Оптимизация выбора привода. Кинематический расчет привода и выбор электродвигателя. Передаточное отношение привода. Скорость вращения валов. Выбор материалов зубчатой пары. Схема нагружения тихоходного вала. Выбор и проверка шпоночных соединений.
Индивидуальный привод к рабочему валу машины осуществляется разными вариантами, в которые входят электродвигатель, открытые передачи, редуктор, муфты. В корпусе редуктора размещены зубчатые или червячные передачи, неподвижно закрепленные на валах. Валы опираются на установленные в корпус подшипники. Червячные передачи характеризуются большими скоростями скольжения в месте контакта червяка и червячного колеса. принимаем диаметр выходного конца dв3 = 105 мм, диаметр под уплотнитель dy3 = 110 мм, диаметр под подшипник dп3 = 120 мм, диаметр под колесом dk3 = 130 мм.
Введение
Приводы в химическом машиностроении многообразны по конструкции и различаются в зависимости от вида машины. Привод - устройство для приведения в действие машин от двигателя через передаточные механизмы. Соединение вала машины с валом электродвигателя возможно лишь в относительно редких случаях. Однако в химическом машиностроении это имеет место. В основном для привода машины необходима установка повышающей или понижающей передачи. Оптимальный тип передачи определяют с учетом ряда факторов: эксплуатационных условий, характера нагрузки, срока службы, техники безопасности, удобства расположения, обслуживания, стоимости привода.
Наиболее совершенным и прогрессивным является индивидуальный привод, т.к. он устраняет потери энергии в трансмиссиях, допускает наиболее рациональное размещение узлов, агрегатов машин, улучшает условия труда. Индивидуальный привод к рабочему валу машины осуществляется разными вариантами, в которые входят электродвигатель, открытые передачи, редуктор, муфты. Редуктор предназначен для уменьшения частоты вращения и увеличения вращающегося момента. В корпусе редуктора размещены зубчатые или червячные передачи, неподвижно закрепленные на валах. Обычно в червячной передаче ведущим является червяк. Валы опираются на установленные в корпус подшипники.
Червяки проектируются однозаходные и многозаходные, в основном с правым направлением витка. С увеличением числа витков червяка возрастает угол подъема винтовой линии, что повышает КПД передачи. Червячные передачи характеризуются большими скоростями скольжения в месте контакта червяка и червячного колеса.
1.Оптимизация выбора привода
Кинематическая схема привода состоит из электродвигателя 1 типа 4А, соединительной муфты 2, редуктора 3, открытой передачи 4 и пресс-валков 5, см. рис. 1.1.
2.Кинематический расчет привода и выбор электродвигателя
2.1 Определение КПД привода ? = ?чп ? ?зп? ?п2 , где ?чп = 0.8 - КПД червячной передачи [1 с.40];
5.1. Быстроходный вал - червяк d = 16.4?4v Nэлр/n1?[ 0];
где [ 0] = 0.50 - допускаемый угол закручивания на 1м длины вала [1 c.104], d = 16.4?4v 22.46?103/977?0.5 = 42.7 мм;
Чтобы ведущий вал редуктора можно было соединить с помощью стандартной муфты с валом электродвигателя dдв = 60 мм [2 c.391], принимаем диаметр выходного конца dв1 = 60 мм, диаметр вала под уплотнением dy1 = 63 мм, диаметр вала под подшипником dп1 = 70 мм.
5.2 Тихоходный вал d = 16.4?4v 17.95?103/24.4?0.5 = 102 мм;
принимаем диаметр выходного конца dв3 = 105 мм, диаметр под уплотнитель dy3 = 110 мм, диаметр под подшипник dп3 = 120 мм, диаметр под колесом dk3 = 130 мм.
5.3 Конструктивные размеры колеса
Диаметр ступицы;
dct 1.6?dk3;
dct 1.6?130 = 208 мм;
длина ступицы;
lct (1.2 1.8)?dk3;
lct (1.2 1.8)?130 = 156 234 мм;
примем lct = 200 мм;
толщина обода;
1 = 2?m;
1 = 2?16 = 32 мм;
толщина диска;
C = 0.25 ? b2;
C = 0.25 ? 144 = 36 мм;
диаметр винта;
d = (1.2 1.4)?m;
d = (1.2 1.4)?16 = 19 22 мм;
примем винт М20 длина винта;
l = 0.4 ? b2;
l = 0.4 ? 144 = 58 мм;
5.5 Предварительный выбор подшипников
Предварительно назначаем радиально - упорные шарикоподшипники тяжелой серии № 6414 - для быстроходного вала и средней серии № 6324 - для тихоходного вала по ГОСТ 8313 - 75.
№ d мм D мм B мм C КН C0 мм
6414 70 180 42 208 162
6324 120 240 56 309 287
6. Быстроходный вал - червяк
6.1 Схема нагружения быстроходного вала
Горизонтальная плоскость;
MA = P ? 270 - Bx ? 540 = 0;
Ax = Bx = 2501 ? 270 / 540 = 1251 H;
Вертикальная плоскость;
MA = Fr1 ? 270 - By ? 540 - Fa1 ? d1 / 2 = 0;
By = (7920 ? 270 - 21756 ? 160/ 2) / 540 = 737 H;
Ay = Fr1 - By = 7920 - 737 = 7173 H;
Суммарные реакции опор;
A = v Ax2 Ay2 = v 12512 71732 = 7281 H;
B = v Bx2 By2 = v 12512 7372 = 1452 H;
6.2 Эквивалентная нагрузка
Осевые составляющие реакций опор;
Sa = e ? A = 0.8 ? 7281 = 5824 H;
SB = e ? B = 0.8 ? 1452 = 1162 H;
Результирующие осевые нагрузки;
FAA = SA = 5824 H;
FAB = SA Fa = 5824 21756 = 27580 H;
Проверяем подшипник А.
Отношение Fa / Fr = 5824 / 7281 = 0.79 < e; следовательно X = 1, Y = 0 [1 c.117].
P = (X ? V ? A Y ? Fa) ? Кб ? Кт = 7281 ? 1.1 = 8009 H;
X = 1 - коэффициент радиальной нагрузки;
V =1 - вращается внутреннее кольцо подшипника [1 с.117];
K, = 1.1 - коэффициент безопасности [1 с.119];
Кт = 1 - работа при t < 1000 [1 с.119];
Проверяем подшипник B.
Отношение Fa / Fr = 27580 / 1452 = 19 > e; следовательно X = 0.39, Y = 0.76 [1 c.117].
Отношение; Fa/Fr = 50440/74177 = 0.68 < е; следовательно Х = 1 Y = 0 [1 c.117];
Р = 74177 ? 1.1 = 81594 Н;
Проверяем подшипник D.
Отношение; Fa/Fr = 52941/14378 = 3.68 > е; следовательно Х = 0.41 Y = 0.87 [1 c.117];
Р = (0.41 ? 14378 0.87 ? 52941) ? 1.3 = 51954 Н;
7.3 Расчетная долговечность подшипника
Lh = = 37717 часов;
8.Уточненный расчет червячного вала.
8.1 Расчетная стрела прогиба червяка
Jпр = где Е = 2,1?105 МПА - модуль упругости для стали;
1 = 540 мм - расстояние между опорами;
Jnp - приведенный момент инерции.
Jпр = ;
Jпр = = 14.8?106 мм4 ;
f = = 0.007 мм;
8.2 Допускаемая стрела прогиба
[f] = (0.005 0.01) ? m = (0.005 0.01) ? 16 = 0.08 0.1 мм; Условие f < [f] выполнено.
8.3 Коэффициент запаса прочности
Опасное сечение проходит через опору B. В этом сечении вал работает только на кручение, концентрация напряжений обусловлена подшипником посаженым с гарантированным натягом.
Материал вала сталь 45;
термическая обработка - улучшенная ?В = 690 МПА. Пределы выносливости;
Коэффициент запаса прочности по касательным напряжениям;
s? = = = 15.1;
Высокое значение коэффициента запаса прочности объяснятся тем, что диаметр вала по конструктивным соображениям (равенство диаметра выходного конца диаметру вала электродвигателя) был значительно увеличен. Уменьшение диаметра вала приведет к тому, что долговечность подшипников будет меньше ресурса работы привода.
9.Уточненный расчет тихоходного вала
9.1 Рассмотрим сечение под опорой С
Концентрация напряжений обусловлена подшипником, посаженным с гарантированным натягом.
9.2 Осевой момент сопротивления
W = ??d3/32 = 3.14?1203/32 = 169,6?103 мм3.
9.3 Полярный момент сопротивления
Wp = 2?W =2?169,6?103 = 339,2?103 мм3.
9.4 Суммарный изгибающий момент
Ми = = = 4631 Н?м.
9.5 Амплитуда нормальных напряжений
= Ми/ W= 4631?103/169,6?103 = 27,3 МПА.
9.6 Амплитуда и среднее напряжение цикла касательных напряжений ?v = ?m = M2/2 ?Wp= 6962?103/2?339,2?103 = 10,3 МПА
9.10 Общий коэффициент запаса прочности s = = = 3.0 > [s] = 2.5;
Во всех случаях условие s > [s] =2.5 выполняется.
10. Выбор и проверка шпоночных соединений
10.1 Выбор шпонки привод вал зубчатый пара
Для соединения валов с деталями выбираем призматические шпонки по ГОСТ 23360-78 [2 c.169].
Напряжение смятия шпонки;
?cм = < [?]см = 100 МПА [2 c.170], где 1 - длина шпонки;
b - ширина шпонки;
t1- глубина паза вала.
10.2 Быстроходный вал
Шпонка на выходном конце ведущего вала b h l = l8 11 50 мм;
?cм = = 52,1 МПА;
10.3 Тихоходный вал
Шпонка под колесом b h l = 36 20 190 мм;
?cм = = 86,9 МПА;
Шпонка на выходном конце b h l = 32 18 150 мм;
?cм = = 153,2 МПА;
Условие ?cм < [?]см не выполняется. Устанавливаем две шпонки под углом 180? каждая из которых будет передавать половину момента, тогда ?cм = = 76,6 МПА;
Условие ?cм < [?]см выполняется во всех случаях.
11.Смазка редуктора
Смазка червячного зацепления осуществляется окунанием колеса в масляную ванну. Объем масляной ванны.
V = (0.5 ? 0.8)?N = (0.5 ? 0.8) ?22,5 ? 15 л.
Рекомендуемое значение вязкости масла: - при Vc = 4.7 м/с - ? = 15?10-6 м2/с, по этой величине выбираем масло индустриальное И-20А [2 c.253].
Смазка подшипниковых узлов осуществляется благодаря разбрызгиванию масла червячным колесом.
12. Конструктивные элементы корпуса
12.1 Толщина стенки корпуса и крышки редуктора ? = 0.04?а 2 = 0.04?400 2 = 18 мм принимаем ? = 18 мм.
12.2 Толщина фланцев b = 1.5?? = 1.5?18 = 28 мм.
12.3 Толщина нижнего пояса р = 2.35?? = 2.35?18 = 42 мм.
- болты у подшипников d2 = 0.75?d1 = 0.75?24 = 18 мм, примем болты М18;
- болты, соединяющие крышку с корпусом d3 = 0.6?d1 = 0.6?24 = 14 мм, примем болты М14
12.6 Наименьший зазор между колесом и стенкой корпуса
- по диаметру А ? 1,2?? =1,2?18 = 20 мм;
- по торцам A1 ? ? = 18 мм.
13.Подбор и проверка муфт
Для передачи вращающего момента с вала электродвигателя на ведущий вал редуктора используем упругую втулочно-пальцевую муфту по ГОСТ 21424-75, для которой допускаемый передаваемый момент: [M] = 500 Н?м, Расчетный момент: Мр1= k?M1 = 1,5?200,1 = 300.2 Н?м < [M] где к = 1,5 - коэффициент эксплуатации.
14. Конструирование сварной рамы
Для обеспечения точности положения одной сборочной единицы относительно другой механизмы привода (редуктор, электродвигатель) устанавливаются на сварной раме, выполненной из швеллеров №12, расположенных для удобства постановки болтов полками наружу. На внутреннюю поверхность полки навариваются косые накладки, которые выравнивают опорную поверхность под головки болтов.
Опорные поверхности - платики, на которые устанавливаются редуктор и электродвигатель, создаются привариванием узких полосок стали высотой 5 мм. Все опорные поверхности, на которые устанавливаются механизмы привода, обрабатываются после сварки.
Список литературы
1. Киселев Б.Р. Проектирование приводов машин химического производства. - Иваново. : ИГХТУ, 1987.