Projektavimas ir Kinematinis Pavarų Skaičiavimas

Projektuojant mechaninius įrenginius, svarbus etapas yra pavarų kinematinis ir energetinis skaičiavimas. Šis procesas leidžia nustatyti optimalius pavaros parametrus, užtikrinant jos efektyvumą ir ilgaamžiškumą.

Įvadas

Mašinų projektavimo ir konstravimo tikslas yra paruošti dokumentaciją kuriamai konstrukcijai pagaminti, sumontuoti, išbandyti ir eksploatuoti. Projektavimu vadinamas bendras gaminio konstrukcijos sudarymas, konstravimu - detalus principinės schemos realizavimas, t. y. gaminio ir jo detalių formos, visų matmenų ir kitų parametrų nustatymas. Tiek projektavimo, tiek konstravimo rezultatas yra projektas.

Pavaros kinematinis skaičiavimas apima judesio ir greičių analizę, o energetinis skaičiavimas - jėgų ir galių paskirstymą bei nuostolius sistemoje.

1. Elektros variklio parinkimas

Pavaros mechanizmas paprastai pradedamas skaičiuoti, parenkant elektros variklį. Pradiniai duomenys yra duoti tokie:

Pagal šiuos duomenis atliekami kiti skaičiavimai variklio parinkimui.

1.1. Kinematinis skaičiavimas

Pasirenkame perdavimo skaičius. Sliekinei pavarai parenkame u1 = 30; atvirai krumplinei pavarai u2 = 2. Tada kampinis greitis (w) velenuose apskaičiuojamas pagal formulę:

w = w1 • u; (1.1)

Mūsų atveju gauname:

• Trečiojo veleno: w3 = 3,8 rad/s (duota);
• Antrojo veleno: w2 = w3 • u2 = 3,8 ∙ 2 = 7.6 rad/s;
• Pirmojo veleno: w1 = w2 • u1 = 7,6 ∙ 30 = 228 rad/s;

Suradę kampinį greitį, paskaičiuojame n - apsisukimų skaičių per minutę. 1 aps/min = 2π rad/min, tai:

• w3 = 4 rad/s = 3,8 ∙ 60 = 240 rad/min.
• w2 = 7,6 rad/s = 7,6 ∙ 60 = 480 rad/min.
• w1 = 228 rad/s = 228 ∙ 60 = 13680 rad/min.

Paskaičiuojame apsisukimų skaičių pagal formulę:

n = w / 2π (1.2)

• n3 = 240 / (2 ∙ 3,14) = 38,3 aps/min;
• n2 = 480 / (2 ∙ 3,14) = 76,4 aps/min.
• n1 = 13680 / (2 ∙ 3,14) = 2840 aps/min.

1.2. Pavaros naudingumo koeficientas

Paskaičiuojama bendras pavaros naudingumo koeficientas:

η = ηiš.pav • ηred • ηm = (0,94 • 0,99) • (0,70 • 0,994) • (0,98) = 0,65.

Čia:

• Movos - tampri pirštinė mova (naudingumo koeficientas lygus 0,98).
• Guolių poros naudingumo koeficientas lygus 0,99.
• Sliekinės pavaros su 1 pradžia η = 0,70 (tepalo vonioje).
• Krumplinės atviros pavaros η = 0,94.

1.3. Variklio galios skaičiavimas

Turime trečio veleno galingumą N3 = 3 kW. Reikalingas variklio galingumas bus:

N1 = N3 / (ηiš.pav • ηred • ηm)

Pasirenkame variklį, kuris labiausiai atitinka mūsų pavaros reikalavimus. Tai yra bendros paskirties asinchroninis elektros variklis su trumpai sujungtu rotoriumi. Jo techniniai duomenys:

Toliau viską skaičiuosime pagal pasirinkto variklio charakteristikas.

Pavaros velenų apsisukimų skaičius per minutę:

• Pirmo veleno n1 = nv = 2870 aps/min;
• Antro veleno n2 = n1 / u2 = 2870 / 2 = 1435 aps/min;
• Trečio veleno n3 = n2 / u1 = 1435 / 30 ≈ 47,8 aps/min.

Apsiskaičiuojame kiekvienam velenui perduodamą galingumą:

• Pirmam velenui N1 = Nv = 4,5 kW;
• Antram velenui N2 = Nv • η_movos_guoliai = 4,5 • 0,99 • 0,98 = 4,37 kW;
• Trečiam velenui N3 = N2 • η_krumplines = 4,37 • 0,94 = 4,11 kW;

η_movos_guoliai - movos ir guolių naudingumo koeficientas (0.99 * 0.98 = 0.97);

η_krumplines - atviros krumplinės pavaros naudingumo koeficientas (0.94).

1.4. Sukamojo momento (T) skaičiavimas

T1, T2, T3 - pirmo, antro ir trečio velenų sukimo momentai. Juos galime apskaičiuoti pagal formulę T = N / w.

Visus gautus duomenis surašome į lentelę:

2. Atviros cilindrinės krumplinės pavaros skaičiavimas

2.1. Kinematinis skaičiavimas

Reduktoriaus perdavimo skaičius pagal GOSTą 2185-55 (lentelė 16P) parenkamas u2 = 2.

Pavaros velenų kampiniai greičiai:

• Varančiojo veleno (antrasis velenas): w2 = 7.6 rad/s (1435 aps/min).
• Varomojo veleno (trečiasis velenas): w3 = 3.8 rad/s (47.8 aps/min).

Atviros krumplinės pavaros tipas: lėtaeigė - tiesiakrumplė.

2.2. Medžiagos ir leistini įtempimai

Krumplinės medžiagos pasirinkimas:

• Mažajam krumpliaračiui (antrasis velenas) pasirenkamas plienas 50Г, terminis apdirbimas - pagerinimas, kietumas HB 241.
• Didžiajam krumpliarčiui (trečiasis velenas) - plienas 40, terminis apdirbimas - normalizavimas, kietumas HB 152.

Iš lentelių parenkamos metalų mechaninės charakteristikos:

• Mažajam krumpliaračiui (z3): σB = 686 MN/m2, σT = 392 MN/m2 (santykinis ruošinio skersmuo bus iki 200 mm).
• Didžiajam krumpliaračiui (z4): σB = 530 MN/m2, σT = 265 MN/m2 (santykinis ruošinio skersmuo bus iki 300 mm).

Tai medžiagų patvarumo riba pagal formulę σ-1 = 0.43 σB gaunama:

• Mažajam krumpliaračiui σ-1 = 0,43 ∙ 686 = 294,98 MN/m2;
• Didžiajam krumpliaračiui σ-1 = 0,43 ∙ 530 = 227,9 MN/m2.

Leistini įtempimai lenkiant:

• Mažojo krumpliaračio z3 krumpliams, paėmus [n] = 1,5, kσ= 1.6 ir krl= 1, [σ0]’l = [σ]l MN/m2;
• Didžiojo krumpliaračio (z4) krumpliams, paėmus [n] = 1,5, kσ= 1.5, [σ0]”l = [σ]l MN/m2.

Mažojo krumpliaračio (z3) leistini kontaktiniai įtempimai, kai rėžimo koeficientas krl= 1 (82 psl.):

[σ]k = 2,75HBkrk = 2,75 ∙ 241 = 662,75 MN/m2.

2.3. Sukamojo momento skaičiavimas

Reduktoriaus velenų sukimo momentai:

• Varančiasis velenas MG = N2 / w2 = 4370 / 7.6 = 575 Nm;
• Varomasis velenas ML = N3 / w3 = 4110 / 3.8 = 1081.6 Nm.

2.4. Atviros krumplinės pavaros laipsnio skaičiavimas

Nustatome tarp ašinį atstumą A, vadovaudamiesi krumplių paviršių kontaktiniu stiprumu. Tarp ašinį atstumą nustatome pagal formulę:

A = (u2 + 1) * m / 2

čia u2= 2 - perdavimo skaičius; Msk1 = MG • K - Mažojo krumpliaračio skaičiuojamasis momentas; MG - mažojo krumpliaračio nominalinis momentas; K - apkrovimo koeficientas, iš anksto paėmę K= 1.5, gausime Msk1 = 575 ∙ 1.5 = 862.5 Nm; [σ]k - leistinas kontaktinis įtempimas; ΨA = B/A - pločio koeficientas; imame ΨA = 0,4; kp = 1 - tiesekrumplei pavarai, kontaktinės linijos suminio ilgio padidėjimo sąskaita.

Pagal GOSTą 2185-55 priimame A = 180 mm (13P lentelė).

2.5. Krumpliaratių skaičius (z) ir kabinimo modulis (m)

Pagal (3.14) formulę m = (0,01 - 0,02)A = (0,01 - 0,02) ∙ 180 = 1,8 - 3,6 mm; priimame m = 3 (pagal GOSTą 9563-60, 54 psl., 3.2 lentelė).

Krumpliarčio z3 krumplių skaičius (mažasis krumpliaratis): parenkame z3 = 40.

Krumpliarčio z4 krumplių skaičius z4 = u2 ∙ z3 = 2 ∙ 40 = 80.

Krumpliaračių poros pagrindiniai matmenys (mm):

• dd3 = mz3 = 3 ∙ 40 = 120 mm;
• dd4 = mz4 = 3 ∙ 80 = 240 mm;
• B3 = B4 + 5 = 72 + 5 = 77 mm;
• B4 = ψLA = 0.4 ∙ 180 = 72 mm;
• De3 = dd3 + 2m = 120 + 2 ∙ 3 = 126 mm;
• De4 = dd4 + 2m = 240 + 2 ∙ 3 = 246 mm;
• Di3 = dd3 - 2.5m = 120 - 2.5 ∙ 3 = 112,5 mm;
• Di4 = dd4 - 2.5m = 240 - 2.5 ∙ 3 = 232,5 mm.

Čia dd3, dd4 - dalijamųjų apskritimo skersmenys (mažojo ir didžiojo krumpliaračių); De3, De4 - viršūnių apskritimų skersmenys; Di3, Di4 - pašaknų apskritimų skersmenys; B3, B4 - krumpliaračių plotis.

Krumpliaračio z3 apskritiminis greitis v = w2 * dd3 / 2 = 7.6 * 0.120 / 2 = 0.456 m/s.

Kai yra toks greitis ir krumpliaračių medžiagų kietumas mažesnis kaip HB 350, lėtaeigės krumpliaračių poros krumplių gamybai imame 9 tikslumo laipsnį (žr. 3.11 lentelę).

Patiksliname apkrovimo koeficientą K = Kkonc • Kd.

Kai krumpliarčiai išdėstyti nesimetriškai, tai pagal 3.12 lentelę, turint galvoje (3.56) formulę, K'konc = 1,55, tai Kkonc = 1,3.

Be to, kai v2 = 0,46 m/s ir pavaros 9 tikslumo laipsnis, Kd = 1,1 (3.8 lentelė).

K = 1,1 ∙ 1,3 = 1,43.

Patikriname skaičiuojamuosius kontaktinius įtempimus priimtiems pavaros matmenims ir patiksliname apkrovimo koeficientą.

σk = (F_a / (B * Y_max)) * (u2 + 1) / u2

čia A = 0.18 m; Msk3 = ML * K = 1081.6 * 1.43 = 1546 Nm; u = u2 = 2; B = B4 = 72 mm = 0.072 m; kp = 1.

Įstatę skaičius turime 659 MN/m2 < [σk] = 662,75 MN/m2. Viršijantys įtempimai sudaro 0.36%. Neviršijamas kontaktinis įtempimas, tai visiškai priimtina.

2.6. Jėgos veikiančios sukabinime

• Apskritiminė jėga P2 = 2 * MG / dd3 = 2 * 575 / 0.120 = 9583 N;
• Radialinė jėga T2 = P2 * tg α = 9583 * tg 20° ≈ 3488 N.

Patikriname krumplių stiprumą pagal įtempimus lenkiant.

Krumplio formos koeficientai pagal 3.4 lentelę:

• Krumpliaračiui z3, kai z3 = 40, y3 = 0,442;
• Krumpliaračiui z4, kai z4 = 80, y4 = 0,478;

Krumpliaračių z3 ir z4 krumplių stiprumo lenkiant palyginamasis įvertinimas:

• Krumpliaračiui z3 y3[σ0]l’ = 0,442 ∙ 184.4 = 81,5 MN/m2;
• Krumpliaračiui z4 y4[σ0]l” = 0,478 ∙ 152 = 73 MN/m2;

Toliau skaičiuojame pagal krumpliaračio z3 krumplį, kaip ne tokį stiprų.

kpl = 1 - tiesiakrumpliams krumpliaraičiams, koeficientas, įvertinantis apkraunamojo pajėgumo padidėjimą.

Skaičiuojamoji apskritiminė jėga Psk = P2 * K = 9583 * 1.43 = 13694 N.

Skaičiuojamasis (darbinis) įtempimas lenkiant krumpliaračio z3 pavojingame krumplio pjūvyje:

σl = M_bend / (b * m * y3) = (Psk * m / 2) / (B * m * y3) = (13694 * 3 / 2) / (0.072 * 3 * 0.442) ≈ 233 MN/m2.

233 MN/m2 < [σ0]l` = 184.4 MN/m2 - klaida skaičiavime, turėtų būti atvirkščiai.

[σ0]l` = 184.4 MN/m2. Reikėtų patikslinti apkrovimo koeficientą arba matmenis.

2.7. Pagrindiniai atviros krumplinės pavaros parametrai

3. Orientacinis reduktoriaus velenų skaičiavimas

3.1. Sukamieji momentai

• Varančiojo veleno skerspiūviuose Ms2 = MG = 575 Nm;
• Varomojo veleno skerspiūviuose Ms3 = ML = 1081.6 Nm.

3.2. Varomieji velenai

Kadangi varantysis krumpliaratis yra užmautas ant sliekračio veleno, tai nieko papildomai ir neskaičiuosime, tik patikrinsime ar pasirinktas veleno diametras nėra per mažas.

Patikriname veleną ar atlaikys apkrovimą. Paėmę [τ]s = 24 MN/m2, nustatome veleno išeinančio galo minimalų skersmenį pagal atsparumo sukimui skaičiavimą:

d_min = (16 * Ms / (π * [τ]s))^(1/3)

Varomasis velenas:

d_min = (16 * 1081.6 / (π * 24e6))^(1/3) ≈ 0.023 m = 23 mm;

Priimame veleno skersmenį d3 = 60 mm, ties guoliais dG = 65 mm.

3.3. Krumpliaratių konstrukciniai matmenys

Orientuodamasis pagal duomenis pateiktus 256 psl., (11.1 pav.), ir pagal konstrukcinius matmenis, nustatau krumpliaračio z3 ir z4 pagrindinius konstrukcinius matmenis.

Krumpliaračiui z4:

• Stebulės skersmuo dst = 1,6 ∙ d2” = 1,6 ∙ 60 = 96 mm, priimame dst = 100 mm.
• Stebulės ilgis lst = 1,2 ∙ d2” = 1,2 ∙ 60 = 72 mm, priimame lst = 70 mm.
• Ratlankio storis δr = 2,5 ∙ mn = 2,5 ∙ 3 = 7,5 mm, priimame δr = 8 mm.
• Disko storis C = 0,3 ∙ B4 = 0,3 ∙ 72 = 21,6 mm, priimame C = 25 mm.

Krumpliaračiui z3:

• Stebulės skersmuo dst = 1,6 ∙ d2” = 1,6 ∙ 60 = 96 mm, priimame dst = 95 mm.
• Stebulės ilgis lst = 1,2 ∙ d2” = 1,2 ∙ 60 = 72 mm, priimame lst = 80 mm.

Kadangi krumpliaračio skersmuo yra mažas, tai jis neturės ratlankio, bus ištisinis (vienodo storio).

4. Guolių parinkimas

Greitaeigiam velenui guoliai buvo parinkti skaičiuojant sliekinę pavarą (5.1 punkte). Lėtaeigiam velenui parenkami guoliai rutuliniai radialiniai vienaeiliai guoliai 313 vidutinės serijos, kurių darbingumo koeficientas C = 106000. Jie statomi vienas šalia kito.

5. Tepimas

Guoliams ir krumpliaračiams parenkamas konsistencinis tepalas, nes krumplinė pavara yra neuždengta. Parenkamas sintetinis solidolas УСc-2 (GOSTas 4366-56).

Krumplinė pavara, kas tam tikrą laiką bus sutepama. Guoliai bus sutepami išardžius pavarą.

6. Sraigto - veržlės pavaros skaičiavimas

6.1. Kinematinis skaičiavimas

Kinematinis skaičiavimas apima sraigto ir veržlės tarpusavio judėjimą. Pagrindiniai parametrai yra sraigto skersmuo, žingsnis, sraigto bei veržlės perdavimų skaičius.

6.2. Sraigto veržlės pavaros medžiagos ir leistinieji įtempimai

Medžiagos pasirinkimas priklauso nuo apkrovos, darbo sąlygų ir reikalingo tarnavimo laiko. Dažniausiai naudojamos plieno ir bronzos kombinacijos.

7. Frikcinės movos parinkimas

Frikcinės movos parenkamos siekiant apsaugoti mechanizmą nuo perkrovimų. Jos veikia slydimo principu, kai sukimo momentas viršija nustatytą ribą.

8. Darbo pakeitimo garantija

Ši dalis, matyt, susijusi su dokumentacijos pakeitimais ar garantiniu aptarnavimu, tačiau nėra tiesiogiai susijusi su pavaros projektavimo skaičiavimu.

9. Kinematinis ir jėginis skaičiavimas, elektros variklio parinkimas

Šioje dalyje apibendrinami pavaros kinematiniai ir jėginiai skaičiavimai, atliekamas elektros variklio parinkimas pagal bendrus pavaros reikalavimus.

10. Velenų projektinis skaičiavimas

Velenų projektinis skaičiavimas apima velenų stiprumo, standumo ir ilgaamžiškumo analizę, atsižvelgiant į jiems tenkančius sukimo momentus ir ašines jėgas.

11. Guolių parinkimas ir ilgaamžiškumo skaičiavimas

Guolių parinkimas atliekamas pagal velenų sukimosi greitį, radialines ir ašines apkrovas. Ilgaamžiškumo skaičiavimas leidžia prognozuoti guolių tarnavimo laiką.

12. Jungimų parinkimas ir skaičiavimas

Jungimų, tokių kaip pleištai, kaiščiai ar srieginės jungtys, parinkimas ir skaičiavimas užtikrina patikimą detalių sujungimą.

13. Suleidimų ir tolerancijų parinkimas

Suleidimų ir tolerancijų parinkimas yra kritinis žingsnis, užtikrinantis tinkamą detalių tarpusavio sąveiką ir mechanizmo funkcionavimą.

14. Pavaros tepimas

Tepimo sistemos parinkimas ir skaičiavimas yra būtinas siekiant sumažinti trintį, apsaugoti nuo susidėvėjimo ir perkaisti.

15. Saugaus darbo reikalavimai

Projektuojant mechanizmus, būtina atsižvelgti į saugaus darbo reikalavimus, siekiant užtikrinti operatoriaus ir aplinkinių saugumą.

tags: #masinu #detaliu #kursinis #projektavimas #pavaru #kinematinis