КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине

«Основы проектирования и конструирования» 

«Разработка механического привода»

ЭЗМ-03 
 

Работу  выполнил: студент группы ЭЗМ-03 Стрижова Ю.Е.

                          Работу принял: доцент, КТН Копылов О.А.  
 
 
 
 
 
 

Королев

2011 

Техническое задание на разработку механического привода

ленточного  транспортера

      Спроектировать  механический привод ленточного транспортера. Максимальное тяговое усилие на транспортере 1557н. Скорость движения ленты 1,2м/c. Диаметр барабана ленточного транспортера 500мм. Нагрузка транспортера спокойная, работа на нем двухсменная. Механический привод должен включать электродвигатель, ременную передачу, редуктор и цепную передачу. Наклон линии соединяющей центр барабана и передачу к горизонту θ=30^o.

      Срок  службы привода Т=21·10³ ч. Нагрузка нереверсивная, постоянная. В период пуска кратковременная (пиковая) нагрузка в 1,8 раза больше номинальной.

    Содержание 
 

    Введение

    Механическая  энергия, используемая для привода в движение машины-орудия, представляет собой энергию вращательного движения вала электродвигателя. Вращательное движение получило наибольшее распространение в механизмах и машинах, так как обладает следующими достоинствами:

    1. Обеспечивает непрерывное и равномерное  движение при небольших потерях на трение.

    2. Позволяет иметь простую и  компактную конструкцию передаточного  механизма.

    Назначение  передач. Все современные электродвигатели для уменьшения габаритов и стоимости выполняют быстроходными с весьма узким диапазоном изменения угловых скоростей. Непосредственно быстроходный вал двигателя соединяют с валом машины редко (вентиляторы и т. п.). В абсолютном большинстве случаев режим работы машины-орудия не совпадает с режимом работы двигателя, поэтому передача механической энергии от двигателя к рабочему органу машины осуществляется при помощи различных передач.

    Механическими передачами, или просто передачами, называют механизмы, передающие работу двигателя к исполнительному органу машины. Передавая механическую энергию, передачи одновременно могут выполнять следующие функции:

• понижать и повышать угловые скорости, соответственно повышая или понижая вращающие моменты;
• преобразовывать один вид движения в другой (вращательное и возвратно-поступательное, равномерное в прерывистое и т. д.);
• регулировать угловые скорости рабочего органа машины; реверсировать движение (прямой и обратный ход);
• распределять работу двигателя между несколькими исполнительными органами машины.

    В современном машиностроении применяются  механические, пневматические, гидравлические и электрические передачи.

    В зависимости от принципа действия все  механические передачи делятся на две группы:

    1) передачи трением — фрикционные  и ременные;

    2) передачи зацеплением — зубчатые, червячные, цепные.

    Все передачи трением имеют повышенный износ рабочих поверхностей, так  как в них неизбежно проскальзывание  одного звена относительно другого.

    В зависимости от способа соединения ведущего и ведомого звеньев бывают:

    а) передачи непосредственного контакта — фрикционные, зубчатые, червячные;

    б) передачи гибкой связью — ременные, цепные. Передачи гибкой связью допускают значительные расстояния между ведущим и ведомым валами.

    В техническом задании на курсовую работу задано разработать механический привод, который состоит из двигателя и механических передач.  

    1. Обоснование выбора  передач и кинематической  схемы механического привода ленточного транспортера

    Рассмотрим  возможные типы механических передач, которые могут быть использованы в разрабатываемом механическом приводе в соответствии с техническим заданием на курсовую работу.

      1. Фрикционная передача состоит из ведомого и ведущего катков. Крутящий момент от ведущего катка к ведомому передается силами трения, которые возникают в месте контакта двух прижатых друг к другу катков.

      Основным  недостатком фрикционной  передачи является: большие нагрузки на валы и подшипники от прижимного усилия, что увеличивает их размеры и делает передачу громоздкой. Этот недостаток ограничивает величину передаваемой мощности и к.п.д. Ввиду этого для нашей разрабатываемой механической передачи ленточного привода фрикционная передача непригодна.

      2. Зубчатая передача

      В зубчатой передаче движение передается с помощью  зацепления пары зубчатых колес. Меньшее зубчатое колесо принято называть шестерней, а большее — колесом. Термин зубчатое колесо относится как к шестерне, так и к колесу. Зубчатые передачи — самый распространенный вид механических передач, так как могут надежно передавать мощности от долей до десятков тысяч киловатт, при окружных скоростях до 150 м/сек. Зубчатые передачи широко применяются во всех отраслях машиностроения и приборостроения.

      Достоинства зубчатой передачи: высокая надежность работы в широком диапазоне нагрузок и скоростей; малые габариты; большая долговечность; высокий к.п.д.; сравнительно малые нагрузки на валы и подшипники; постоянство передаточного числа; простота обслуживания.

      Основным  недостатком зубчатых передач являются высокие требования к точности изготовления и монтажа.

      В зависимости, от конструктивного исполнения различают открытые и закрытые зубчатые передачи. В открытых передачах зубья  колес работают всухую или периодически смазываются консистентной смазкой. Закрытые передачи работают в масляной ванне; при смазке окунанием зубчатые колеса (одно из колес пары) погружают в масло на глубину до 1/3 диаметра.

      Возможные значения к.п.д. одной пары зубчатых колес представлен в табл. 1. /1/

      Таблица 1.

Средние значения к.п.д. одной пары зубчатых колес

на подшипниках  качения при передаче полной мощности

      Рекомендуемое передаточное число i цилиндрической зубчатой передачи для тихоходной ступени редуктора находится в пределах 2…5, а предельное 5,6…6,3 в зависимости от твердости зубьев /2/. Рекомендуемое передаточное число цилиндрической зубчатой передачи для быстроходной ступени редуктора находится в пределах 3…5, а предельное 6,3…8 в зависимости от твердости зубьев /2/.

      Таким образом, для понижения угловой  скорости вращения будем использовать в разрабатываемом механическом приводе закрытую цилиндрическую зубчатую передачу в одноступенчатом редукторе.

      3. Цепная передача

      Цепная  передача относится  к передачам зацеплением  с гибкой связью. Она состоит из ведущей и ведомой звездочек, огибаемых цепью. В отличие от ременной, цепная передача работает без проскальзывания. 
 

      Достоинства цепной передачи:

      По  сравнению с зубчатыми передачами цепные передачи могут передавать движение между валами при значительных межосевых расстояниях (до 8 м).

      По  сравнению с ременными передачами цепные передачи:

• более компактны;
• могут передавать большие мощности (до 3000 квт);
• силы, действующие на валы, значительно меньше, так как предварительное натяжение цепи мало;
• могут передавать движение одной цепью нескольким звездочкам.

      Основные недостатки цепной передачи:

      а) Значительный шум вследствие удара  звена цепи при входе в зацепление, особенно при малых числах зубьев звездочек и большом шаге. Этот недостаток ограничивает возможность применения цепных передач при больших скоростях.

      б) Сравнительно быстрый износ шарниров цепи вследствие затруднительного подвода смазки.

      в) Удлинение цепи из-за износа шарниров, что требует натяжных устройств.

      г) Необходимость точного изготовления цепи и высококачественного монтажа  передачи.

      Цепные передачи применяют в станках, транспортных и других машинах для передачи движения между параллельными валами, расположенными на значительном расстоянии, когда зубчатые передачи непригодны, а ременные ненадежны. Наибольшее применение получили цепные передачи мощностью до 120 квт при окружных скоростях до 15 м/сек.

      К.п.д. цепной передачи зависит от потерь на трение в шарнирах цепи, на зубьях звездочек и на перемешивание  масла при смазке окунанием. При  нормальных условиях работы среднее значение к.п.д. цепной передачи составляет η =0,92 — 0,97.

      Рекомендуемое передаточное число i цепной передачи находится в пределах 1,5…4, а предельное 10 /2/.

      Цепную  передачу будем использовать в нашем  разрабатываемом механическом приводе в качестве заключительного звена при передаче вращательного движения от редуктора к исполнительному органу.

      4. Ременная передача

      Ременная  передача относится  к передачам трением  с гибкой связью. Состоит из ведущего и ведомого шкивов, огибаемых ремнем. Нагрузка передается силами трения, возникающими между шкивом и ремнем вследствие натяжения последнего.

      В зависимости от формы поперечного  сечения ремня передачи бывают: плоскоременные, клиноременные и круглоременные. Передача с круглым ремнем имеет ограниченное применение (швейные машины, настольные станки).

      Достоинства ременной передачи:

      а) Простота конструкции и малая  стоимость.

      б) Возможность передачи мощности на значительные расстояния

      (до 15 м).

      в) Плавность и бесшумность работы.

      г) Смягчение вибрации и толчков  вследствие упругой натяжки ремня.

      Недостатки  ременной передачи:

      1. Большие габаритные размеры, в  особенности при передаче значительных мощностей.

      2. Малая долговечность ремня в  быстроходных передачах.

      3. Большие нагрузки на валы и  подшипники от натяжения ремня. 

      4. Непостоянное передаточное число из-за неизбежного упругого проскальзывания ремня.

      5. Необходимость в постоянном надзоре  во время работы из-за возможного соскакивания и обрыва ремня.

      6. Неприменимость во взрывоопасных  местах вследствие электризации  ремня. 

      Рекомендуемое передаточное число i ременной передачи находится в пределах 2…4, а предельное 8 /2/.

      Ременные  передачи применяют в большинстве  случаев как замедлительные, когда по конструктивным соображениям межосевое расстояние должно быть достаточно большим, а передаточное число не строго постоянным.

      Мощность, передаваемая ременной передачей, обычно до 50квт и в редких случаях достигает 1000 квт. Скорость ремня v=5 — 30 м/сек, а в сверхскоростных передачах может доходить до 100 м/сек. В сочетании с другими передачами ременную передачу применяют на быстроходных ступенях привода.

      Величина  к. п. д. ременных передач зависит  от потерь на скольжение ремня по шкивам, на внутреннее трение в ремне при  изгибе, на сопротивление воздуха движению ремня и шкивов, на трение в подшипниках.

      При нормальных условиях работы принимают:

      для плоскоременной передачи η= 0,96;..

      для клиноременной передачи η =0,95.

      Ременную  передачу будем использовать в нашем  разрабатываемом механическом приводе как частично понижающую передачу от электродвигателя к редуктору.

      5. Альтернативой ременной передачи является применение муфты для соединения двигателя с редуктором

      Однако  требуется точная сборка соединения муфты между электродвигателем и редуктором, вследствие этого муфту использовать не будем.

      Таким образом, в качестве основных элементов механической передачи ленточного транспортера будем использовать:

      цепную  передачу – для передачи движения от редуктора к исполнительному органу механического привода;

      редуктор (зубчатая передача) – для понижения угловой скорости вращения;

      ременную  передачу или муфту – для передачи крутящего момента от двигателя  к редуктору.

Кинематическая  схема механического привода  представлена в приложении к ПЗ-1 на чертеже 1.

    2. Обоснование выбора  электродвигателя

      Полезная  сила или максимальное тяговое усилие ленточного транспортера в соответствии с техническим заданием составляет 5 кН. Это максимальное тяговое усилие по отношению к барабану ленточного транспортера является окружным усилием передачи, которое определяется по формуле:

      где N – мощность в Вт;

      n – окружная скорость барабана ленточного транспортера или скорость перемещения ленты в м/сек.

      Отсюда  полезная мощность разрабатываемого механического  привода составляет:

N_пол = P·n =1557·1,2= 1868,4Вт =1,8684 кВт

      Требуемый крутящий момент на барабане должен составлять не ниже

М_треб = Р·D/2 = 1557·500/2 = 389,25·10³ Н·мм.

      В соответствии с принятыми к расчету  кинематическими схемами механического привода, проведенного анализа передач привода примем следующие к.п.д.:

      η_рп=0,95 – к.п.д. ременной передачи;

      η_зп=0,97 – к.п.д. зубчатой передачи;

      η_цп=0,95 – к.п.д. цепной передачи;

      η_п=0,99 – к.п.д. подшипника.

      Определим общий к.п.д. привода: (см. схему 2 на чертеже 1):

η_общ= η_рп·η_зп·η_цп·η_п³ =0,95·0,97·0,95·0,99³=0,845. 
 
 

      Потребная мощность электродвигателя составит:

      По  требуемой мощности, с учетом возможностей привода, выбираем асинхронный, трехфазный, короткозамкнутый электродвигатель серии 4А /2/, закрытый, обдуваемый, с N_дв = 2,2 квт ≥ N_треб (по ГОСТ 19523-81). Превышение мощности двигателя от требуемой составляет не более 18,3% кинематической схемы механического привода, что допустимо.

      Отечественной промышленностью выпускаются двигатели  серии 4А с различной синхронной частотой вращения вала: 750 об/мин; 1000 об/мин, .1500 об/мин; 3000 об/мин.

      Для этих синхронных частот вращения вала с мощностью 2,2 квт разработаны следующие типы двигателей серии 4А /2/:

      112 МА8 – асинхронная частота вращения 700 об/мин (73,27 1/сек);

      100 L6 – асинхронная частота вращения 950 об/мин (99,43 1/сек);

      90 L4 – асинхронная частота вращения 1425 об/мин (149,14 1/сек);

      80 B2 – асинхронная частота вращения 2850 об/мин (298,3 1/сек). 

      В соответствии с ТЗ на курсовую работу угловая скорость вращения барабана ленточного транспортера равна:

      Чем выше частота вращения вала электродвигателя, тем меньше его габаритные размеры, масса и стоимость. Но с увеличением частоты вращения растет общее передаточное отношение передач привода, а, следовательно, его размеры, масса и стоимость. Поэтому необходимо найти оптимальное сочетание между частотой вращения вала двигателя и передаточным отношением механической передачи.

      Оценка  оптимальности осуществляются при  помощи коэффициента качества К привода. Рассчитав коэффициент качества К для 4-х возможных скоростей двигателя данной мощности, выбирают К_min позволяющий для заданных исходных данных найти электродвигатель и определить значение передаточного отношения механического привода, при котором привод будет разработан с наименьшими габаритными размерами и массой. Для четырех значений угловой скорости вала электродвигателя примерно равных 300, 150; 100 и 75 1/с, с помощью коэффициента относительной скорости электродвигателя у=300/ω_ДВ.

      Общее передаточное число разрабатываемого механического привода для различных  типов электродвигателей серии 4А составляет:

112МА8 –

100L6 –

90L4–

80B2–

      В соответствии с рекомендациями по предельно  возможным передаточным числам для принятых передач механического привода в разделе 1 настоящей ПЗ-1 принимаем:

      для зубчатой передачи i_зп=4;

      для цепной передачи i_цп=5.

      Для кинематической схемы механического привода выбираем электродвигатель 4А 80B2, а общее передаточное число привода в этом случае, как было получено ранее, равно i_Общ=62,15, как самый недорогостоящий двигатель из всех перечисленных выше. Тогда передаточное число ременной передачи будет равно

      что в соответствии с рекомендациями для ременной передачи (см. раздел 1 настоящей ПЗ-1) приемлемо. 
 
 

    Основные  размеры электродвигателей (см. чертеж 2) представлены в табл.2.

    Таблица 2.

Размеры электродвигателей

    Примечание: величины l₀ и b₀ определены по формулам l₀=l₁₀+4d₁₀, b₀=b₁₀+5d₁₀.

    3. Кинематический и  силовой расчет  механического привода  ленточного транспортера

      Исходными данными являются:

      1) кинематическая схема привода  (чертеж 1);

      2) вид открытых передач привода:  на входе муфта или ременная  передач; промежуточная зубчатая  передача (редуктор); на выходе цепная  передача.

    Пронумеруем валы механического привода в соответствии с двумя вариантами кинематической схемы электродвигателя (чертеж 1):

    1 вал – вал двигателя, соединенный  со 1-ым штифтом ременной передачи;

    2 вал – быстроходный вал редуктора  соединенный со 2-ым штифтом ременной передачи;

    3 вал – тихоходный вал редуктора на выходе соединен с 1-ой звездочкой цепной передачи;

    4 вал – вал барабана ленточного  транспортера соединен со 2-ой  звездочкой цепной передачи.

    Рассчитаем  угловую скорость, передаваемую мощность и крутящий момент на каждого валу для кинематической схемы механического привода.

    1 вал.

    ω₁ = ω_ДВ=298,3 1/c;

    N₁ = N_ДВ= 2,2 квт;

    2 вал.

    ω₂ = ω₁/i_рп=298,3 / 3,11= 95,92 1/c;

    N₂ = N₁·η_рп·η_п=2,2·0,95·0,99=2,06  квт;

    3 вал.

    ω₃ = ω₂/ i_зп =95,92/4=23,98 1/c;

    N₃ = N₂·η_зп·η_п=2,06 ·0,97·0,99=1,978 квт;

    4 вал.

    ω₄ = ω₃/ i_цп =23,98/5=4,8 1/c;

    N₄ = N₃·η_цп·η_п=1,978·0,95·0,99=1,86 квт;

    Превышение  выходных параметров механического  привода над требуемыми составляют:

    по  угловой скорости: ;

    по  выходной мощности: ;

    по  крутящему моменту: . 
 

    Расчеты по кинематической схеме механического  привода сведены в таблицу 3.

    Таблица 3.

Кинематические  и силовые характеристики механического привода