Расчет привода. 3

Введение

Привод ленточного конвейера  предназначен для передачи вращения от электродвигателя к барабану конвейера. Привод ленточного конвейера состоит из электродвигателя, муфты, червячного редуктора и цепной передачи.

Ленточные конвейеры нашли  широкое применение, так как позволяют  транспортировать практически любые  виды грузов, просты по конструкции  и в эксплуатации, а так же надежны  в работе и имеют широкий диапазон производительности.

Муфта предназначена для  передачи вращения от вала электродвигателя к входному валу редуктора, состоит о из двух основных элементов-полумуфт, которые соединяются друг с другом посредством особого болтового соединения. В его состав входит палец, на один конец которого надевается резиновая втулка или набор колец.

Муфта не изменяет частоту  вращения входного и выходного валов.

Червячный редуктор предназначен для передачи вращения от полумуфты  к ведущей звёздочке, является понижающей передачей, состоит из корпуса, валов, подшипников качения,  червяка  и червячного колеса.

Цепная передача предназначена  для передачи от выходного вала редуктора  к приводному валу, является понижающей передачей, состоит из ведущей и ведомой звёздочки и роликовой цепи.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

3

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

 

1. Энергетический и кинематический расчёты привода
1. Исходные данные

Расчётная схема представлена на рис.1

1 — электродвигатель; 2 — упругая муфта; 3 — червячный редуктор; 4 — цепная передачи; 5 — приводной вал; 6 — барабан; 7 — лента

Рисунок 1— Исходная расчётная  схема привода

Подобрать электродвигатель, муфту, редуктор, рассчитать цепную передачу и приводной вал барабана, если окружное усилие F_t=9.0 кН на приводном барабане, скорость движения υ=0.7 м/с ленты и диаметр приводного барабана D=500 мм. Срок службы редуктора 20000ч.

 

2. Определение расчётной мощности привода

Расчётная мощность электродвигателя определяется по формуле:

 ,                                                   (1)

где P — мощность на приводном валу, определяется по формуле:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

4

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

;                                                     (2) 

.

 — общий КПД привода, определяется по формуле:

                                   (3)

где η_м — КПД муфты; η_м=0.99; 

η_ред — КПД червячного редуктора; η_ред=0.9 [2,c. 15];

η_цп — КПД цепной передачи; η_цп=0.93;

η_пп — КПД пары подшипников качения; η_пп=0.99;

                         Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

 

 

1.3  Выбор электродвигателя

Ориентировочно требуемая  частота вращения вала определяется по формуле:

 

где ω — угловая скорость ,определяется по формуле:

 

U_ред — диапазон допустимых значений передаточного числа редуктора привода

U_цп — диапазон допустимых значений передаточного числа цепной передачи

 

По величине с учётом принимаем электродвигатель АИР132М4, технические характеристики которого сведём в таблицу 1:

Таблица 1 — Характеристика электродвигателя

Обозначение электродвигателя	Номинальная мощность P,кВт	Номинальная частота вращения, мин-1			Масса m, кг
АИР132М4	11	1450	2.4	2.9	66.3

 

3. Определение общего передаточного числа привода и разбивка его по отдельным передачам

Общее передаточное число  определяется по формуле:

 

Положим, что передаточное число червячной передачи составляет U_ред=25, тогда передаточное число открытой цепной передачи примет значение, равное

 

1.5 Силовые и кинематические  параметры привода

Расчёт элементов привода  выполняем по расчётной мощности P электродвигателя. Для каждого из валов элементов привода определяем частоту вращения n, мощность  P и крутящий момент T.

Определяем частоты вращения валов привода:

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

6

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

Определение мощностей, передаваемых на валы привода:

 

 

 

 

Определение вращающих моментов, передаваемых на валы:

 

 

 

 

Полученные данные сводим в таблицу 2:

Таблица 2 — Силовые и  кинематические параметры привода

Вал	Частота вращения, мин-1	Мощность, кВт	Крутящий момент, H×м
Электродвигатель	1450	7.682	50.58
Червяк	1450	7.603	50.074
Вал червячного колеса	58	6.843	1127
Вал приводной	26.738	6.3	2250

4. Выбор стандартного редуктора

Требуется подобрать червячный  редуктор со следующими исходными данными:

• расчётный крутящий момент на выходном валу редуктора
• частота вращения выходного вала
• частота вращения входного вала
• передаточное число редуктора
• работа 16 часов в сутки, 10 пусков в час, нагрузка — равномерная
• соединение редуктора с электродвигателем — через упругую муфту
• выходной вал — горизонтальный, вращение — в одну сторону
• смазка — синтетическая
• место работы — помещение с температурой воздуха t=20°C
• срок службы редуктора 20000 часов

Для дальнейшего выбора типоразмера  редуктора определяем расчётно-эксплуатационное значение крутящего момента на выходном валу редуктора по формуле:

 

где — расчётный крутящий момент на выходном валу редуктора, соответствующий нормально протекающему процессу работы механизма  
— эксплуатационный коэффициент, учитывающий фактические условия работы и режима работы редуктора, определяется по формуле:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

7

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

где — коэффициент режима эксплуатации; (работа 16 часов сутки, 10 пусков в час, нагрузка — равномерная) [2, c. 6]

— температурный коэффициент;

[2, c. 6]

— коэффициент  смазки; [2, c. 7]

— коэффициент наличия упругих элементов; [2, c. 7]

—коэффициент  реверсивных пусков;

[2, c. 7]

— коэффициент  режима ввода редуктора в эксплуатацию;

[2, c. 7]

— коэффициент  расположения червячной пары  в  пространстве;

  [2, c. 7]

— коэффициент  долговечности;

 [2, c. 7]

 

 

Пользуясь таблицами технических  характеристик и учитывая условие  по расчётным и заданным параметрам выбираем червячный редуктор со следующими техническими характеристиками  U_ред=25, , , что соответствует габариту Ч-200М.

Проверяем отсутствие перегрева  редуктора. Принимаем значение коэффициента (редуктор охлаждается обдуванием, продолжительность

включения 40% ); [2, c. 9]

Согласно технической  документации, термическая мощность редуктора Ч-200М-25-51-1-2-Ц-Ц-У3 составляет .

Расчётная мощность на входном  валу редуктора:

 

 

Условие:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

8

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

 

Следовательно проверка условия  отсутствия перегрева выполняется.

По величине валов электродвигателя (d=38 мм l=80 мм) и редуктора (d=45 мм l=110 мм) выбираем муфту упругую втулочно-пальцевую 250-38-1-45-3-У1 ГОСТ 21424-93.

Анализируя полученные характеристики редукторов (габарит,,) и заданные конструктивные особенности (вариант сборки, расположение червячной пары в пространстве, исполнение конца выходного вала), окончательно принимаем редуктор Ч-200М: Ч-200М-25-51-1-2-Ц-Ц-У3. Его характеристики:

Ч — тип редуктора —  червячный одноступенчатый

200 — межосевое расстояние (габарит редуктора), мм

М — модернизированный

25— номинальное передаточное  число

51—  вариант сборки

1 — вариант расположения  червячной пары в пространстве

2 — конструктивное исполнение  по способу монтажа

Ц — исполнение конца  входного вала — вал цилиндрический с внутренней резьбой

Ц — исполнение конца  выходного вала — вал цилиндрический с внутренней резьбой

У3 — климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69.

 

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

9

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

 Расчет открытой передачи  привода

5. Исходные данные:

Мощность на ведущей звёздочки 

Частота вращения ведущей  звёздочки 

Частота вращения ведомой  звёздочки 

Передаточное число передачи , смазка капельная, межосевое расстояние в пределах номинального

Принимаем число зубьев малой  звёздочки в зависимости от передаточного  числа 

Определяем число зубьев ведомой звёздочки

 

Находим коэффициент, учитывающий  условия эксплуатации:

 

где — коэффициент, учитывающий динамичность нагрузки;

 

— коэффициент, учитывающий  длину цепи;

 

— коэффициент, учитывающий  регулировку передачи;

 

— коэффициент, учитывающий  характер смазки;

 

— коэффициент, учитывающий  режим работы передачи;

— коэффициент, учитывающий  наклон передачи;

 

 

Определяем среднее значение допускаемого давления в шарнирах [q₀] при :

 

Определяем ориентировочное  значение шага цепи, принимая число рядов цепи :

 

Так как среднее значение [q₀] принято при коэффициенте , вычисленное значение шага является ориентировочным.

Принимаем ближайшее большее  значение

Сделаем предварительный  расчёт делительных диаметров звёздочек:

 

 

Т.к. значительно превышает D барабана, что приводит к нарушению соразмерности конструкции. Принимаем решение о переходе на двухрядную цепь. При этом вводим коэффициент числа рядов , учитывающий неравномерность распределения нагрузки по рядам цепи.

Пересчитываем значение шага цепи:

 

Принимаем ближайшее значение:

Для этой цепи:

 

 

Характеристика цепи 2ПР-31.75-177000 ГОСТ 13568-75:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

10

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

Разрушающая способность 

Ширина внутреннего звена 

Диаметр оси 

Масса одного погонного метра  цепи

Проекция опорной поверхности  шарнира: 

Средняя скорость цепи:

 

Межосевое расстояние:

 

Число звеньев цепи или  длина цепи, выражается в шагах:

 

 

Уточняем межосевое расстояние:

 

Т.к. цепная передача работает лучше при небольшом провисании холостой ветви цепи, расчётное межосевое  расстояние уменьшают на величину Принимаем .

Тогда

Допустимая частота вращения меньшей звездочки:

Число ударов цепи в секунду:

 

Полезное рабочее усилие:

 

Давление в шарнирах цепи:

 

Допустимое значение [q₀] :

Натяжение от центробежных сил:

 

Натяжение от провисания цепи:

 

где — коэффициент, учитывающий расположения цепи

g — ускорение свободного падения; g=9.8 м/с²

Расчётный коэффициент безопасности:

 

Допустимое значение коэффициента безопасности:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

11

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

Нагрузка на валы, при  :

 

 

 

 

2. Предварительный расчёт приводного вала

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

12

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

Диаметр конца вала под  ведомой звёздочкой цепной передачи из расчёта на кручение:

 

где — допускаемое напряжение на кручение для валов, изготовленных из стали ; .

По табл. 2П.1 [1, c. 399] размеры конца вала: , . Диаметр вала под подшипником, определяется по формуле:

 

Исходя из посадочного  диаметра по табл. 2П.12 [1, c. 409] выбираем шариковый радиальный сферический двухрядный подшипник лёгкой серии 1216, имеющий следующий данные: ; ; ; ;; .

Следующая ступень вала диаметром  выполняет роль буртика для подшипника. По табл. 2П.17 [1, c.416] диаметр этого буртика

.Учитывая, что на данной ступени устанавливается крышка подшипника с манжетой, по табл. 2П.10 согласовываем размер с размером манжет и окончательно принимаем . В крышке подшипника будет установлена манжета 1-90×120 ГОСТ 8752-79. Слева данный подшипник будет закрыт крышкой с манжетой такого же типоразмера.

Диаметр вала под ступицу, определяется по формуле:

 

Для диаметра отверстия в  ступице  по табл. 2П.3 [1, с. 401] назначаем размер фаски .

Размеры приводного вала определяем по эскизной компоновке привода.

 

 

3. Конструктивные размеры деталей открытой передачи

Звёздочка ведущая

Размеры венца определяем по ГОСТ 591-69.

Диаметр окружности выступов :

 

где — шаг цепи

По табл. 1П. 28 диаметр ролика цепи . Радиус впадин:

 

Радиус сопряжения:

 

Диаметр окружности впадин :

 

По табл. 1П.28 [1, с. 390]: ширина пластины цепи расстояние между внутренними плоскостями пластин ряда мм; расстояние между осями симметрии рядов цепи .

Радиус закругления зуба

 

Расстояние от вершины  зуба до линии центров дуг закруглений:

 

Наибольший диаметр обода (диаметр проточки) :

 

При  шаге цепи радиус закруглений .

Ширина зуба звёздочки:

 

Ширина венца:

 

Толщина обода  для многорядных цепей:

 

Толщина диска для многорядных цепей:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

Диаметр ступицы ведущей  звёздочки:

 

где d — диаметра выходного конца вала редуктора; .

Длина ступицы ведущей  звёздочки:

 

где — длина выходного конца вала; .

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

 

 

Рисунок 2 — Звездочка  ведущая

 

Звёздочка ведомая

Размеры венца определяем по ГОСТ 591-69.

Диаметр окружности выступов :

 

По табл. 1П. 28 диаметр ролика цепи . Радиус впадин:

 

Радиус сопряжения:

 

Диаметр окружности впадин :

 

По табл. 1П.28 [1, с. 390]: ширина пластины цепи расстояние между внутренними плоскостями пластин ряда мм; расстояние между осями симметрии рядов цепи .

Радиус закругления зуба

 

Расстояние от вершины  зуба до линии центров дуг закруглений:

 

Наибольший диаметр обода (диаметр проточки) :

 

При  шаге цепи радиус закруглений .

Ширина зуба звёздочки:

 

Ширина венца:

 

Толщина обода  для многорядных цепей:

 

Толщина диска для многорядных  цепей:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

15

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

Диаметр ступицы ведущей  звёздочки:

 

где d — диаметра посадочного отверстия в ступице

Длина ступицы ведущей  звёздочки:

 

где — длина выходного конца вала; .

 

 
Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

16

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

 

5. Эскизная компоновка привода

На этапе эскизной компоновки определяем взаимное расположение в  пространстве редуктора, электродвигателя, муфты, барабана конвейера с учётом конструктивных размеров деталей открытой передачи.

Барабан ленточного конвейера  изготавливаем сварным. Толщину  обода барабана принимаем . Диски изготавливаем из листа толщиной , ребра из полосы такой же толщины. Диаметр ступицы:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

17

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

Длина ступицы:

 

Диаметр барабана . Ширина ленты конвейера . Ширина барабана . Опоры приводного вала устанавливаем на расстоянии от кромок барабана.

Редуктор и электродвигатель с натяжным устройством располагаем на раме. Рама представляет собой сварную конструкцию из швеллеров. Длину и ширину раму определяем прорисовыванием по эскизной компоновке. Для создания базовых поверхностей под двигатель и редуктор на раме предусматриваем платики высотой . Высоту базовой конструкции рамы определяем по формуле [3, c. 313]:

 

где — длина рамы; .

Исходя из размера , предварительно выбираем швеллер №10. Но так, как полку швеллера предполагаем использовать для крепления редуктора, а также для креплений рамы к полу цеха, проверяем, достаточна ли ширина полки для этой цели.

Для выбранного редуктора  крепёжный болт М22. Для крепления  к полу цеха применяем фундаментные болты, с коническим болтом, устанавли-ваемые в скважине с цементным раствором. В зависимости от длины рамы принимаем диаметр фундаментных болтов М20, количество .

Для болтов М20 принимаем швеллер №18 высотой . Глубина болта в фундаменте , размер отверстия под фундаментный болт принимаем 5050 мм.

Далее определяем положение  приводного вала относительно редуктора  и положение барабана ленточного конвейера относительно опор вала для  дальнейшего определения опорных  реакций и подбора подшипников.

Размеры корпусов подшипников  и крышек определяем по  [1, c. 410] и [1, c. 474]. Остальные размеры, необходимые для составления расчётной схемы, определяем из эскизной компоновки.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

18

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

Проверка долговечности  подшипников приводного вала динамической грузоподъёмности

Предварительно для опор приводного вала используем шарикоподшип-ники радиальные сферические лёгкой серии.

Таблица 3 — Характеристики подшипников

Условное обозначение	d, мм	D, мм	B, мм	Грузоподъёмность, кН
				С	С0
1216	80	140	50.58	39.7	56

Чтобы проверить выбранные  подшипники необходимо определить реакции  опор, возникающие от действия заданных нагрузок.

На приводной вал действуют  следующие нагрузки:

• Сила от цепной передачи
• Требуемая долговечность подшипников [L_h ] = 10000 ч.

Плоскость YZ:

 

где — расчетное усилие, которое определяется по формуле:

 

Усилия  определяются из уравнений:

 

где — коэффициент, зависящий от типа конвейера;

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эквивалентная нагрузка определяется по формуле [3, c. 83]:

 

где — коэффициент эквивалентности;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

19

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

20

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

Эквивалентная динамическая радиальная нагрузка в опоре В:

 

где — коэффициент вращения;

 — коэффициент  безопасности;

X — коэффициент радиальной нагрузки ; X =1 ([4], табл. 9.18);

— температурный коэффициент; =1,0 (температура работы подшипника меньше 100°С).

 

Требуемая динамическая грузоподъёмность определяется по формуле [3, c.84]:

 

где — показатель степени; p =3 (для шариковых подшипников);

 частота вращения внутреннего кольца; .

 

Так как , то предварительно принятый подшипник выбран верно.

Базовую долговечность определяем по формуле [3, c. 84]:

 

где — показатель степени; p =3 (для шариковых подшипников).

 

 

 

Так как базовая долговечность  больше требуемой, то подшипник пригоден.

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

21

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

Проверка прочности шпоночных  соединений

Для передачи крутящего момента выбираем шпонки по ГОСТ 23360-78 исполнения 1 (со скруглёнными торцами). Материал шпонок сталь 45. Напряжения смятия определяется по формуле:

 

где — передаваемый вращающий момент, Н×мм;

d — диаметр вала в месте установки шпонки, мм;

 — рабочая длина шпонки, мм;;

 — глубина шпоночного паза, мм

[] – допускаемое напряжение смятия, МПа.

В месте установки барабана:

 

 

Условие выполнено.

В месте установки звёздочки:

 

 

Условие выполнено.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

22

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

Уточнённый расчёт приводного вала

Принимаем, что номинальные  напряжения от изгиба изменяются по симметричному  циклу, а касательные от кручения по пульсирующему. Расчёт проводим для  предположительно опасных сечений  каждого из валов.

Материал вала — сталь 45 нормализованная.

Предел выносливости при  симметричном цикле изгиба [5, с. 311]:

 

.

Предел выносливости при  симметричном цикле касательных напряжений [5, с. 311]:

 

 

Схема расчёта та же, что  и для расчёта подшипников.

Коэффициент запаса прочности  в опасном сечении определяется

по формуле [5, формула 8.17] :

 

где — коэффициент  запаса прочности по нормальным напряжениям:

 

где предел выносливости стали при симметричном цикле изги-

ба; – для углеродистых сталей;

 — эффективный  коэффициент  концентрации  нормальных  на-

пряжений;  [5, табл. 8.5]

β — коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверх-

ности;

 — амплитуда цикла нормальных напряжений, равная наиболь-

шему напряжению изгиба  в рассматриваемом сечении:

 

где — суммарный изгибающий момент

 —момент сопротивления  изгибу

 — среднее напряжение цикла нормальных напряжений;

 — коэффициент,  зависящий от материала вала;

 — масштабный  фактор для нормальных напряжений; [5, табл. 8.8]

 — коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям:

 

где предел выносливости стали при симметричном цикле круче-

ния;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

23

КП ПМ КЛ 06.07.0000 П3

 — эффективный  коэффициент  концентрации  нормальных  на-

пряжений;  [5, табл. 8.5]

β  – коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверх-

ности;

 — амплитуда  цикла нормальных напряжений, равная  наиболь-

шему напряжению изгиба  в рассматриваемом сечении;

 — коэффициент,  зависящий от материала вала;

  — масштабный фактор для нормальных напряжений; [5, табл. 8.8].

 — напряжения, определяемые по формуле [5, формула 8.20]:

 

где — момент сопротивления кручению

 — крутящий  момент;

 

Сечение А-А

Концентрация напряжений вызвана посадкой звёздочки с натягом. Изгибающий момент . Момент сопротивления кручению