Расчет основных массовых, силовых и геометрических характеристик устройства межоперационного транспорта

Расчет основных массовых, силовых и геометрических характеристик устройства межоперационного транспорта

1. Расчет основных массовых, силовых и геометрических характеристик устройства межоперационного транспорта

.1 Расчет массы изделий, технологического оборудования, подвижных элементов устройства

Масса изделия (перемещаемой конструкции переключателя) задана постоянной.

1.2 Расчет статических нагрузок исполнительного механизма

Исполнительным механизмом переключателя технологических потоков является толкатель, в котором вращение ведущего вала преобразуется в возвратно-поступательное движение штока передачей зубчатое колесо - зубчатая рейка.

Окружная сила в зацеплении зубчатого колеса и рейки:

где F - заданное сопротивление передвижению, H;

f = 0.1 - коэффициент трения скольжения бронзы по стали в условиях непрерывной смазки; α=20° - угол зацепления.

Подставив числовые значения, получим:

Модуль зацепления m при значениях параметров передачи:

Материал зубчатого колеса и рейки: сталь 40Х по ГОСТ 4543-71 (легированная конструкционная сталь); термообработка - улучшение с минимальной твердостью HB = 230; предел текучести σ_T = 600 МПа;

Неограниченный предел контактной выносливости:

Коэффициент безопасности по контактным напряжениям S_H = 1.1;

Допускаемое контактное напряжение из условия неограниченного ресурса при номинальной нагрузке:

Максимальное допускаемое контактное напряжение из условия прочности при однократной максимальной нагрузке:

Неограниченный предел выносливости при изгибе:

Коэффициент безопасности по напряжениям изгиба S_F = 1.75;

Допускаемое напряжение изгиба из условия неограниченного ресурса при номинальной нагрузке:

Максимальное допускаемое напряжение изгиба из условия прочности при однократной максимальной нагрузке:

Коэффициент рабочей ширины зацепления ψ_m из диапазона 2-9. Примем значение 9;

Коэффициент формы зуба Y_F выбирается из таблицы 1 в зависимости от числа зубьев колеса z₁.

Таблица 1.

Число зубьев колеса z₁ = 28, соответственно коэффициент формы зуба Y_F = 3.82;

Модуль, соответствующий СТ СЭВ 310-86, выбирается ближайший больший из ряда.

m = 2 мм

.3 Расчет размеров основных деталей и стандартизованных узлов устройства

Диаметр делительный:

Диаметр выступов:

Диаметр впадин:

Рабочая ширина зацепления:

Отсюда принимаются размеры ширины:

Размеры рейки: b₂ = b = 18 [мм];

Размеры колеса: b₁ = b₂ + 5 = 18 + 5 = 23 [мм];

Высота зуба зацепления:

Полная высота рейки

Проверка зацепления на контактные напряжения из условия неограниченного ресурса при номинальных нагрузках при значениях параметров:

Коэффициент, учитывающий форму сопряженных поверхностей:

Коэффициент, учитывающий механические свойства материалов:

Проверка: σ_H > [σ_H], следовательно, передача не удовлетворяет критерию контактной выносливости, для коррекции ее размеров необходимо рассчитать новый делительный диаметр зубчатого колеса из условия неограниченного ресурса по контактным напряжениям от номинальных нагрузок при значении параметра

Новое число зубьев колеса при сохранении уже выбранного модуля:

Диаметр делительный:

Диаметр выступов:

Диаметр впадин:

1.4 Расчет компоновочных размеров исполнительного механизма

кинематический привод статический мощность

Рабочая длина зубчатой рейки:

Полная нарезанная длина зубчатой рейки с учетом прохода ее через пазы опорных втулок штока определяется из компоновки.

Диаметр штока толкателя по условию врезания в него зубчатой рейки с допустимым ослаблением сечения:

Значение d₂ округлено до ближайшего большего целого значения.

Диаметр штифта D₀ для соединения толкателя с перемещаемой конструкцией при значениях параметров: материал штифта Сталь 45 по ГОСТ 1050-74 с пределом текучести σ_Т = 360 [МПа];

Допускаемое напряжение среза с коэффициентом запаса 3:

При срезе штифта по двум плоскостям расчетный диаметр:

Значение D₀ округлено до ближайшего большего целого значения не меньше 10. Допускаемое напряжение растяжение с коэффициентом запаса 3:

Напряжения растяжения проушины штока по штифту D₀ при значениях параметров: материал штока Сталь 35 по ГОСТ 1050-74 с пределом текучести σ_Т = 320 [МПа];

При растяжении штока, ослабленного фрезеровкой на толщину 0.5d₂ и отверстием D₀, напряжения растяжения:

Проверка: σ_р ≤ [σ_р], следовательно, передача удовлетворяет критерию прочности при растяжении, ее размеры не требуют коррекции.

Крутящий момент на валу толкателя с учетом КПД подшипников качения 0.99:

Частота вращения вала толкателя (на выходе привода):

Мощность на валу толкателя (на выходе привода):

2. Энергетические, кинематические и конструктивные характеристики привода

.1 Подбор двигателя по статической мощности

Общий коэффициент полезного действия привода находится как произведение КПД входящих узлов трения:

При расчете КПД необходимо учесть потери на трение двухступенчатого редуктора (η₁ = 0.97), муфт тихоходного (η₂ = 0.99) и быстроходного валов (η₃ = 0.99).

Следовательно,

Мощность, необходимая на валу двигателя (на входе, эффективная):

Из серии 4А выбирается ближайшая большая мощность двигателя N_двиг, кВт при частотах вращения: n_двиг, об/мин:

а) в диапазоне синхронных частот 750 [об/мин]

Тип двигателя 4А9LA8УЗ, N_двиг=0.75 [кВт], n_двиг=700 [об/мин];

б) в диапазоне синхронных частот 1000 [об/мин]

Тип двигателя 4А80А6УЗ, N_двиг=0.75 [кВт], n_двиг=915 [об/мин];

в) в диапазоне синхронных частот 1500 [об/мин]

Тип двигателя 4А71В4УЗ, N_двиг=0.75 [кВт], n_двиг=1390 [об/мин];

г) в диапазоне синхронных частот 3000 [об/мин]

Тип двигателя 4А71А2УЗ, N_двиг=0.75 [кВт], n_двиг=2840 [об/мин];

2.2 Выбор варианта привода

.2.1 Выбор передаточного числа и механизмов кинематической цепи привода

Возможные передаточные числа привода

а) в диапазоне синхронных частот 750 [об/мин]

б) в диапазоне синхронных частот 1000 [об/мин]

в) в диапазоне синхронных частот 1500 [об/мин]

Из вариантов а, б, в, г выбирается передаточное число привода, обеспечивающее для редуктора и открытых передач средние значения передаточных чисел из рекомендованных диапазонов. Примем передаточное число равным u=12.5 (вариант привода а).

2.2.2 Основные характеристики механизмов привода

Двигатель: типоразмер 4А9LA8УЗ;

мощность номинальная N_двиг=0.75 [кВт];

частота вращения при номинальной нагрузке n_двиг=700[об/мин];

Передаточное число привода u=12.5;

Крутящий момент от заданной нагрузки на валу двигателя:

Крутящий момент от заданной нагрузки на тихоходном валу редуктора:

Тихоходный вал редуктора непосредственно соединяется муфтой с валом исполнительного механизма. Поэтому

_тих=N_вых, n_тих=n_вых и T_тих=T_вых.

Редуктор подбирается из справочной литературы по крутящему моменту на тихоходном валу и передаточному числу, желательно среднему для приводимого диапазона.

Характеристики редуктора:

Типоразмер: редуктор цилиндрический двухступенчатый;

Передаточное число u_ред = 12.5;

Максимальный крутящий момент на тихоходном валу 140 [H·м];

Общее межосевое расстояние 175 [мм]. Передаточное число совпадает по значению с рассчитанным ранее передаточным числом, следовательно, отклонения нет, выбор редуктора был сделан верный.

При соединении редуктора с двигателем или исполнительным механизмом без открытых передач, по диаметрам валов и крутящим моментам подбираются: муфта упругая МУВП от двигателя к редуктору, муфта зубчатая МЗ от редуктора к валу исполнительного механизма.

Характеристики муфты упругой:

Типоразмер муфты: МУВП-125

Максимальный крутящий момент: 125 [H·м];

Минимальный диаметр вала: 32 [мм];

Характеристики муфты зубчатой:

Типоразмер муфты: МЗ-1

Максимальный крутящий момент: 710 [H·м];

Минимальный диаметр вала: 40 [мм];

3. Динамические характеристики привода

.1 Крутящие моменты на валу двигателя

Момент статический, приведенный к валу двигателя.

Момент разгона двигателя средний интегральный (приближенно, для асинхронных электродвигателей):

Где

.2 Моменты инерции масс, приведенные к валу двигателя

.2.1 Моменты инерции масс рабочих органов

Момент инерции перемещаемой конструкции переключателя

3.2.2 Момент инерции якоря электродвигателя

Где GD² - маховый момент якоря электродвигателя (выбирается по каталогу из справочника «Приводы машин» Длоугий В.В.).

.2.3 Момент инерции муфты от двигателя к редуктору

Где GD² - маховый момент муфты (выбирается по каталогу из справочника «Приводы машин» Длоугий В.В.).

3.2.4 Момент инерции общий (рабочего органа с приводом)

3.3 Характеристики рабочего цикла

.3.1 Первый вариант характеристик

Время разгона двигателя:

Анализ времени разгона:

Допустимый предел времени разгона для асинхронного короткозамкнутого электродвигателя по условию нагрева [t_р]=5 с.

Если t_р £ [t_р], выбранный двигатель удовлетворяет условию нагрева.

Время остановки конвейера без тормоза после выключения двигателя:

Ускорения линейные рабочего органа:

при разгоне

при остановке

Анализ ускорений: допустимый предел ускорений линейных при разгоне по условию безопасности персонала 1 м/с². Если a_р > 1 м/с², необходима защита персонала (например, путем введения ограждений рабочей зоны, автоблокировки при возникновении опасной ситуации и т.п.). Если ускорения превышают 5 м/с², они создают высокие динамические нагрузки, что требует исследования возможности снижения номинальной мощности двигателя или более плавной остановки механизмов.

Пути рабочих органов:

при разгоне

при остановке

установившегося движения

Анализ путей: в заданном шаге Iм должны разместиться разгон, установившееся движение и остановка. При этом установившееся движение должно занимать не менее 5 % шага. Если s_у< 0.05I, а тем более получается со знаком "-", это значит, что система медленно разгоняется недостаточно мощным двигателем и медленно останавливается вследствие низкого сопротивления и высокого момента инерции системы.

.3.2 Временные характеристики рабочего цикла

Время установившегося движения конвейера

Время движения конвейера на 1 шаг

Время одного рабочего цикла. Для определения времени одного рабочего цикла необходимо просуммировать время, затрачиваемое на выполнение всех трех ходов (A, B, A+B).

Часовая производительность технологической системы

4. Расчеты деталей исполнительных механизмов на прочность и долговечность

.1 Нагрузки рабочего цикла вала толкателя

Максимальный крутящий момент рабочего цикла при разгоне в прямом направлений

Минимальный крутящий момент рабочего цикла при разгоне в обратном направлении

Крутящий момент рабочего цикла при остановке в обоих направлениях

Крутящие моменты на валу реверсивного реечного толкателя.

. Подбор нового варианта редуктора

Второй вариант редуктора подбирается из справочной литературы по крутящему моменту на тихоходном валу и передаточному числу, желательно среднему для приводимого диапазона (см. п.2.2.2).

Характеристики редуктора:

Типоразмер: одноступенчатый червячный редуктор Ч-160;

η = 0.9;

Передаточное число u=12.5;

Межосевое расстояние 160 [мм];

Максимальный крутящий момент на валу 750 [H·м].