КУРСОВОЙПРОЕКТ
подисциплине:
«Основыконструирования»
на тему:
Проектированиемеханизмов и узлов оборудования электрических станций
Введение
Данный курсовой проектявляется самостоятельной работой студента, в процессе которой приобретаются изакрепляются навыки по решению комплекса инженерных задач: выполнениекинематических, силовых и прочностных расчетов узлов и деталей энергетическогооборудования, выбор материалов, вида термической обработки и т.д.
Объектами курсовогопроектирования являются узлы и детали оборудования электростанций, а такжесистемы их обеспечения. Например, в качестве питательных устройств для подачиводы применяют центробежные и поршневые насосы. В качестве арматуры длярегулирования подачи теплоносителя или изменения его количества применяютзадвижки и вентили. Задвижки и вентили выполняют фланцевыми, безфланцевыми,присоединяемыми к трубопроводу сваркой, и т.д. Для подготовки и подачи топливаслужат пневмомеханические забрасыватели топлива, топки с движущейсяколосниковой решеткой, пылеприготовительные устройства, мельницы-вентиляторы, валковыемельницы, дисковые питатели и др.
Все эти устройства вбольшинстве случаев состоят из исполнительного рычажного механизма (ИМ) и имеютпривод, объединяющий электродвигатель 1, передачу гибкой связью 2 или зубчатую3 и соединительные муфты 4 (Рис.2).
1. Исходные данные
Таблица 1Геометрические параметры
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/> 10 110 450 130 Силовые факторы Схема
/>
/>
/>
/>
/>
/> 2 1100 110 1200 120 400 –
/>
Рис.1 – Положениеплоского рычажного механизма
/>
Рис.2 – Типовой привод оборудованияс передачами с гибкой и зубчатой связями
2. Кинематический анализмеханизма
Произведем структурныйанализ рычажного механизма. Степень подвижности плоского механизма рассчитаем поформуле Чебышева:
/>; />.
· число подвижныхзвеньев: />;
· числокинематических пар: />.Пара Звено Класс Вид
/>
/> 5 вращ.
/>
/> 5 вращ.
/>
/> 5 вращ.
/>
/> 5 пост.
Рассчитаем степеньподвижности плоского механизма без ведущего звена:
/> – 2 класс, 2 вид; />.
/>
Рис.3 – Положениеплоского рычажного механизма без ведущего звена
Рассчитаем степеньподвижности ведущего звена:
/> – 1 класс. Общий класс механизма– 2.
/>
Рис.4 – Положение ведущегозвена плоского рычажного механизма
2.1 Расчет скоростей
Построим схему заданногорычажного механизма в тринадцати положениях с шагом /> в следующем масштабе:
/>.
Составим векторнуюсистему уравнений, используя теорему об относительном движении:
/> />; />.
Определим масштаб дляпостроения плана скоростей:
/>
Зная величину инаправление вектора скорости />, а также зная линии действиядругих векторов скоростей, составим 13 планов скоростей механизма используяграфо-аналитический метод.
Полученные результатысведем в таблицу 2:
Таблица 2
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/> 1. 50 1,1 52,39 1,15 2,56 26,2 0,58 15,64 0,34 2. 50 1,1 43,94 0,97 2,15 30,27 0,67 17,26 0,38 3. 50 1,1 24,94 0,55 1,22 44,22 0,97 41,5 0,91 4. 50 1,1 50 1,1 5. 50 1,1 25,14 0,55 1,23 45,9 1,01 45,05 0,99 6. 50 1,1 43,92 0,97 2,15 35,93 0,79 32,35 0,71 7. 50 1,1 52,31 1,15 2,56 26,13 0,57 15,29 0,34 8. 50 1,1 47,4 1,04 2,32 26,24 0,58 5,72 0,13 9. 50 1,1 28,87 0,64 1,41 38,19 0,84 28,87 0,64 10. 50 1,1 50 1,1 11. 50 1,1 28,87 0,64 1,41 52,04 1,14 57,74 1,27 12. 50 1,1 47,4 1,04 2,32 40,77 0,9 44,28 0,97 13. 50 1,1 52,39 1,15 2,56 26,2 0,58 15,64 0,34
2.2 План ускорений
План ускорений строим дляположения механизма № 6. Составим векторную систему уравнений для построенияплана ускорений:
/>
/>.
/> направлен по линии /> от /> к />.
/>.
/> направлен по линии /> от /> к />.
/>; />; />; />.
Определим масштаб дляпостроения плана ускорений:
/>.
Зная величину инаправление векторов ускорения /> и />, а также зная линии действиядругих векторов ускорений, составим план ускорений механизма, используя графоаналитическийметод.
Полученные в результате построенияотрезки векторов /> и /> умножаем на масштаб /> для получениядействительного значения ускорений:
/>;
/>, тогда />.
3. Силовой анализмеханизма
План сил строим дляположения механизма № 6. Силовой анализ механизма начинаем с рассмотренияотсоединенной структурной группы 2–3 второго класса, второго вида. Дляопределения /> рассмотримусловие равновесия второго звена аналитическим методом:
/>;
/>;
/>.
Направление и численныезначения /> и/> определимиз условия равновесия структурной группы:
/>;
/>.
Для построения плана силнеобходимо выбрать масштаб:
/>;
/>; />.
Полученные в результатепостроения отрезки векторов умножаем на масштаб для получения действительногозначения сил:
/>;
/>;
/>.
Для определения /> рассмотримусловие равновесия третьего звена:
/>;
/>;
/>.
Для определения /> во внутреннейпаре /> (шарнир)рассмотрим условие равновесия третьего звена:
/>;
/>.
Найдем графически изпостроения:
/>; />.
Из условия равновесияпервого звена определяем уравновешивающую силу />:
/>;
/>;
/>.
Для определениянаправления и численного значения /> используют условие равновесияпервого звена:
/>;
/>.
Выберем новый масштаб:
/>.
/>; />;
/>.
4. Расчетуравновешивающих сил методом рычага Жуковского
Используя теорему «Орычаге Жуковского» переносим с поворотом на /> все силы, действующие намеханизм, на план скоростей в соответствующие точки:
/> – уравновешивающая сила, действующаяв точку />;
/> – сила, действующая на второезвено в точку /> />;
/> – сила, действующая на третьезвено в точку /> />;
/> – действующий момент представляемкак пару сил, которые равны:
/>.
Из плана скоростей определяемуравновешивающую силу, исходя из условия равновесия плана скоростей для каждогоположения механизма:
/>.
Положение 1, 13:
/>
/>
/>
Положение 2:
/>
/>
/>
Положение 3:
/>
/>
/>
Положение 4:
/>
/>
/>
Положение 5:
/>
/>
/>
Положение 6:
/>
/>
/>
Положение 7:
/>
/>
/>
Положение 8:
/>
/>
/>
Положение 9:
/>
/>
/>
Положение 10:
/>
/>
/>
Положение 11:
/>
/>
/>
Положение 12:
/>
/>
/>
Полученные результатысведем в таблицу 3.
Таблица 3
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/> 1. 1100 15 1200 14 889 48 889 5 -276 0,11 30,36 2. 1100 29 1200 15 889 47 889 3 -504 0,11 55,44 3. 1100 29 1200 36 889 28 889 3 -670 0,11 73,7 4. 1100 19,5 1200 43,5 889 889 -615 0,11 67,65 5. 1100 6,6 1200 39,1 889 22 889 3,2 -345,14 0,11 37,97 6. 1100 4,4 1200 28,1 889 38,2 889 5,7 9 0,11 -0,99 7. 1100 15,3 1200 13,3 889 47,8 889 4,5 274 0,11 -30,14 8. 1100 26,2 1200 5 889 49,7 889 2,3 386 0,11 -42,46 9. 1100 35,7 1200 25,1 889 43,3 889 14,5 329 0,11 -36,19 10. 1100 39,5 1200 43,4 889 889 173 0,11 -19,03 11. 1100 30,7 1200 50,12 889 889 28,95 -13 0,11 1,43 12. 1100 11,2 1200 38,4 889 29,3 889 18,03 -166 0,11 18,26 13. 1100 15 1200 14 889 48 889 5 -276 0,11 30,36
5. Расчет элементов привода
Исходные данные:
/>
/> 74 10
5.1 Выборэлектродвигателя
Номинальная мощностьэлектродвигателя:
/>.
Требуемая мощностьэлектродвигателя:
/>,
где /> – коэффициент полезногодействия привода;
/> – номинальная мощность, />.
По каталогам выбираем электродвигательс ближайшей большей номинальной мощностью /> и номинальной частотой вращенияротора />.
Характеристики выбранногоэлектродвигателя:
· Двигательасинхронный трехфазный, марки 4А90В8УЗ;
· />;
· />;
· />;
· />.
Передаточное отношениепривода:
/>, где />.
/>
Принимаем />, тогда />.
5.2 Расчет диаметра вала
Диаметр вала /> передаточногоили исполнительного механизма определяется по следующей зависимости:
/>, где />;
/>.
Полученное значениеокруглим до ближайшего большего значения стандартного ряда диаметров. Принимаем/>.
5.3 Расчет фланцевоймуфты
Расчетный вращающиймомент
/>
где /> – коэффициент режимаработы.
Соотношения междуразмерами муфты
· наружный диаметр:
/>. Тогда выберем />;
· диаметр ступицы:
/>;
· общая длина:
/>.
Тогда выберем />;
Материал муфты приокружной скорости на наружных поверхностях фланцев /> выбираем Сталь 45.
Расчет болтовогосоединения
Окружная сила на болты отдействия вращающего момента:
/>
где /> – диаметр окружностицентров болтов.
/>.
Сила, приходящаяся наодин болт:
/>
где /> – назначенное числоболтов.
Допускаемые напряженияустанавливаем в зависимости от выбранного материала:
· допускаемыенапряжения на срез:
/>;
· допускаемыенапряжения на смятие:
/>.
Рассчитываем диаметрболта по следующей зависимости:
/>,
где /> – число плоскостейсреза болта.
Принимаем болт сближайшим большим стандартным диаметром />. Выбираем болт по ГОСТу 7796-70,а именно болт М6:
/>
/>
/>
/>
/> – длина болта, />
/> - длина резьбы, /> 6 10 11,1 4 30 18
Выбираем соответствующуюгайку и шайбу:
/> Гайка Шайба
/>
/>
/>
/>
/> 6 10 10,9 5 6,1 1,4
Назначаем посадочныйдиаметр болта в отверстие полумуфты (рекомендуемая посадка – />):
/>.
Толщину дисков полумуфтыфланцевой муфты принимаем из конструктивных соображений: />.
Вычисляем напряжениясмятия и сравниваем с допускаемыми:
/>
т.о. условие соблюдается.
5.4 Расчетпредохранительного устройства
Момент /> срабатывания муфты вкачестве предохранительного устройства:
/>,
где /> – коэффициент запаса.
5.5 Расчет посадкиполумуфты на вал
Расчет соединения снатягом
Диаметр соединения />, условныйнаружный диаметр ступицы />, вал сплошной />, /> – длина ступицы, классточности изготовления (обычно 2-ой или 3-ий), шероховатости вала и отверстия /> /> />.
Значение коэффициентатрения зависит от способа сборки, удельного давления, шероховатостиповерхности, рода смазки поверхностей применяемой при запрессовке деталей,скорости запрессовки и прочие. В расчетах принимаем: /> – сборка прессованием.
Определяем давление,обеспечивающее передачу заданной нагрузки:
/>,
где />.
Определим расчетный натягпри значениях коэффициентов Пуассона /> и модулей упругости />:
/>
где /> и /> - масштабныекоэффициенты.
/>;
/>;
Определяем минимальныйтребуемый натяг с учетом шероховатости:
/>.
Намечаем посадку:
Ø28 />; Ø28 />; Ø28 />;
/>; />.
Т.к. />, то данная посадка подходит.
Определяем наибольший вероятныйнатяг без учета сглаживания микронеровностей:
/>.
Максимальное давление вконтакте:
/>.
Определяем окружные ирадиальные напряжения:
/>;
/>.
Выбираем предел текучестидля материала с меньшей прочностью (для Сталь 45): />.
Т.к. />, то условие прочностивыполняется.
Усилие запрессовки:
/>,
где /> – давление, которое рассчитывается при />:
/>.
5.6 Расчет шпоночного изубчатого соединения
Расчет шпоночногосоединения
Применяем ненапряженноесоединение с помощью призматической шпонки. Размеры в соединении выбираем постандарту. Стандартные шпонки изготавливают из специального сортамента (ГОСТ8787-68 и 8786-68) среднеуглеродистой чисто тянутой Стали 45.
Допускаемые напряжения внеподвижных шпоночных соединениях:
/>.
По диаметру вала /> выбираем поГОСТу 23360-78 размеры сечения призматической шпонки />, а также глубину паза вала /> и втулки />.Размер шпонки Глубина паза Вал Втулка
/>
/>
/>
/>
/> 8 7 50 4 3,3
Рассчитаем длину ступицы />:
/>.
Длину шпонки /> принимаем на /> меньше длиныступицы />:
/>.
Рассчитаем рабочую длинушпонки со скруглениями:
/>.
Проверочный расчетвыбранной шпонки выполняем для наименее прочного элемента шпоночногосоединения.
Расчет проводим поусловию прочности на смятие:
/>.
Расчет зубчатогосоединения
Применяем прямобочное шлицевоесоединение, основные размеры которого регламентированы ГОСТом 6033-80. Подиаметру вала выберем размеры шлицевого соединения легкой серии:
Диаметр вала
/>
/>
/>
/>
/> 28 32 7 6 0,3
Для неподвижногосоединения, средних условий эксплуатации допускаемые напряжения смятия дляповерхности зуба:
/>.
Проверим соединение насмятие:
/>,
где /> – средний диаметрсоединения;
/> – рабочая высота зубьев;
/> – длина соединения;
/> – коэффициент, учитывающий неравномерностьраспределения нагрузки между зубьями.
6. Расчет вала иподшипников качения
Исходные данные:
/>
/>
/> 670 74 10
6.1 Расчет вала
Ориентировочнаявзаимосвязь между указанной исходной величиной и другими геометрическимипараметрами вала:
/>;
/>;
/>;
По полученному врезультате предварительного расчета значению /> произведем выбор подшипника легкойсерии диаметров (ГОСТ 8338-75):Условное обозначение
/>
/>
/>
/>
/> 208 40 80 18 32,0 17,0
Для крышки выбираемманжету /> поГОСТу 8752-79.
Под отверстия выбраннойкрышки выбираем болты по ГОСТу 7796-70, а именно болты М8:
/>
/>
/>
/>
/> – длина болта, />
/> - длина резьбы, /> 8 12 13,1 5 25 25
Выбираем соответствующие пружинныешайбы по ГОСТу 6402-70:
/> Шайба
/>
/> 8 8,2 2,0
6.2 Поверочный расчетвала
Рассчитаем реакции опор:
/>;
/>; />,
где />; />.
/>;
/>; />.
Проведем проверку:
/>;
/>; />.
Построим эпюры изгибающихи крутящих моментов:
/>;
/>;
/>;
/>;
/>; />;
/>
/>;
/>.
Выбираем несколько опасныхсечений, которым соответствуют наибольшие ординаты эпюр и в которых имеютсяконцентраторы напряжений:
/>;
/>.
Для каждого из отобранныхсечений рассчитываем критерий напряженности:
/>,
где /> – усредненный коэффициент концентрации при изгибе икручении в данном сечении;
/> – изгибающий момент рассматриваемогосечения;
/> – крутящий момент;
/> – момент сопротивления изгибу.
/>;
/>;
/>;
/>;
/>.
Сечение, для которого /> имеетмаксимальное значение, считается наиболее опасным и подлежит дальнейшемурасчету.
Назначим материал вала – Сталь45.
Установим пределывыносливости для материала вала при симметричном цикле изгиба и кручения:
/>
/>.
где /> – предел прочности материала.
В опасном сечении валаопределим расчетный коэффициент запаса прочности:
/>,
где /> и /> – коэффициенты запаса по нормальным икасательным напряжениям:
/>
/>.
Параметры симметричногоцикла изменения напряжения при изгибе:
· амплитуда:
/>,
где /> – изгибающий момент в опасном сечении;
· среднее значениецикла:
/>.
Амплитуда и среднеезначение от нулевого цикла изменения напряжения при кручении:
/>,
где />.
Эффективные коэффициентыконцентрации напряжений детали определяю из выражений:
/>;
/>,
где />; /> – эффективные коэффициентыконцентрации напряжений при расчете на изгиб и кручение;
/>; /> – коэффициенты влияния абсолютныхразмеров поперечного сечения (масштабные факторы);
/>; /> – коэффициенты качества обработкиповерхности;
/> – коэффициент упрочняющей обработки;
/>; /> – коэффициенты чувствительности касимметрии цикла.
Сопоставляем расчетный коэффициентзапаса прочности /> c допустимым значением />:
/>.
6.3 Поверочный расчетподшипников качения на долговечность
Условие обеспечениядолговечности подшипника:
/>,
где /> – расчетная долговечность подшипника, />;
/> – установленный ресурс (заданный ресурс) подшипника, которыйравен:
/>.
Расчетная долговечностьподшипника определяется из соотношения:
/>
т. о. условие соблюдается.
где /> – динамическаягрузоподъемность;
/> – эквивалентная нагрузка;
/> – показатель степени для шарикоподшипников;
/> – частота вращения подшипника:
/>.
Эквивалентную нагрузкудля радиальных и радиально-упорных подшипников рассчитаем по следующей формуле:
/>,
где />; /> – радиальная и осеваянагрузка на подшипник;
/> – коэффициент вращения, привращении внутреннего кольца;
/> – коэффициент безопасности;
/> – температурный коэффициент, при />;
/> – для радиальныхшарикоподшипников.
/>6.4 Эпоры изгибающих и крутящих моментов
Рис.5 – Эпюры изгибающихи крутящих моментов
Список использованнойлитературы
1. Орлов В.А., Кравцов Э.Д. Детали машини основы конструирования: Конспект лекций. – Одесса: ОПИ, 1991;
2. Методические указания к курсовомупроектированию по курсу «Детали машин и основы конструирования» «Расчетзубчатых зацеплений, валов и подшипников цилиндрического редуктора» длястудентов всех специальностей /Сост.: В.А. Орлов, Э.Д. Кравцов. – Одесса: ОПИ,1993;
3. Курсовое проектирование деталей машин/В.Н. Кудрявцев и др. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984;
4. Цехнович Л.И., Петренко И.П. Атласконструкций редукторов. – К.: Вища шк., 1979;
5. Подшипники качения:Справочник-каталог /Под ред. В.Н. Нарышкина и Р.В. Коросташевского. – М.:Машиностроение, 1984.