

   Структурная формула механизма:

I (0,1) → II₁ (2,3) → II₄ (4,5)

   Механизм состоит из 6 звеньев (5-ти подвижных и 1-й стойки ), содержит

  7 кинематических пар, из которых 5 вращательных и 2 поступательных.

   Все кинематические пары низшие, одноподвижные.

   Поскольку механизм плоский, то его степень подвижности определяется по

   формуле Чебышева:     

W = 3n − 2P₁ − P₂

     где  n – число подвижных звеньев;

    P₁ – число одноподвижных кинематических пар;

    P₂ – число двухподвижных кинематических пар;

    Подставив в формулу  Чебышева значения, получим:

 

W = 3·5 − 2·7 − 0 = 15− 14 = 1

 

       Таким образом, данный механизм имеет одну степень свободы, поэтому

  перемещение выходного звена однозначно определяется перемещением ведущего   

  звена механизма. Заданный закон движения ведущего звена – вращение с посто-

  янной частотой n₁ = const.

Рис. 3   Структурные группы Ассура

 

 
      

 

 

 

 

 

1.4. Синтез и анализ механизма на ЭВМ

Для расчета механизма на ЭВМ  подготовим таблицу исходных данных (табл.1.3.).

                                                                                 Таблица 1.2

Исходные данные для  расчета механизма на ЭВМ

Обозначения в программе	Обозначения в               механизме	Численные значения (ввод)
NG1	II1(2,3)	1
NG2	II4(4,5)	4
PS1	параметр сборки  II1(2,3)	1
PS2	параметр сборки                     II2(4,5)	–
L1	LO1A	0,38
L2	LAB	1,59
L3	LO3B	1,12
L4	–	–
X03	X03	0,69
Y03	Y03	1,56
X05	X05	1,38
Y05	Y05	0
D1N	Угол между кривошипом в начале рабочего хода и осью О1 Х	– 73
D03	Ð BO3C	180
D5	Угол между направлением поступательной кинематической пары «звено 5 – стойка» и осью О1 Х	90
N1	-n1	– 140
G5	G5	300
Q1…Q7	QMAX	3200
Q8…Q12	0,1QMAX	320

 

По результатам  расчета на ЭВМ получена распечатка (см. следующую

     страницу):

 

 

                       АНАЛИЗ РЫЧАЖНОГО МЕХАНИЗМА

 

                            Исходные данные:

 

    NG1    NG2    PS1     L1     L2     L3    X03    Y03    X05    Y05

      1      4      1   0.38   1.59   1.12   0.69   1.56   1.38      0

    D1N    D03     D5     N1     G5     Q1     Q2     Q3     Q4     Q5

    -73    180     90   -140    300   3200   3200   3200   3200   3200

     Q6     Q7     Q8     Q9    Q10    Q11    Q12

   3200   3200    320    320    320    320    320

 

 

Результаты  расчета.

Параметры звеньев:

Номер звена                    1        2        3        4        5

Вес G,н                     100.000  318.000  440.593    0.000  300.000

Момент  инерции Is,кгм2        0.736   14.310   38.060    0.000    0.000

Положение центра масс LS,м    0.000    0.530    0.000    0

 

Положение  9, угол кривошипа   47.0 град.

 

Задача  скоростей:

 

    V1,м/с    V2,м/с    V3,м/с    V5,м/с   VS2,м/с   VS3,м/с   VS4,м/с

      5.57      6.19      3.85      3.89      5.18      0.00      3.89

   B1,град   B2,град   B3,град   В5,град  BS2,град  BS3,град  BS4,град

    -42.99    -98.01     81.95     89.98    -62.03      0.00     89.98

    O2,р/с    O3,р/с    O4,р/с

      3.43      5.52      5.52

 

Задача ускорений:

 

    A1,м/с    A2,м/с    A3,м/с    A5,м/с   AS2,м/с   AS3,м/с   AS4,м/с

     81.68     49.80     31.01     16.72     60.05      0.00     16.72

   G1,град   G2,град   G3,град   G5,град  GS2,град  GS3,град  GS4,град

   -132.99    -54.67    125.30     89.98   -117.28      0.00     89.98

    E2,р/с    E3,р/с    E4,р/с

    -53.19     32.34     32.34

 

Реакции в кинематических парах:

 

  R01,Н    R12,Н    R23,Н    R03,Н    R34,Н    R45,Н    R05,Н   Mур,Нм

  3268.29  3368.29  2158.40  3607.47  1142.47  1142.47   158.97 -878.32

 F01,град F12,град F23,град F03,град F34,град F45,град F05,град

   -89.65   -89.66   -64.99   102.05    81.99    81.99   179.98

 

Максимальные  реакции:

 

Реакция        R01     R12     R23     R03     R34     R45     R05

Модуль, Н    9050.7  9148.6  6836.0  9759.5  4555.7  4555.7  1641.4

Угол, град.   -78.1   -78.3   -68.4    99.7   -68.9   -68.9   180.0

Положение        8       8       8       8       1       1       1

 

Приведенные факторы:

 

Положение        1       2       3       4       5       6

                 7       8       9      10      11      12

MQпр,нм        23.1  -337.0  -622.8  -776.9  -787.2  -609.1

             -147.4   -54.8   -65.3   -37.8    -9.5    10.0

Iпр,кгм2       3.63    4.98    8.20   11.00   11.14    7.86

               3.86    6.44   13.12   12.87    8.47    4.92

 

 

 

 

 

 

 

1.5. Кинематический анализ  методом планов

 

Поскольку одним из свойств  групп Асура является их кинематическая определимость, то кинематический анализ проводится последовательно по группам  Ассура, причём порядок их рассмотрения совпадает с направлением стрелок в формуле строения

1.5.1. Построение  плана скоростей

 

Порядок построения плана  скоростей следующий:

 

А)  механизм I класса (звено 1 вместе со стойкой).

Определим угловую скорость кривошипа:

1/с

Вектор скорости точки А перпендикулярен звену 1 и направлен в соответствии с направлением ω₁. Модуль скорости

 

V_A= ω₁·L_O1A = 14,65·0,38= 5,57

 

На плане скоростей  этот вектор изображается отрезком ра = 80 мм. Тогда масштаб плана скоростей

 

Б)  группа Ассура II₁ (2,3)

Внешними точками группы являются точки А и О₃, внутренней - точка В. Составляется система векторных уравнений, связывающих скорость внутренней точки со скоростями внешних точек:

 

V_B=V_A+V_BA 
          V_B=V_O3+V_BO3

 

      где  V_B – скорость точки В;

V_A – скорость полюса А;

          V_BA–скорость точки В в ее вращательном движении вокруг полюса А;

      V_O3 – скорость  полюса О₃;

  V_BO3 – скорость точки В в ее вращательном движении вокруг полюса О₃;

       V_O3=0 (т.к. точка О₃ – неподвижна), V_BO3 ^ BO₃, V_A ^ O₁A, V_BA ^ AB.

 

Согласно  векторным уравнениям строим план скоростей:  из полюса плана (точка Р) проводим отрезок  Pа  длиной 80 мм перпендикулярно кривошипу в

заданном  положении.

Через точку  а проводим отрезок произвольной длины, перпендикулярный

  звену АВ, а через полюс плана (с ним совпадают все неподвижные точки ме-ханизма: О₁, S₁,  О₃,  S₃) проводим отрезок произвольной длины, перпендикуляр-

ный звену ВО₃ механизма. Точка пересечения перпендикуляров АВ и ВО₃ есть точка b (смотри план скоростей на листе 1).

       Для определения модулей скоростей точек на плане замеряются длины соот-

ветствующих отрезков (pb=90 мм , ab=80 мм) и умножаются на масштабный коэффициент скоростей:

 

V_B = (pb) ∙K_V = 90∙0,07 = 6,3 м/с

V_BА = (аb) ∙K_V = 80∙0,07 = 5,6 м/с

 

Скорости точек S₂ и С₃ находим с помощью теоремы подобия. Составляется пропорция, связывающая чертёжные (или истинные) размеры звена 2

  (АВ, АS₂) с отрезками плана скоростей:

      Из уравнения определяется длина неизвестного отрезка

  Отрезок аs₂ откладывается от точки а на плане скоростей по линии ab. Точка s₂ является концом вектора V_S2, начало всех векторов – в полюсе р. Поэтому отрезок ps₂ на плане скоростей изображает вектор V_S2

 

V_S2 = (ps₂)∙K_V = 75∙0,07 = 5,25 м/с

 

Скорость точки  С₃ определяются аналогично по принадлежности звену 3:

 

 

         Из формулы  определяем длину неизвестного отрезка:

 мм

     Этот отрезок откладываем от полюса р на плане скоростей в сторону,    противоположную отрезку рb (смотри план скоростей на листе 1).

    Модуль вектора скорости V_C3 определяем по формуле:

 

V_C3 = (pc₃) ∙K_V =56 ∙ 0,07= 3,92 м/с

 

        Определяем величины угловых скоростей звеньев 2 и 3:

 с^-1               с^-1

Для определения направления ω₂ отрезок ab плана скоростей устанавливают в точку В, а точку А закрепляют неподвижно; тогда становится очевидным, что ω₂  направлена против часовой стрелки. Для определения направления ω₃ отрезок pb плана скоростей устанавливают в точку В, точка О₃ неподвижна, поэтому ω₃ имеет направление против часовой стрелки (см рис. 4)

Рис. 4  Определение направлений  угловых скоростей звеньев

 

 

 

             В) Группа Ассура II₄ (4,5)

 

           Так как группа Ассура, состоящая из звеньев 4 и 5 относится к 4-му виду

(в состав группы входят две внешние поступательные и одна внутренняя вращательная кинематическая пара, см рис. 3), то векторные уравнения для определения скорости 5-го звена запишутся:

 

  V_С4(5) = V_C3 + V_C4С3

V_С5 = V_NN + V_C5,NN

 

      где    V_С4(5) – скорость шарнира С, который соединяет 4-е и 5-е звенья; 

V_С3 – скорость полюса С₃, лежащего на кулисе BD;

         V_C4С3 – скорость точки С, принадлежащей ползуну 4, в ее поступательном

          движении относительно точки  С₃ на кулисе;

      V_С5 – скорость  точки С, принадлежащей 5-му звену;

  V_NN – скорость неподвижных направляющих, по которым перемещается

  5-е звено  ( V_NN = 0 )

       V_C5,NN – скорость точки С, принадлежащей 5-му звену, определенная в

       поступательном движении относительно неподвижных направляющих NN; 

       Соответствующие векторы направлены:

          V_C4С3 ∥ BD,     V_C5,NN ∥ NN;

        

          Достраиваем план скоростей (см лист 1).

          Для  этого через точку С₃ плана скоростей проводим отрезок произвольной

       длины, параллельный направлению кулисы BD. Через точку P плана проводим

     вертикальную линию  (линию, параллельную направляющим NN). Точка пере-

     сечения названных  линий есть точка С₅.

     Вычисляем скорости  точек. Для этого измеряем соответствующие  отрезки 

    на плане скоростей и умножаем их на масштабный коэффициент:

 

 V_C5 = (pc₅) ∙K_V =57 ∙ 0,07= 3,99 м/с

V_C4С3 = (c₃с₅) ∙K_V =9 ∙ 0,07= 0,63 м/с

        Так  как ползун 4 поворачивается вместе  с кулисой BD, его угловая скорость

   по величине и по направлению  равна  угловой скорости кулисы  BD:       

𝝎₄ = 𝝎₃

     Величины скоростей, определенные  по плану, занесем в таблицу.

 

 

                                                                                                            Таблица 1.3                                                                                                  

Скорости точек механизма

                                                           

м/с	м/с	м/с	м/с	м/с	м/с	м/с	м/с	м/с	ω1 1/с	ω2 1/с	ω3 1/с	ω4 1/с
5,57	6,3	3,92	3,99	0	5,25	0	5,6	0,63	-14,65	3,52	5,63	5,63

 

    Знак «–»  означает, что угловая скорость звена направлена по ходу часовой

    стрелки

 

 

 

 

 

 

 

1.5.2. Построение плана ускорений

 

А)  механизм I класса (звено 1вместе со стойкой).

Точка А кривошипа О₁А совершает вращательное движение вокруг точки О₁, поэтому её ускорение есть сумма нормального и касательного ускорений:

 

 

Поскольку принято n₁=сonst (следовательно, ε₁ = 0), то

 

Модуль ускорения 

 

   м/с²

 

 

На плане ускорений  этот вектор изображается отрезком 136 мм, направленным от точки А к О₁. Масштаб плана ускорений:

 м/с²∙мм    

Б)  группа Ассура II₁ (2,3)

Составляется система  векторных уравнений, связывающих  ускорение внутренней точки В с ускорениями внешних точек А и О₃ :

   

 

   В этой системе модули нормальных ускорений определяются по формулам:

aⁿ_BA = ω₂² ∙L_AB = (3,52)² ∙1,59 = 19,7  м/с²

aⁿ_BO3 = ω₃² ∙L_BO3 = (5,63)² ∙1,12 = 35,5  м/с²

 

Чтобы эти ускорения изобразить  на плане ускорений, разделим полученные значения на масштаб плана ускорений и получим длины отрезков в мм:

 

        Согласно векторным уравнениям строим план ускорений:                                             из полюса плана (точка π) проводим отрезок  πа  длиной 136 мм, направлен-

ный к центру вращения кривошипа, параллельно  направлению кривошипа  в 

9-м положении.  Из точки а  проводим отрезок an₂  в направлении, параллельном звену АВ механизма.  Из полюса π (с ним совпадают все неподвижные

  точки механизма: О₁, S₁, О₃,  S₃) откладываем отрезок πn₃ , параллельный

звену ВD; через конец вектора an₂  проводим отрезок произвольной длины,

перпендикулярный  звену АВ, а через конец вектора πn₃ проводим отрезок произвольной длины, перпендикулярный звену ВD. Точка пересечения перпендику-ляров АВ и ВD есть точка b (смотри лист 1). Отрезок n₂b на плане соответствует касательному ускорению , а отрезок n₃b на плане соответствует

  касательному ускорению 

       Чтобы определить величину ускорения точки по плану ускорений, нужно

соответствующий отрезок на плане измерить в мм и умножить эту величи-

ну  на масштабный коэффициент ускорений:

_B = (πb) ∙ K_а = 85 ∙0,6 = 51   м/с²

                  

= (n₂b) ∙ K_а = 142 ∙0,6 = 85,2   м/с²

            

= (n₃b) ∙ K_а = 60 ∙0,6 = 36   м/с²

 

Ускорения точек S₂ и С₃ определяем с помощью теоремы подобия, на основании которой составляем пропорцию, связывающую чертёжные (или истинные) размеры звена 2 (АВ, АS₂) с отрезками плана ускорений:

      Из уравнения определяем длину неизвестного отрезка: