Методика выполнения курсовой работы: «Проектирование привода цепного конвейера»

Введение. Анализ технического задания как фундамент успешного проекта

Курсовое проектирование — это не просто серия расчетов, а комплексная инженерная задача по созданию работоспособного, надежного и экономически оправданного узла. Успех всего проекта закладывается на самом первом этапе — глубоком анализе технического задания (ТЗ). Именно здесь абстрактные требования превращаются в конкретный план действий. Неверно понятое условие или упущенная деталь в ТЗ могут привести к ошибкам, которые проявятся на самых поздних стадиях работы.

Рассмотрим типовое задание: требуется разработать привод к вертикальному валу цепного конвейера. В его состав должны входить электродвигатель, две муфты, двухступенчатый червячно-цилиндрический редуктор и открытая коническая передача. Давайте выделим из этого описания ключевую информацию:

• Исходные данные для расчетов: тяговое усилие на цепи (F, Ньютоны), скорость движения цепи (v, м/с), срок службы (Lh, часы) и режим работы (например, средний, непрерывный).
• Структура привода: четко определена компоновка — двигатель, редуктор, открытая передача. Это задает последовательность расчетов.
• Типы передач: червячно-цилиндрический редуктор (две ступени) и коническая передача. Это определяет, какие методики расчета нам понадобятся.

Конечная цель проекта, как правило, заключается в создании полного комплекта конструкторской документации. Он включает в себя пояснительную записку со всеми расчетами, сборочный чертеж редуктора, рабочие чертежи основных деталей (например, вала, зубчатого колеса) и чертеж общего вида привода. Теперь, когда мы четко понимаем задачу и конечную цель, можно приступать к первому и самому важному расчетному этапу — определению энергетических и кинематических параметров всей системы.

Этап 1. Кинематический и силовой расчет как отправная точка всего проекта

Это фундаментальный этап, на котором мы переводим требования технического задания на язык цифр. Ошибка здесь неизбежно повлечет за собой неверный выбор двигателя и неправильные расчеты всех последующих элементов. Расчет выполняется в строгой последовательности.

1. Определение требуемой мощности на приводном валу: Это мощность, необходимая непосредственно для работы конвейера. Она вычисляется по простой формуле: P = (F * v) / 1000, где F — тяговое усилие, а v — скорость цепи. Полученное значение (в кВт) показывает, какую полезную работу должен совершать привод.
2. Расчет общего передаточного числа: Этот параметр показывает, во сколько раз привод должен уменьшить скорость вращения от двигателя до приводного вала конвейера. Он определяется на основе скорости конвейера и предполагаемой частоты вращения вала двигателя.
3. Определение требуемой мощности электродвигателя: Мощность на валу двигателя всегда должна быть больше, чем полезная мощность на валу конвейера. Причина — потери энергии на трение в каждом элементе привода. Для расчета мы должны учесть КПД всех звеньев: подшипников, муфт, а также каждой передачи (цилиндрической, червячной, конической). Общий КПД (η_общ) равен произведению КПД всех этих элементов. Тогда требуемая мощность двигателя: P_дв = P / η_общ.
4. Расчет требуемой частоты вращения вала двигателя: Зная общее передаточное число и требуемую скорость вращения вала конвейера, мы можем вычислить, с какой скоростью должен вращаться вал двигателя для обеспечения заданной производительности.

Получив ключевые цифры — требуемую мощность и частоту вращения, — мы готовы к ответственному шагу, от которого зависит надежность и экономичность всей установки. Речь идет о выборе «сердца» нашего привода.

Этап 2. Выбор электродвигателя, или Как найти идеальный баланс мощности и эффективности

Имея на руках два главных параметра — требуемую мощность и частоту вращения — мы можем приступить к выбору конкретной модели электродвигателя из каталога стандартных изделий. Этот процесс подчиняется четкому алгоритму.

Сначала по требуемой мощности (P_дв) подбираем ближайший больший стандартный номинал мощности из каталога. Например, если расчет показал 2,05 кВт, мы выбираем двигатель на 2,2 кВт. Этот небольшой запас необходим для компенсации пиковых нагрузок и обеспечения надежной работы. Выбор двигателя с избыточной мощностью нецелесообразен — он будет дороже, тяжелее и будет работать в неоптимальном режиме с низким КПД.

Далее, по требуемой частоте вращения выбираем двигатель с подходящей синхронной частотой. Асинхронные электвигатели с частотой вращения 1000 и 1500 об/мин являются предпочтительными. Двигатели с более высокой скоростью (3000 об/мин) требуют больших передаточных чисел редуктора и имеют меньший ресурс, а низкоскоростные (750 об/мин) — неоправданно большие габариты и вес.

После выбора конкретной модели двигателя (например, АИР 100 S4) мы выписываем его точные паспортные данные: номинальную мощность, фактическую частоту вращения (она всегда чуть меньше синхронной), диаметр вала. Эти данные станут основой для всех последующих расчетов.

Также важно обратить внимание на режим работы (обычно S1 для длительной работы) и степень защиты корпуса (IP), которая выбирается в зависимости от условий эксплуатации (пыль, влага). Теперь, когда у нас есть конкретный двигатель с известными параметрами, мы должны разбить общее передаточное число между отдельными ступенями нашего сложного привода.

Этап 3. Распределение передаточных чисел для оптимальной компоновки привода

Общее передаточное число, которое мы определили ранее, является суммарной характеристикой всего привода. Наша задача — грамотно распределить его между отдельными ступенями: двухступенчатым редуктором и открытой конической передачей. От этого решения напрямую зависят габариты, масса и итоговая стоимость конструкции.

Сначала мы разбиваем общее передаточное число (U_общ) на передаточное число редуктора (U_ред) и открытой конической передачи (U_кон). Выбор производится на основе рекомендуемых диапазонов: для конических передач обычно берут U_кон в пределах 2-4, чтобы обеспечить компактность. Оставшаяся часть передаточного отношения «отдается» редуктору: U_ред = U_общ / U_кон.

Далее предстоит более сложная задача: разбить передаточное число редуктора (U_ред) между его ступенями — цилиндрической и червячной. Здесь важно учитывать их особенности. Цилиндрическая передача хорошо работает на высоких скоростях, в то время как червячная более эффективна при низких и средних скоростях, но способна обеспечить большое передаточное число в одной ступени. Поэтому в червячно-цилиндрическом редукторе часто цилиндрическую ступень делают быстроходной (первой от двигателя), а червячную — тихоходной. Это позволяет уменьшить габариты и повысить общий КПД редуктора.

Определив передаточные числа для каждой ступени, мы можем рассчитать ключевые параметры для каждого вала: мощность, крутящий момент и частоту вращения. Эти данные позволят нам перейти к детальному проектированию зубчатых зацеплений.

Этап 4. Проектировочный расчет зубчатых передач редуктора

Это один из самых объемных и ответственных этапов, на котором абстрактные передаточные числа превращаются в конкретную геометрию зубчатых колес и червяков. Расчеты для каждой ступени редуктора ведутся отдельно, но по схожей логике.

Расчет цилиндрической передачи

Ключевым критерием работоспособности зубчатых передач, работающих в масляной ванне, является контактная выносливость рабочих поверхностей зубьев. Именно по этому условию и ведется основной проектировочный расчет. Сначала мы выбираем материалы для шестерни (меньшего колеса) и колеса. Как правило, для повышения несущей способности шестерню изготавливают из более прочного материала или подвергают упрочняющей термообработке.

На основе выбранных материалов, передаваемого момента и передаточного числа, по формуле расчета на контактную прочность мы определяем главное — межосевое расстояние (a_w). Зная его, мы последовательно вычисляем модуль зацепления (m), а затем и точное число зубьев шестерни и колеса. После определения всех геометрических параметров проводится проверочный расчет зубьев на изгибную выносливость. Его цель — убедиться, что зубья не сломаются у основания под действием изгибающих нагрузок.

Расчет червячной передачи

Расчет червячной передачи также начинается с проектировочного расчета по условиям контактной выносливости. Выбираются материалы для червяка (сталь) и венца червячного колеса (как правило, антифрикционные бронзы). По соответствующим формулам определяется межосевое расстояние и ключевые геометрические параметры (модуль, коэффициент диаметра червяка).

Особенностью расчета червячной передачи является обязательный тепловой расчет. Из-за высокого трения в зацеплении в червячных передачах выделяется большое количество тепла. Тепловой расчет позволяет убедиться, что температура масла в корпусе редуктора не превысит допустимых значений, и он не будет перегреваться во время работы. Если расчетная температура слишком высока, необходимо предусмотреть меры по охлаждению, например, оребрение корпуса или установку вентилятора.

После того как геометрия всех зубчатых колес и червяка определена, можно переходить к конструированию элементов, на которых они будут установлены, — валов редуктора.

Этап 5. Расчет и конструирование валов редуктора

Валы являются базовыми деталями, на которых монтируются все вращающиеся элементы редуктора — зубчатые колеса, червяки, подшипники и муфты. Их расчет и конструирование — это итерационный процесс, сочетающий инженерную интуицию и точные вычисления.

1. Эскизная компоновка: Работа начинается не с формул, а с карандашного эскиза. Для каждого вала (быстроходного, промежуточного, тихоходного) намечается осевое расположение элементов: где будет стоять зубчатое колесо, где — опоры (подшипники), где будет присоединяться муфта. На этом этапе предварительно определяются длины и диаметры отдельных участков вала, исходя из размеров сопрягаемых деталей.
2. Силовой анализ: Зная геометрию передач и передаваемые моменты, мы определяем все силы, действующие на вал. Затем для каждого вала строятся эпюры (графики) изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также эпюра крутящих моментов. Эти эпюры наглядно показывают, в каких сечениях вал нагружен больше всего.
3. Проверочный расчет: Сначала выполняется ориентировочный расчет на статическую прочность, который позволяет грубо оценить диаметры вала. Основным же является проверочный расчет на усталостную прочность (выносливость). Он выполняется для «опасных сечений» — мест, где действуют максимальные напряжения и присутствуют концентраторы напряжений (галтели, шпоночные пазы). По результатам расчета определяется коэффициент запаса прочности, который сравнивается с требуемым значением. Если запас недостаточен, диаметр вала в этом сечении необходимо увеличить.

Спроектированные валы должны на что-то опираться. Следующий логический шаг — подобрать для них надежные опоры.

Этап 6. Подбор и проверка подшипников качения для валов

Подшипники — это стандартные изделия, обеспечивающие вращение валов с минимальным трением. Их правильный выбор напрямую влияет на долговечность и надежность всего редуктора. Процесс подбора и проверки включает несколько шагов.

Сначала на основе силового анализа валов мы определяем реакции в опорах — радиальные и осевые силы, действующие на каждый подшипник. Характер нагрузок и диаметр посадочного места на валу позволяют нам предварительно выбрать тип подшипника. Например, для вала, воспринимающего только радиальную нагрузку, можно использовать радиальные шарикоподшипники. Для вала червяка, где действуют значительные осевые силы, чаще всего применяют радиально-упорные подшипники.

Далее, по каталогу, на основе диаметра вала и величины нагрузок, мы подбираем конкретный типоразмер подшипника. Однако просто подобрать подшипник недостаточно. Необходимо убедиться, что он прослужит требуемый срок.

Ключевым критерием пригодности является проверка по динамической грузоподъемности. Суть этого расчета — сравнить требуемую долговечность (заданную в часах в ТЗ) с расчетной долговечностью выбранного подшипника. Если расчетный ресурс оказывается больше или равен требуемому, значит, подшипник подобран верно. В противном случае необходимо выбрать подшипник той же серии, но с большей грузоподъемностью, или изменить схему установки.

Мы спроектировали внутренние компоненты редуктора. Теперь необходимо «одеть» их в корпус и продумать детали сборки.

Этап 7. Конструирование корпуса редуктора и его ключевых элементов

Корпус — это базовая деталь, которая объединяет все элементы редуктора в единый механизм, обеспечивает их точное взаимное расположение и защищает от внешней среды. Его проектирование подчиняется как конструктивным, так и технологическим требованиям.

Материалом для корпуса чаще всего служит чугун (например, СЧ 15), который хорошо гасит вибрации и прост в литье, или сталь для сварных конструкций. Конструкция корпуса (литая или сварная) во многом определяет его форму и технологичность. Основные габаритные и присоединительные размеры определяются на основе компоновки валов и колес, выполненной на предыдущих этапах.

Важными элементами конструкции являются:

• Подшипниковые крышки: Они фиксируют наружные кольца подшипников в корпусе. Бывают глухие (с торца вала) и сквозные (с уплотнением для выходящего конца вала).
• Подшипниковые стаканы: Используются в некоторых конструкциях для удобства монтажа и регулировки подшипниковых узлов, особенно для конических подшипников.
• Система смазки: Для зубчатых передач чаще всего применяется картерная смазка (окунанием), а для подшипников — консистентная смазка или смазка разбрызгиванием из общей масляной ванны.
• Вспомогательные элементы: Необходимо продумать расположение смотрового люка для контроля состояния передач, пробок для залива и слива масла, а также проушин или рым-болтов для удобства транспортировки и монтажа редуктора.

Форма и размеры деталей редуктора должны быть не только прочными, но и технологичными, то есть удобными для изготовления и сборки. Редуктор спроектирован. Теперь нужно рассчитать передачу, которая свяжет его с исполнительным механизмом — цепным конвейером.

Этап 8. Расчет открытой конической передачи привода

Открытая коническая передача в нашем приводе выполняет две важные функции: дополнительно понижает частоту вращения и изменяет направление оси вращения с горизонтальной на вертикальную, чтобы передать крутящий момент на вал конвейера. Расчет этой передачи во многом схож с расчетом цилиндрической ступени редуктора, но имеет свою специфику.

Основным методом также является проектировочный расчет по контактной выносливости. Мы выбираем материалы для конической шестерни и колеса, задаемся коэффициентами и по расчетным формулам определяем основные геометрические параметры, такие как внешний делительный диаметр колеса и внешний окружной модуль.

Ключевые отличия расчета конических колес:

• Эквивалентное число зубьев: Из-за конической формы зубьев их прочность оценивается через так называемые эквивалентные цилиндрические колеса, для которых рассчитывается эквивалентное число зубьев.
• Средний модуль: Все прочностные расчеты ведутся не по максимальному (внешнему) модулю, а по среднему, который лучше отражает нагруженность зуба по его длине.

После определения всех геометрических параметров обязательно проводится проверочный расчет зубьев на изгибную выносливость, чтобы гарантировать их прочность у основания. Также по результатам расчета определяются силы, действующие в зацеплении (окружная, радиальная и осевая), которые необходимы для последующего расчета вала и подшипников этой передачи. Все вращающиеся элементы спроектированы. Осталось соединить их между собой и с валом двигателя.

Этап 9. Выбор соединительных муфт и расчет шпоночных соединений

На этом этапе мы решаем две задачи: обеспечиваем передачу крутящего момента между валами (двигатель-редуктор) и надежно закрепляем все вращающиеся детали (колеса, муфты) на своих валах.

Выбор муфт

Муфты служат для соединения соосных валов. В приводе конвейера, где возможны динамические нагрузки и небольшие монтажные неточности, целесообразно использовать упругие муфты. Например, упругая втулочно-пальцевая муфта (МУВП) способна компенсировать незначительные радиальные и угловые смещения валов, а также смягчать толчки и удары при пуске и работе механизма.

Выбор типоразмера муфты производится по каталогу. Исходными данными являются расчетный крутящий момент (он берется с запасом относительно номинального) и диаметры соединяемых валов. В нашем проекте потребуется две муфты: одна для соединения вала двигателя с быстроходным валом редуктора, вторая — для соединения тихоходного вала с валом, на котором установлена ведущая коническая шестерня.

Расчет шпоночных соединений

Для фиксации зубчатых колес и полумуфт на валах используются шпонки. Это самое распространенное и простое соединение. Размеры призматической шпонки (ширина, высота) выбираются по ГОСТу в зависимости от диаметра вала в месте посадки. После выбора стандартной шпонки необходимо выполнить ее проверочный расчет на смятие. Цель этого расчета — убедиться, что под действием передаваемого крутящего момента боковые грани шпонки и пазы в вале и с��упице не будут деформированы. Напряжения смятия не должны превышать допускаемых значений для материалов вала и ступицы. Все компоненты привода рассчитаны и выбраны. Финальный шаг — объединить их в единую конструкцию и подготовить графическую часть проекта.

Этап 10. Компоновка общего вида привода и подготовка графической документации

Этот этап является венцом всей проделанной расчетной и конструкторской работы. Здесь отдельные компоненты собираются в единый работающий механизм на чертежах, которые и являются главным результатом курсового проекта.

Сначала выполняется сборочный чертеж редуктора. На нем в разрезе показывается взаимное расположение всех спроектированных ранее деталей: валов, зубчатых колес, червяка, подшипников, подшипниковых крышек и стаканов внутри корпуса. На чертеже проставляются основные габаритные, присоединительные и установочные размеры, указываются требования к сборке и спецификация со списком всех деталей и стандартных изделий.

Затем разрабатывается чертеж общего вида привода. Это компоновочный чертеж, на котором показано, как все основные узлы — электродвигатель, редуктор, открытая коническая передача — размещаются на общей раме или плите. Этот чертеж дает полное представление о габаритах, компоновке и внешнем виде всей приводной установки.

Наконец, создаются рабочие чертежи для 2-3 наиболее сложных и уникальных деталей. Как правило, это вал-шестерня, зубчатое колесо или крышка подшипника. Рабочий чертеж содержит всю необходимую информацию для изготовления детали: все размеры с допусками, требования к шероховатости поверхностей, сведения о материале и термообработке. Проектная работа завершена. Осталось подвести итоги и сформулировать выводы.

Заключение. Оценка результатов проектирования и выводы по работе

В ходе выполнения курсового проекта была решена комплексная инженерная задача по проектированию привода цепного конвейера. Все этапы работы были последовательно выполнены, начиная от анализа технического задания и заканчивая подготовкой конструкторской документации.

В результате проделанной работы был произведен кинематический и силовой расчет, на основе которого подобран стандартный электродвигатель. Был спроектирован двухступенчатый червячно-цилиндрический редуктор и открытая коническая передача, обеспечивающие требуемое передаточное отношение и изменение направления вращения. Для всех нагруженных элементов — зубчатых передач, валов, шпоночных соединений — выполнены проверочные расчеты, подтверждающие их прочность и работоспособность. Подобраны стандартные изделия: подшипники и соединительные муфты.

Главный вывод: спроектированный привод полностью соответствует требованиям технического задания по производительности и долговечности. За счет рационального подбора передаточных чисел, использования современных конструктивных решений и стандартных узлов была достигнута цель получения компактной, экономичной и эстетичной конструкции, готовой для дальнейшей детальной проработки и изготовления.

Список использованной литературы

1. Дунаев П. Ф., Леликов О. П. Конструирование узлов и деталей машин. Учебное пособие для техн. спец. вузов. – 6-е изд., исп. – М.: Высш. шк., 2003 – 447с., ил.
2. Расчёт зубчатых передач: Методические указания по курсовому проектированию для студентов / Составил А. В. Фейгин. – Хабаровск: издательство ХГТУ, 1997. – 39с.
3. Чернавский С.А., Боков К. Н. Курсовое проектирование деталей машин: Учебное пособие для учащихся машиностроительных специальностей техникумов.: Машиностроение, 1988г.
4. Курмаз Л.В., Скойбеда А.Т. Детали машин. Проектирование: учебное пособие. – 2е изд. испр. и доп. 2002 г. – 290 с.