Кинематический расчет привода

 

Введение

 

Технологическое оборудование разнообразно. В основу его классификации можно положить различные признаки: структуру рабочего цикла, степень механизации и автоматизации, принцип сочетания элементов машины в производственном потоке, функциональный признак. В зависимости от структуры рабочего цикла различают машины и аппараты периодического и непрерывного действия; от принципа сочетания в производственном потоке – отдельные (частные) машины и аппараты, агрегатные, комбинированные, автоматическую систему машин. По функциональному  признаку и характеру воздействия на обрабатываемый продукт различают машины и аппараты, в которых продукт, подвергаемый энергетическому воздействию не изменяет свойства, форму и размеры, машины и аппараты, в рабочих органах которых осуществляется физико-механические, биохимические изменения и создание готового продукта, машины и аппараты, в которых продукт подготовляется к реализации.

Также оборудование, применяемое на предприятии, может быть разделено на две группы: вспомогательное и основное.

К основному относится оборудование, которое выполняет заданный технологический процесс и непосредственно контактирует с сырьем.

Вспомогательное оборудование обеспечивает нормальную работу основного, т.е. выполняет функции транспортирования, подъема, резервирования сырья.

Предприятия перерабатывающей промышленности нашей страны представлены широким спектром технологического оборудования. В курсовом проекте представлен расчет привода установки дозирующей УДС-150.

Привод установки дозирующей УДС-150 состоит из электродвигателя, цепной передачи, кожуха передачи, червячного редуктора, зубчатой передачи, одной пары подшипников каченя, сварной рамы.

С электродвигателя вращающий момент через цепную передачу подается на входной вал редуктора. Выходной вал редуктора через зубчатую передачу передает вращение на приводной вал установки дозирующей УДС-150.

 

 

 

1 Кинематический расчёт привода

 

 

Рисунок  1 - Кинематическая схема привода

 

Привод установки дозирующей УДС-150:

;

 

 

Рассчитаем общий КПД привода :

,                                              (1)           

где  = 0,9 – КПД червячного редуктора;

      =0,94 – КПД цилиндрической открытой зубчатой передачи;

      =0,93 – КПД цепной передачи;

      =0,99 – КПД подшипников качения.

Значения КПД отдельных элементов привода определяем по таблице 1.1 [1].

      

.

Определим требуемую мощность электродвигателя Nтр , кВт:

.                                                       (2)

кВт.

Определяем общее оценочное передаточное число привода :

                                  ,                                              (3)

где =8 80 – диапазон приемлемых передаточных отношений червячного редуктора;

      =3 4 - диапазон приемлемых передаточных отношений цилиндрической зубчатой передачи;

      =2 4 - диапазон приемлемых передаточных отношений цепной передачи [таблица 2.2; 3].

=(2 4) (8 80) (3 4)=(48 1280).

Определяем частоту вращения приводного вала n, мин-1:

                                           .                                                           (4)

  мин-1.

Определяем приемлемую частоту вращения вала электродвигателя , мин-1:

                                        .                                                       (5)

 мин-1.

Стандартный электродвигатель выбираем исходя из двух условий:

;      

Этим условиям удовлетворяет электродвигатель 4А112М4У3 ГОСТ 12139–84       [таблица 3.1; 1]. Для него =5,5 кВт, =1450 мин-1.

Определяем действительное передаточное отношение привода и:

                          .                                                        (7)

Выбираем стандартное значение передаточного отношения цилиндрического  редуктора uчр =12,5 [с. 500, 2] и стандартное передаточное отношение зубчатой передачи uцзп=3,15 [с.181, 4].

Следовательно,

=1,93.

 

Определяем частоту вращения n, мин -1, угловую скорость ω, рад/с, мощность N, Вт, и крутящий момент T, Н·м на валах привода:

1) вал электродвигателя:

;

;

;

.

2) быстроходный  вал редуктора:

;

;

;

.

3) тихоходный  вал редуктора:

;

;

;

.

4) вал шестерни зубчатой передачи:

;

;

;

.

 

Таблица 1 – Параметры на валах

 

	I вал	II вал	III вал	IV  вал
Мощность, кВт	5,39	5,01	4,5	4,2
Угловая скорость, рад/с	151,77	78,64	6,29	2,0
Крутящий момент, Н·м	35,5	63,7	715,4	2100
Частота вращения, мин-1	1450	751,3	60,1	19,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Расчёт передач

2.1 Расчет цепной передачи

 

 Определение числа зубьев звездочки

Число зубьев малой (ведущей) звездочки определяем исходя из передаточного             отношения цепной передачи. 

При uцп=1,93

Число зубьев ведущей звездочки:

z3=31-2

uцп =31-2 1,93= 27,14 > zmin =13→ z1=27;

Число зубьев ведомой звездочки

z4 = z1

uцп  = 52,11< 120 – условие соблюдается→ z2=52;

Определение коэффициента эксплуатации:

Кэ=Кд Ка Кн Крег Ксм Креж= 1∙1∙1∙1,25∙1,5∙1=1,875 < 3 – условие соблюдается,

 

где Кд	коэффициент, учитывающий динамичность нагрузки.  При спокойной  нагрузке Кд =1;
Ка –	коэффициент, учитывающий межосевое расстояние. При а=(30…50)∙t Ка = 1;
Кн –	коэффициент, учитывающий наклон линии центров звездочек к горизонтали. При угле к горизонтали до 60° Кн =1;
Крег –	коэффициент, зависящий от способа регулировки натяжения цепи. Для нерегулируемых передач  Крег = 1,25;
Ксм –	коэффициент, учитывающий характер смазки. При периодической смазке Ксм = 1,5;
Креж –	коэффициент, зависящий от продолжительности работы в сутки.  При односменной работе Креж =1.

 Определение ориентировочного значения шага цепи:

         Среднее допускаемое давление в шарнирах цепи при =151,77 рад/с

24,53 МПа    [таблица 4.5, с.47, 5]:

Ориентировочное значение шага цепи:

13,11 мм,

где  T1 – крутящий момент на ведущей звездочке, Н∙м;

mp – коэффициент, учитывающий число рядов цепи, для однорядной  mp = 1,0.

Ближайшее стандартное значение шага t приводных однорядных цепей: 12,7; 15,875; 19,05. Дальнейший расчет ведем в табличной форме (см. таблицу 2).

 

 

 

Таблица 2 - Расчет цепной передачи

N	Расчетная формула	Значение по вариантам
		12,7	15,875	19,05
1	Условное обозначение цепи.	ПР  12,7-1820	ПР 15,875-2270	ПР 19,05-3180
2	Параметры цепи:    -    шаг цепи t ,мм разрушающая нагрузка Q,H масса 1м цепи q кг/м ширина внутреннего звена В вн, мм -   диаметр оси d, мм	12,7 17860 0,65 5,4 4,45	15,875 22270 0,8 6,48 5,08	19,05 31200 1,9 12,7 5,96
3	Межосевое расстояние ао =40∙t , мм	508	635	762
4	Площ. проекции опорной пов.шарнира	34,8	47,7	109,8
5	Диаметры делительных окружностей звездочек , мм , мм	109,5   210,4	136,8   263,1	164,2   315,7
6	Средняя скорость цепи , м/с	8,31	10,38	12,46
7	Окружное усилие , Н	648,62	519,27	432,58

 

 

Продолжение таблицы 2

N	Расчетная формула	Значение по вариантам
		12,7	15,875	19,05

8	Расчетное давление в шарнирах цепи  МПа 24,53 МПа	34,9 Условие не соблюдает-ся	20,4 Условие соблюдает-ся	7,4 Условие соблюда-ется
9	Натяжение цепи от центробежной силы , H	–	86,2	294,98
	Натяжение от провисания цепи Kf – коэффициент , учитывающий угол наклона             межосевой линии к горизонту, Kf=6 g- ускорение свободного падения м/с2 а- межосевое расстояние , м	–	29,9	85,2
10	Расчетный коэффициент безопасности , -допускаемый коэффициент безопасности	–	35,1 11,7	38,4 14
11	Ориентировочное значение межосевого расстояния	–	635	762
12	Число звеньев цепи (округленное до ближайшего  целого)	–	120	120
13	Уточненное межосевое расстояние , мм	–	635,8	763

 

 

Продолжение таблицы 2

N	Расчетная формула	Значение по вариантам
		12,7	15,875	19,05
14	Монтажное межосевое расстояние а м = 0,996∙а, мм	–	633,3	159,9
15	Нагрузка на валы Qв = 1,15∙ Кg ∙ Ft , H	–	597,2	497,5

 

Для  заданных  условий  работы  пригодны  цепи  с  шагом  t=15,875 и t=19,05; целесообразнее  цепь с  шагом  t=19,05 мм,  так  как  она  обеспечивает  наименьшее  давление  в  шарнирах, имеет  наибольший  запас прочности и оказывает наименьшую нагрузку на валы. Исходя из этих соображений, можно принять цепь ПР-19,05-31200 ГОСТ 13568-75, но, исходя из наименьших габаритов передачи, веса и стоимости, принимаем цепь ПР 15,875-2270         ГОСТ 13568-75.

 

 

2.2 Расчет открытой цилиндрической прямозубой зубчатой передачи

 

Запишем необходимые данные для расчета зубчатой передачи:

Т3= Нм

рад/с

 =3,15

2.2.1 Выбор материала зубчатых колес

По таблице 2.1 [5] принимаем материал для шестерни и колеса.

 

Таблица 2.2.1 – Механические свойства стали

	Марка стали	Твердость НВ	Термообработка
Шестерня	45	194 - 263	улучшение
Колесо	45	173 -241	нормализация

 

 

 

 

 

 

Для лучшей приработки зубьев при твердости до 350 НВ рекомендуется иметь твердость шестерни больше твердости колеса не менее чем на 20…30 единиц, т.е.

НВ1НВ2+20…30

НВ1

НВ2

НВ1 - НВ2 = 228,5 – 207 = 21,5

 

2.2.2 Напряжения изгиба

Допускаемое напряжение изгиба определяется по формуле:

 

где – предел выносливости при изгибе;

Определяем значения для шестерни и колеса [таблица 3.1, 5]:

шестерня: МПа

колесо:   МПа

 – коэффициент, учитывающий  влияние двухстороннего приложения  нагрузки (принимаем  = 1 – при односторонней нагрузке);

  - коэффициент безопасности;

где - коэффициент, учитывающий нестабильность свойств материала зубчатого колеса и ответственность зубчатой передачи:

Принимаем

- коэффициент, учитывающий способ  получения заготовки зубчатого  колеса ( для литых заготовок);

- коэффициент долговечности, учитывающий  влияние срока службы и режима  работы (принимаем).

Таким образом:

для шестерни:   МПа

для колеса   МПа

 

2.2.3 Ориентировочное значение модуля:

 

- вспомогательный коэффициент

           - для прямозубых передач;

  - коэффициент ширины шестерни  относительно диаметра.

  - для консольного расположения колеса относительно опор.

Принимаем [таблица 4.1, 5]

z1 - число зубьев шестерни. 

Принимается из условия неподрезания - z117

Принимаем значение z1=22.

 – число зубьев колеса.

- коэффициент неравномерности  распределения нагрузки.

Принимается по графику [рисунок 4.2, 5], в зависимости от параметра

 

- коэффициент формы зуба.

Определяется по графику [рисунок 5.1, 5], в зависимости от     для колеса и шестерни, где β – угол наклона зубьев (β=0 для прямозубых колес).

Для шестерни:

Для колеса:

 

 

Далее расчет выполняется по тому из зубчатых колес (шестерни или колесу),

у которого меньше отношение :

 

 

 

Следовательно, далее расчет ведем по шестерне.

 

Определяем значение модуля:

  мм

Полученное значение округляем по ГОСТ 9563-60 [таблица 4.3, 5]:

 

 

2.2.4 Ориентировочное значение диаметра начальной окружности шестерни:

=227154  мм

2.2.5 Расчетная ширина шестерни:

154 мм

2.2.6 Коэффициент осевого перекрытия:

=0 (т.к. β=0)

2.2.7  Диаметр начальных окружностей:

  мм

  мм

2.2.8 Межосевое расстояние:

=  мм

2.2.9 Диаметр вершин:

  мм

мм

2.2.10 Диаметр впадин:

  мм

  мм

2.2.11 Окружная скорость:

 м/c

         2.2.12 Усилия, действующие в зацеплении.

Определяются по зависимостям, указанным в таблице 4.5 [5].

Окружная сила:

  Н

 

  Н

Осевая сила:

Fa=0 – для прямозубой передачи.

Радиальная сила:

 

где - угол зацепления определяется по формуле:

 

- угол профиля зуба tg (т.к. β=00, а cos 00=1)

 

Следовательно,

  Н

 

    Н

 

Проверочный расчет по напряжениям изгиба

 

где   

           (по пункту 3.5);

           – коэффициент, учитывающий перекрытие зубьев;

 

где – коэффициент среднего изменения суммарной длины контактных линий. При расчетах с достаточной точностью можно принять

- коэффициент торцового перекрытия

 

 

 – коэффициент, учитывающий  наклон зуба ( для прямозубых передач);

(по пункту 12.1) – окружная сила  на начальной окружности;

  мм (по пункту 5) – рабочая  ширина венца зубчатой передачи;

  (по пункту 3.6) – расчетный  модуль зацепления;

- коэффициент нагрузки

 

 – коэффициент, учитывающий  внешнюю динамическую нагрузку. Принимается [таблица 7.1, 5] - ;

- коэффициент, учитывающий динамическую нагрузку, возникающую в зацеплении. Принимаем [таблица 7.2 , 5] - ;

- коэффициент, учитывающий неравномерность  распределения нагрузки по ширине венца. Принимается по графику [рисунок 4.2, 5] - ;

 – коэффициент, учитывающий  распределение нагрузки между  зубьями. Для прямозубых колес  .

 

  Н

 

 

 

 

Провели расчет всех геометрических параметров и проверочный расчет по напряжениям изгиба. Так как расчетное значение напряжения изгиба не превышает допускаемое значение , то передача рассчитана правильно.

 

 

 

 

 

3  Подбор стандартных изделий и деталей

 

Выбор червячного редуктора

 

Червячный  редуктор  выбирается  по 4  параметрам:  передаточное отношение (должно быть стандартным), частота вращения вала и мощность на быстроходном валу, крутящий момент на тихоходном валу:

            uчр=12,5 ;

            N2 = 5,01 кВт ;

            мин-1;

 Т3 =715,4  Н м.

Выбираем  червячный  редуктор  с  межосевым расстоянием 160 мм, передаточным числом 12,5, выполненным по схеме сборки 2 с верхним расположением червяка (исполнение 2) без лап (исполнение 1). Его обозначение  РЧУ – 160 – 12,5– 2 – 2 – 1  ГОСТ 13563 - 68. Для  него передаточное  отношение  равно 8,  частота  вращения  быстроходного  вала 1000 мин-1,  мощность  на  быстроходном  валу 11,6  кВт,  крутящий  момент на тихоходном валу 1280 Н·м [таблица 26, с.501, 7]

 

 

Выбор и расчет шпоночных соединений

 

Расчет шпоночных соединений необходимо произвести по напряжениям смятия и среза.

Рассчитаем диаметр приводного вала:

 

[τ]-допускаемое напряжение на кручение, [τ]=25…40 .

Принимаем [τ]=40 МПа.

T4=2100 Нм

  мм

По ГОСТ 6639-69 принимаем диаметр приводного вала d=67 мм

Для диаметра 67 следующие параметры: b=20 мм, h=12 мм, t=7,5 мм.

 Нм

[τср] =87 МПа

=130…180 МПа

Принимаем =150 МПа

 

 p сммм

Проверяем условие прочности на срез:

τср [τср]

lp. ср=  мм

lp см lp ср

Полную длину шпонки определяем по значению lp см:

l= lp см+b=92,9+20=112,9 мм

Таким образом, принимаем к установке две призматические шпонки 201263 по ГОСТ 23360-78 (по таблице 5.1 [4]).

 

 

4   Рекомендации по выбору масла и смазки узлов привода

 

Смазывание узлов уменьшает потери на трение, предотвращает повышенный износ и нагрев деталей, а также предохраняет детали от коррозии. Снижение потерь на трение обеспечивает повышение КПД редуктора.

Смазывание червячного редуктора осуществляется погружением в масляную ванну зубчатого колеса. Глубина погружения обычно не превышает 0,25 радиуса колеса. Объем масляной ванны составляет (0,3-0,8) дм3/кВт. Для смазки червячного редуктора – индустриальное «И-50А» ГОСТ 20799-75.

Для сохранения физико-химических свойств масла при длительной эксплуатации, а так же для лучшего его отстоя, в смазочную систему добавляют баки-отстойники емкостью от 8 до 20-кратной минутной производительности насоса. Масло подается сверху не зависимо от направления вращения зубчатых колес. Давление в смазочной системе поддерживается примерно 1…1,5 атм., на выходе из сопла – 0,5…0,8 атм.

Для смазки подшипников приводного вала в крышках для подвода смазки выполняют канавки, а на торце делают один-два паза. В стаканах также выполняют канавки и сверлят одно-два поперечных отверстия. Для смазки подшипников приводного вала принимаем пластичную смазку ЦИАТИМ-201, которую закладываем в подшипники при сборке.

Для открытой цилиндрической зубчатой передачи принимаем периодическую смазку, так как окружная скорость движения зубчатых колес меньше 4 м/с, но больше 0,5 м/с, в нашем случае скорость равна 1,73 м/с. Периодическая смазка проводится раз в 6-8 часов. Для смазки открытой цилиндрической принимаем пластическую смазку ЦИАТИМ-203,   ГОСТ 8773-73. Смазочный материал с улучшенными  противозадирными свойствами по сравнению со смазкой ЦИАТИМ-201.Для механизмов, работающих в условиях высоких удельных нагрузок и диапазоне температур от -50 до +90˚С.

В среднескоростных цепных передачах, не имеющих герметичных картеров, можно применять пластичное внутришарнирное или капельное смазывание.  Пластичное внутришарнирное смазывание осуществляется периодически, через 120-180 часов, погружением цепи в масло, нагретое до температуры, обеспечивающей его разжижение. Пластичный смазочный материал применяют при скорости цепи до 4 м/с, а капельное смазывание – до 6 м/с. Для смазывания цепной передачи мы использовали периодическую смазку.  Для смазки открытой цепной передачи используется смазка солидол ГОСТ 21188-89.

 

 

 

 

5 Краткое описание порядка сборки, работы и обслуживания привода

 

Порядок сборки привода описывается по сборочным чертежам.

В начале в шпоночный паз вала электродвигателя закладывается шпонка, насаживают ведущая звездочка в осевом направлении. Затем электродвигатель устанавливают на натяжную плиту и закрепляют болтом, на натяжную плиту наживляют болтовые соединения. На быстроходный вал редуктора посредством шпонки насаживают ведомую звездочку, устанавливают редуктор на раму и надевают цепь, натяжение происходит путём перемещения электродвигателя по раме при помощи натяжной плиты. Закрепляют редуктор и натяжную плиту на раме при помощи болтовых соединений.

В шпоночный паз тихоходного вала редуктора закладывают шпонку, насаживают шестерню в осевом направлении. Затем на приводной вал посредством шпонки устанавливают зубчатое колесо, закрепляют его при помощи концевой шайбы, болта и штифта.

Крутящий момент от вала электродвигателя передаётся на входящий вал редуктора через цепную передачу, далее крутящий момент передаётся от тихоходного вала редуктора на приводной вал через зубчатую передачу.

При сборке привода в шарикоподшипники приводного вала закладываем пластичную смазку ЦИАТИМ-201.

После установки всех элементов привода осуществляется монтаж защитных кожухов на цепную и зубчатую передачи, выполняется контроль уровня масла в редукторе, смазка открытой зубчатой передачи и цепной.

Привод  устанавливается на прочное, тщательно выровненное основание. В обязательном порядке раму привода закрепляют анкерными болтами во избежание смещения от заданного проектного положения в процессе эксплуатации.

Расположение и установка оборудования в технологическом цехе осуществляется с соблюдением следующих условий: последовательность расстановки оборудования по технологической схеме, обеспечение удобства и безопасности обслуживания и ремонта, максимального естественного освещения и поступления свежего воздуха.

 

 

 

 

 

 

6 Требования техники безопасности к проектируемому объекту

 

Важную роль в обеспечении безопасной эксплуатации оборудования принадлежит его конструкции, оснащенной необходимой контрольно-измерительной аппаратурой, приборами безопасности, блокировочными устройствами, автоматическими средствами сигнализации и защиты, позволяющими контролировать соблюдение нормальных режимов технологического процесса, а также исключающими возможность возникновения аварий  и несчастных случаев.

В процессе работы категорически запрещается техническое обслуживание привода (устранение неполадок, доливка или смена масла в редукторе, смазка зубчатой и цепной передач).

Конструкция привода должна обеспечивать безопасную эксплуатацию. Элементы механической и электрической части машины выполняются в требуемом климатическом исполнении. В обязательном порядке устанавливается защитное заземление.

Цепную и зубчатую передачи привода снабжаются защитными кожухами.

Привод  устанавливается на прочное, тщательно выровненное основание. В обязательном порядке раму привода закрепляют анкерными болтами во избежание смещения от заданного проектного положения в процессе эксплуатации.

Расположение и установка оборудования в технологическом цехе осуществляется с соблюдением следующих условий: последовательность расстановки оборудования по технологической схеме, обеспечение удобства и безопасности обслуживания и ремонта, максимального естественного освещения и поступления свежего воздуха.

 

 

 

 

Литература

 

1. Методические указания к курсовому проекту по курсу «Детали машин и основы конструирования» для студентов специальностей Т.05.04. и Т.05.07., «Кинематический расчет привода» / В.Г. Харкевич, В.А. Кеворкянц. – Могилев, 1999.
2. Анфимов М.И. Редукторы. Конструкции и расчет: Альбом – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1993. – 464 с.: ил.
3. Методические указания к курсовому проекту по курсу «Прикладная механика» для студентов технологических специальностей в 2-х частях, часть 1. / В.А. Кеворкянц, В.Н Попов, А.Е Покатилов. – Могилев, 2006.
4. Детали машин в примерах и задачах: [Учебное пособие Д 38 / С.Н. Ничипорчик, М.И. Корженцевский, В.Ф. Калачев и др.]; Под общ. Ред. С.Н. Ничипорчика. – 2-е изд. – Мн.: Выш. школа,  1981 – 432 с., ил.
5. Методические указания к курсовому проекту по курсу «Детали машин и основы конструирования» для студентов специальностей Т.05.04.00 и Т.05.07.00 / «Расчет зубчатых передач» / В.Г. Харкевич, В.А Кеворкянц - Могилев, 1999.
6. Методические указания к курсовому проекту по курсу «Прикладная механика» для студентов технологических специальностей в 4-ех частях./ В.А. Кеворкянц, А.Е. Покатилов  – Могилев, 1991. – часть 2.
7. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя, 3 том. – М.:   Машиностроение  1979 г. – 557с.