1. Задание на проектирование 

1. Требуется разработать шлюзовое устройство для перемещения  образца из помещения  с нормальным давлением (в  рабочую) вакуумную  камеру и обратно;
2. Основанием для разработки является курсовой проект по КПУ и САПР задание 9 вариант 5;
3. Условия эксплуатации:
1. 3.1  Составные части должны быть герметичными, проверены на вакуум, при давлении P = 10МПа;
1. 3.2  Устройства перемещения  образца должны  быть установлены  в определенных  частях шлюзового  устройства (загрузка  и работа);
1. 3.3   Краны должны иметь дистанционное и ручное управление;
1. 3.4   Конструкция шлюзового устройства должна быть блочной.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Техническое задание 

2.1  Наименование и область применения:

       2.1.1 Шлюзовое загрузочное устройство;

       2.1.2  Вакуумная техника;

2.2 Основание для разработки:

       2.2.1 Основанием для разработки является учебный план физико-технического        факультета НИЯУ МИФИ;

2.3 Цель и технико-экономическое обоснование разработки:

       2.3.1 Целью разработки является создание работоспособного шлюзового загрузочного устройства, приобретение навыков компьютерного проектирования;

       2.3.2   Создание шлюзового устройства с высокой долговечностью и возможностью к ремонту позволяют утверждать об экономической обоснованности данной разработки;

2.4 Источники разработки:

       2.4.1  Специальная и общетехническая литература по курсовым проектам;

       2.4.2 Рекомендации преподавателя;

2.5   Технические требования:

       2.5.1 Специальные технические требования:

 

       2.5.2  Составные части герметичны при давлении P = 10 МПа;

       2.5.3 Конструкция шлюзового устройства блочная: загрузочный, рабочий и вакуумный блоки;

       2.5.4 Коммутирующее устройство имеет дистанционное и ручное управление;

       2.5.5 Для передачи вращательного момента на рабочий вал используется  упругая муфта;

2.6  Этапы разработки:

       2.6.1 Получение задания на проектирование;

       2.6.2 Ознакомление с техническим заданием и техническими требованиями;

       2.6.3 Выбор привода;

       2.6.4 Проверка привода на самоустанавливаемость рабочего органа с расчетом на наличие избыточных связей;

       2.6.5 Проведение расчетов;

       2.6.6 Разработка чертежа общего вида на миллиметровой бумаге;

       2.6.7 Создание трехмерной  модели в Solid Edge;

       2.6.8 Создание рабочих чертежей деталей, чертежа общего вида, сборочного чертежа узла;

       2.6.9 Оформление пояснительной записки и защита проекта; 
 
 
 
 
 

   3. Анализ схемно-конструкционных вариантов 

   Проанализировав задание на проектирование и технические  требования можно  сделать вывод, что  для решения поставленной задачи подходят шлюзовые загрузочные устройства  с несколькими типами затворов, а именно:

- с шаровым затвором;

- с тарельчатым  затвором;

- с шиберным затвором;

   Определяем  весовые показатели для интересующих нас условий. 

3.1 Выбор тематического варианта 

Показатели  качества для матрицы  выбора оптимальных  решений: 

1. Долговечность. Сохранение работоспособности в течение срока службы;
2. Износоустойчивость;
3. Простота конструкции. Чем сложнее конструкция, тем меньше надежность;
4. Обеспечение герметичности. Простота достижения герметичности;
5. Ремонтопригодность. Блочная конструкция установки позволяет легко заменять

       неисправные части;

6.   Габариты установки. Чем компактнее конструкция, тем удобнее в эксплуатации.

3.2 Матрица выбора оптимальных решений 

Таблица 1. Матрица выбора оптимальных решений

 
 

                     Итог: Шлюзовое загрузочное устройство с шаровым затвором по выбранным параметрам  качества превосходит аналоги более чем на 20%.

 
 
 
 
 
 

4. Расчет механизма на избыточные связи

                      

 

Кинематические  пары:

• цилиндрическая направляющая-шпиндель, пара 5-го класса (РV);
• шаровая поверхность-уплотнение, пара 3-го класса (РIII);
• квадратный (в сечении) конец шпинделя - паз шара, пара 1-ого класса (РI);

Используя формулу Малышева [1]:

   

                                                                                                                (1) 
 

,

в закрытом положении W=2, n=4, тогда

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Расчет шлюзового загрузочного устройства 

5.1 Выбор электродвигателя 

Для выбора электродвигателя необходимо определить мощность на ведомом  валу [5]:

1.Определим  удельное давление  на прокладке,  обеспечивающее плотность  по формуле:

Выбираем  прокладку из фторопласта P

2.Площадь  контакта 

3.Тогда  сила F, обеспечивающая  плотность на прокладке 

4.Определим  скорость движения  шара 

5.Определим мощность N по формуле: 

                                                                                                                                     (2) 

6.Опредлим расчетную мощность на валу с учетом КПД передачи и подшипников:

  

                                                                                                                                    (3) 

Выбираем  электродвигатель по каталогу [7]: 

 

5.2 Расчет червячной передачи 

1) Определяем передаточное  соотношение

 

Такое передаточное соотношение  позволяет выбрать  червячную передачу.

Определим ориентировочно КПД  передачи:

Крутящий  момент

  Т₂=9.55

Ориентировочное значение скорости скольжения

Выберем следующие материалы:

1)червяк  – сталь 45

2)Колесо - бронза БрАЖ9-4 
 
 

Допускаемое контактное напряжение для материала  червяка:

s_нр = 300-25∙V_ск

 

Определим приведенный модуль упругости:

q ≥ 0,25∙Z2

Расчетное значение q округляем до стандартного значения

Выбираем q=10, m=4.

Делительное межосевое расстояние:

,

Определим характерные диаметры червячной передачи:

Диаметры  делительных окружностей  червяка и червячного колеса соответственно:

   - Диаметры вершин витка и зуба

  - Диаметры окружностей впадин

Наибольший  диаметр червячного колеса:

Длина нарезанной части  червяка:

Ширина  венца червячного колеса:

Делительный угол подъема линии  витка:

Действительная  скорость:

 

КПД передачи:

(Угол  трения ρ’=2) 
 

Уточняем  крутящий момент  Т₂ на вале червячного колеса:

  Т₂ = Т₁∙ U∙ ηчп = 9,55∙37/885∙60∙0,75 =17,96  Н∙м 

Определяем  силы, действующие  в зацеплении, по формулам:

   Ft₁ = Fa₂ = 2∙T₂/d₂∙U∙ ηчп = 2∙17,96/100∙10-3∙60∙0,75 = 7,97 кН.

   Fr₁ = Fr₂ = Fa₂∙tg aw/cos γ = 90∙tg70/cos6 = 245 кН.

   Fa₁ = Ft₂ = 2∙T₂/d₂ = 2∙17,96/100∙10-3 = 0,36 кН.  
 
 

Определяем  расчетное контактное напряжение s_н по формуле:

   s_н = 0,47∙q/Z₂(((Z₂/q+1)/ aw)3 ∙ T₂∙K_н∙Е_пр)1/2                                                                          (4)  

   s_н = 230 МПа. 

Заключение: контактная прочность зубьев обеспечена, так как расчетное напряжение находится в интервале допускаемых отклонений.  

Производим  проверочный расчет червячной передачи на прочность зубьев при изгибе [3]:

    1) находим эквивалентное  число зубьев Zv₂ колеса по формуле для косозубых колес:

Zv₂ = Z₂/ (cos γ)3 = 25/cos6 = 25,5;

    2) выбираем коэффициент формы зуба  Yf в зависимости от  Zv₂:

Yf = 1,85;

    3) определяем допускаемое напряжение sfp при изгибе для материала колеса:

 sfp = 0,16∙sв∙Кfl = 0,16 ∙450∙1 = 72 МПа;

    4) предел прочности   sв = 450 МПа;

    5) значение коэффициента  долговечности при  изгибе, при стационарном  режиме:      Кfl = 1;

    6) определяем расчетное  напряжение при  изгибе  sf  по формуле:

sf=0,7∙Yf∙Ft2∙Kfl/ (b2∙m∙cos γ)                                                                                                     (5) 

           

sf =0,7∙1,85∙4780∙1/ (36∙4∙cos6) =43,2 МПа; 

Заключение: sf ≤ sfp ,т.е. прочность зубьев колеса при изгибе обеспечена. 

5.3 Расчет корпусных деталей 

S_к=PD/2σсж =6 мм

S_к - толщина корпуса

D - внутренний диаметр корпуса, D= 30 мм

P - рабочее давление, Р=0, 1 МПа 

Определим диаметр шпинделя в опасном сечении (проточка)

                                                                                                      (6)

                                        

Подставив численные значения в формулу (6), получим:

   

Материал  шпинделя Сталь 40 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

6. Уплотнительные элементы 

6.1 Межфланцевые уплотнительные кольца 

Определим размеры канавки  под уплотнительные кольца[2]:

D=29 мм – внутренний диаметр уплотнительного кольца

d=5 мм – ширина уплотнительного кольца

Натяг по внутреннему диаметру возьмём 

Осевое  сжатие по сечению 

Тогда внутренний диаметр  составит:

 

Принимаем D1

Рассчитаем  глубину канавки  с отклонением C1

Принимаем

Рассчитаем  ширину канавки 

Расчетные размеры канавки  под уплотнительное кольцо согласовываем  с ГОСТ 9833-73 и получаем размеры: h=2мм, b=5мм 

6.2 Уплотнение подвижных соединений 

Рассчитаем  размеры уплотнительных колец 

Сила  трения кольцевого уплотнения:

                                                                                             (7) 

Где l и l₁ ширина уплотняющей поверхности и протекторного кольца, f и f₁ коэффициенты трения по стали для мягкой резины(0,2) и фторопласта(0,12)

Проводя расчёт согласно заданным в ТЗ условиям герметичности, получаем размеры колец: h=5мм, b=10мм - два уплотняющих кольца из мягкой резины и одно фторопластовое кольцо [8]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       

       

7. Отчет по курсовой работе. Предмет КПУ 

       Основная  цель проекта –  усовершенствовать  предложенные разработки  с целью достижения  более высоких  показателей безопасности шлюзового загрузочного устройства с шаровым затором.

       Для этого на основании  задания по курсовому  проекту,  вариант  №5, по теме «Шлюзовое устройство», а также анализа аналоговых материалов была разработана новая конструкция шлюзового устройства, выполненного из малоуглеродистой стали.

       Шлюзовое  устройство с шаровым  затвором должно применяться для перемещения образца из помещения с нормальным давлением (в рабочую) вакуумную камеру и обратно.

       Опыт  эксплуатации таких  устройств и результаты информационного  поиска показали, что  желательно применять  простые в управлении, недорогие  и ремонтно-пригодные  конструкции. Блочность конструкции предложенного шлюзового устройства с шаровым затвором позволила решить эту задачу.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8. Список литературы 

1. Ю.В. Милосердин, Б.Д. Семенов, Ю.А. Кречко  «Расчет и конструирование приборов и установок».
2. А.В. Кузьмин, Н.Н. Макейчик, В.Т. Радкевич «Курсовое проектирование деталей машин».
3. К.Н. Боков, Г.М. Ицкевич, В. А. Киселев, С.А. Нернавский «Курсовое проектирование деталей машин».
4. Ю.А. Капралов, А.А. Кульбах «Инженерное проектирование (курсовой проект)».
5. Ю.А. Капралов, А.А. Кульбах «Вакуумные затворы и шлюзовые устройства».
6. Общие технические требования (ОТТ-87).
7. Р. И. Гжиров «Краткий справочник конструктора»
8. Лекционный материал Капралова Ю.А. 2004-2005 год.