Проектирование механического привода ленточного конвейера: Пошаговое руководство и пример курсовой работы

Введение в задачу проектирования механического привода

Механические приводы являются неотъемлемой частью подавляющего большинства промышленных машин и установок. Их основная функция — передача и преобразование механической энергии от двигателя к исполнительному органу машины. Одним из самых распространенных примеров в промышленности являются приводы ленточных конвейеров, которые обеспечивают непрерывное перемещение сыпучих, кусковых или штучных грузов. Надежность и эффективность всей транспортной системы напрямую зависит от грамотно спроектированного привода, состоящего из электродвигателя, редуктора, муфт и передаточных механизмов.

Общей целью курсового проекта является разработка и расчет механического привода для ленточного конвейера в строгом соответствии с выданным техническим заданием. Для достижения этой глобальной цели необходимо решить ряд последовательных инженерных задач:

1. Выполнить комплексный кинематический и силовой расчет всего привода для определения ключевых энергетических и скоростных параметров.
2. На основе расчетных данных произвести обоснованный выбор стандартного электродвигателя из каталога.
3. Спроектировать понижающий редуктор (в данном случае, одноступенчатый цилиндрический), который является сердцем привода.
4. Разработать и рассчитать открытую передачу (например, цепную), связывающую редуктор с приводным валом конвейера.
5. Выполнить детальные проверочные расчеты наиболее нагруженных деталей на прочность и долговечность, включая валы, подшипники и шпоночные соединения.
6. Подготовить комплект конструкторской документации: текстовую часть (пояснительную записку) и графическую часть (сборочные и рабочие чертежи).

Последовательное выполнение этих задач гарантирует создание работоспособной, надежной и долговечной конструкции привода.

Анализ технического задания и определение глобальных параметров

Фундаментом любого инженерного проекта являются исходные данные, представленные в техническом задании. Для привода ленточного конвейера они, как правило, включают следующие параметры:

• Тяговое (окружное) усилие на барабане: P = 2,3 кН
• Скорость движения ленты конвейера: V = 2,8 м/с
• Диаметр приводного барабана: Dd = 200 мм

На основе этих данных выполняются первые и самые важные расчеты, определяющие общие характеристики будущего привода.
Первым шагом является определение требуемой мощности на приводном валу барабана (выходной мощности привода):
P_вых = F * V = 2,3 кН * 2,8 м/с = 6,44 кВт

Далее вычисляется угловая скорость вращения приводного барабана:
ω_бар = (2 * V) / Dd = (2 * 2,8 м/с) / 0,2 м = 28 рад/с

Любой механический привод имеет потери энергии на трение в зацеплениях, подшипниках и других элементах. Эти потери учитываются через общий коэффициент полезного действия (КПД), который определяется как произведение КПД всех его последовательных звеньев. Для нашего привода, включающего редуктор, открытую цепную передачу и несколько пар подшипников, можно предварительно принять общий КПД η_общ ≈ 0.9.

С учетом КПД, требуемая мощность, которую должен развивать электродвигатель, будет выше:
P_двиг = P_вых / η_общ = 6,44 кВт / 0.9 ≈ 7,16 кВт

Этот параметр является ключевым для следующего этапа — выбора «сердца» привода.

Выбор электродвигателя и итоговый кинематический расчет привода

Выбор электродвигателя — ответственный шаг, определяющий всю дальнейшую кинематику. В приводах общего назначения чаще всего применяют асинхронные трехфазные электродвигатели из-за их надежности, простоты конструкции и невысокой стоимости. Подбор осуществляется по двум основным параметрам: расчетной мощности и частоте вращения.

Исходя из требуемой мощности P_двиг ≈ 7,16 кВт, по стандартному ряду мощностей выбираем ближайший больший двигатель. Одновременно нужно выбрать синхронную частоту вращения вала. Для получения разумных передаточных чисел в редукторе и открытой передаче, часто выбирают двигатели с частотой вращения 1000 или 1500 об/мин. Остановимся на варианте с n_синхр = 1000 об/мин.

По каталогу выбираем двигатель, удовлетворяющий нашим требованиям. Например, это может быть двигатель со следующими характеристиками:

Пример выбранного двигателя: АИР160S6

• Номинальная мощность: P_ном = 11 кВт
• Синхронная частота вращения: 1000 об/мин
• Номинальная (фактическая) частота вращения: n_двиг = 973 об/мин
• Диаметр выходного вала: d_в = 48 мм
• Отношение максимального крутящего момента к номинальному: T_max/T_nom = 2.2

После выбора двигателя с известной номинальной частотой вращения, мы можем уточнить общее передаточное отношение привода.
Сначала найдем фактическую частоту вращения приводного барабана в об/мин:
n_бар = (ω_бар * 30) / π = (28 * 30) / 3.14159 ≈ 267,4 об/мин

Тогда общее передаточное отношение:
U_общ = n_двиг / n_бар = 973 / 267,4 ≈ 3,64

Это передаточное отношение необходимо распределить между ступенями привода. Разумно разделить его на редуктор (основной понижающий элемент) и открытую передачу. Примем передаточное число открытой цепной передачи U_откр = 2,0. Тогда передаточное число редуктора будет: U_ред = U_общ / U_откр = 3,64 / 2,0 = 1,82.

Проектирование и расчет открытой передачи привода

Открытая передача соединяет тихоходный вал редуктора с валом приводного барабана. Для тихоходных, силовых передач, работающих в условиях возможного запыления, часто выбирают цепную передачу. Она надежна, проста в обслуживании и не требует значительного предварительного натяжения, в отличие от ременной.

Процесс проектирования включает следующие этапы:

1. Кинематический и силовой расчет. Определяются угловые скорости и вращающие моменты на ведущей и ведомой звездочках. Число зубьев ведущей (меньшей) звездочки рекомендуется принимать в диапазоне z1 = 25…30 для обеспечения плавности работы. Примем z1 = 25. Тогда число зубьев ведомой звездочки: z2 = z1 * U_откр = 25 * 2,0 = 50.
2. Подбор стандартной цепи. На основе передаваемой мощности и частоты вращения ведущей звездочки, по справочным таблицам подбирается шаг цепи. Выбор проверяется по давлению в шарнирах, которое является основным фактором износа цепи.
3. Проверочный расчет на долговечность. Выбранная цепь проверяется по коэффициенту запаса прочности на разрыв. Этот запас должен быть достаточным, чтобы выдерживать рабочую нагрузку, а также дополнительные динамические нагрузки.
4. Определение геометрических параметров. Рассчитываются диаметры звездочек и определяется межосевое расстояние. На основе геометрии вычисляется точная длина цепи (в звеньях). Наконец, рассчитывается сила, действующая на валы от натяжения ветвей цепи, что необходимо для последующего расчета валов и подшипников.

Результатом этого этапа являются полные геометрические и прочностные характеристики цепной передачи, готовые для конструирования.

Проектный расчет зубчатой передачи цилиндрического редуктора

Проектирование зубчатой передачи — это сердце всей курсовой работы, так как от её параметров зависит надежность и габариты самого сложного узла — редуктора. Расчет ведется в несколько шагов.

1. Выбор материалов и термообработки. Для изготовления зубчатых колес широко применяются конструкционные стали. Для шестерни (меньшего, более нагруженного элемента) обычно выбирают более прочный материал или назначают улучшающую термообработку. Например:
   • Шестерня (z1): Сталь 40Х с последующей закалкой для повышения твердости и износостойкости рабочих поверхностей зубьев.
   • Колесо (z2): Сталь 45 (нормализованная), как менее дорогой вариант для более крупной детали.
2. Проектный расчет по контактным напряжениям. Долговечность закрытой, хорошо смазываемой передачи чаще всего определяется контактной выносливостью рабочих поверхностей зубьев. Из этого условия рассчитывается один из главных параметров — межосевое расстояние (aw). Формула учитывает передаваемый момент, передаточное число и физико-механические свойства материалов.
3. Определение модуля зацепления (m). Модуль — это основная характеристика, определяющая размеры зубьев. После расчета межосевого расстояния, модуль определяется по эмпирическим формулам и округляется до ближайшего стандартного значения. Для силовых передач рекомендуется m > 1,5 мм.
4. Определение геометрии передачи. Зная модуль и передаточное число, определяются числа зубьев шестерни и колеса, а затем — все остальные геометрические параметры: делительные и начальные диаметры, высота головки и ножки зуба, ширина венца и т.д.
5. Проверочные расчеты. После определения окончательной геометрии, выполняется два ключевых проверочных расчета:
   • Расчет на контактную выносливость: Уточняется, что контактные напряжения не превышают допускаемых.
   • Расчет на выносливость при изгибе: Проверяется, что напряжения изгиба у основания зуба не приведут к его поломке.

Успешное завершение этих расчетов гарантирует, что зубчатая передача будет иметь необходимый ресурс и прочность.

Эскизная компоновка редуктора и предварительный расчет валов

После того как геометрия зубчатой передачи определена, абстрактные цифры необходимо превратить в реальную конструкцию. Этот этап называется эскизной компоновкой. На этом шаге решаются принципиальные вопросы взаимного расположения деталей внутри корпуса редуктора.

На основе диаметров шестерни и колеса вычерчивается их взаимное расположение в зацеплении. Затем схематично размещаются опоры — подшипниковые узлы. Определяются места для установки крышек подшипников и манжетных уплотнений, которые предотвращают утечку масла и попадание грязи внутрь.

Когда общая схема редуктора ясна, можно приступать к предварительному (проектному) расчету валов. Этот расчет является упрощенным и выполняется только на действие крутящего момента, поскольку изгибающие моменты от сил в зацеплении и передачах еще неизвестны. Цель — получить ориентировочные диаметры валов, чтобы можно было вычертить их эскизы.

Расчет ведется по формуле сопротивления материалов для чистого кручения:

d ≥ (T / (0.2 * [τ]))^(1/3)

Здесь Т — крутящий момент на валу, а [τ] — допускаемое напряжение на кручение, которое принимается заниженным (12-15 МПа) для компенсации неучтенных напряжений изгиба.

Получив минимально допустимые диаметры для быстроходного и тихоходного валов, конструктор вычерчивает эскизы валов, предусматривая посадочные ступени для шестерен, подшипников, муфт и уплотнений. Эти эскизы становятся основой для следующего, самого ответственного этапа — полного проверочного расчета.

Проверочный расчет валов редуктора на статическую прочность и выносливость

Это кульминационный расчетный этап, доказывающий работоспособность спроектированной конструкции валов под действием всех реальных нагрузок. Расчет на выносливость является основным, так как основной причиной разрушения валов является усталость материала от циклически изменяющихся напряжений.

Процедура расчета выполняется в строгой последовательности для каждого вала:

1. Определение сил. Рассчитываются силы, действующие на вал: окружная, радиальная и (для косозубых передач) осевая сила в зубчатом зацеплении, а также сила натяжения от открытой передачи.
2. Построение эпюр. Вал рассматривается как балка, лежащая на двух опорах (подшипниках). Для него строятся эпюры изгибающих моментов (в вертикальной и горизонтальной плоскостях) и эпюра крутящих моментов.
3. Определение опасных сечений. Анализируя эпюры, находят сечения, в которых действуют максимальные моменты. Как правило, это сечения под ступицами шестерен или в местах концентрации напряжений (галтели, шпоночные пазы).
4. Расчет на статическую прочность. В опасных сечениях проверяется, что суммарные напряжения от максимальных (пусковых) нагрузок не вызовут пластической деформации.
5. Расчет на усталостную прочность (выносливость). Это главный проверочный расчет. В опасных сечениях определяется коэффициент запаса усталостной прочности. Этот расчет сложен, так как учитывает множество факторов:
   • Амплитуду и среднее напряжение цикла.
   • Концентрацию напряжений от галтелей и шпоночных пазов, которая сильно снижает выносливость.
   • Масштабный фактор (большие детали менее прочны).
   • Качество обработки поверхности.

Полученный коэффициент запаса прочности должен быть не ниже требуемого (обычно 1,5-2,5), что подтверждает надежность и долговечность вала в заданных условиях эксплуатации.

Выбор и проверочный расчет подшипников качения

Валы редуктора опираются на подшипники качения, которые обеспечивают их вращение с минимальным трением. Ресурс работы всего редуктора часто определяется именно долговечностью подшипников. Поэтому их выбор и проверка являются важнейшей задачей.

Методика подбора следующая:

1. Выбор типа и типоразмера. Тип подшипника выбирается исходя из характера нагрузок. Для валов цилиндрических редукторов, где действуют преимущественно радиальные нагрузки, чаще всего используют радиальные шариковые или роликовые подшипники. Предварительный выбор типоразмера (серии) осуществляется по диаметру посадочной поверхности вала (цапфы), определенному на предыдущем этапе.
2. Определение нагрузок. Из эпюр, построенных при расчете валов, берутся значения радиальных реакций в опорах. Это и есть нагрузки, действующие на подшипники.
3. Расчет эквивалентной динамической нагрузки (Pr). Это расчетная нагрузка, которая условно соответствует по своему воздействию на долговечность подшипника реально действующим радиальной и осевой нагрузкам.
4. Проверочный расчет на долговечность. Это главный критерий работоспособности подшипника. Расчетная долговечность (в миллионах оборотов или часах работы) определяется по формуле:
   

   Lh = (C / Pr)^p * (10^6 / (60 * n))

   где C — динамическая грузоподъемность подшипника (из каталога), Pr — эквивалентная нагрузка, p — показатель степени (3 для шариковых, 10/3 для роликовых), n — частота вращения вала.

Полученная расчетная долговечность Lh должна быть больше требуемого срока службы привода, указанного в техническом задании (например, 10 000 часов). Если условие не выполняется, выбирают подшипник той же серии, но с большей грузоподъемностью, или переходят к более «тяжелой» серии.

Расчет соединений и выбор соединительной муфты

После проектирования основных деталей необходимо обеспечить надежную передачу крутящего момента между ними. Эта задача решается с помощью шпоночных соединений и муфт.

Расчет шпоночных соединений

Для фиксации зубчатых колес и звездочек на валах и предотвращения их проворачивания используются призматические шпонки. Размеры сечения шпонки (ширина и высота) выбираются по ГОСТ в зависимости от диаметра вала. После этого выполняется проверочный расчет соединения.

Основным видом разрушения шпоночного соединения является смятие боковых граней шпонки и пазов. Поэтому главный расчет — это проверка на смятие. Напряжения смятия не должны превышать допускаемых значений для материала вала и ступицы. Проверка на срез шпонки обычно не требуется, так как при стандартных размерах ее прочность на срез обеспечивается с запасом.

Выбор соединительной муфты

Для соединения вала электродвигателя с быстроходным валом редуктора используется муфта. Чтобы компенсировать неизбежные при монтаже небольшие перекосы и несоосности валов, а также для смягчения ударов и вибраций, применяются упругие муфты. Широкое распространение получили упругие втулочно-пальцевые муфты (МУВП) благодаря простоте конструкции и надежности.

Выбор муфты производится по каталогу. Исходными данными являются:

• Расчетный крутящий момент, который превышает номинальный для учета неравномерности работы.
• Диаметры соединяемых валов (вала двигателя и быстроходного вала редуктора).

По этим параметрам выбирается стандартный типоразмер муфты. После выбора проводится проверочный расчет упругих элементов (резиновых втулок) на давление, чтобы убедиться в их долговечности.

Конструктивные элементы редуктора и вопросы эксплуатации

Проектирование привода завершается проработкой конструктивных элементов корпуса редуктора, вопросов смазки и сборки, а также требований безопасности.

1. Система смазки. Для зубчатого зацепления в большинстве случаев применяется картерная смазка окунанием. Зубчатое колесо, вращаясь, погружается в масляную ванну на дне корпуса и разбрызгивает масло, которое попадает на все внутренние детали. Для подшипников может применяться как жидкая смазка из того же картера, так и консистентная (пластичная) смазка, закладываемая при сборке. Выбор конкретного сорта масла зависит от контактных напряжений и скоростей скольжения.
2. Конструкция корпуса. Корпус редуктора обычно выполняется литым из чугуна или сварным из стального проката. Для удобства монтажа и демонтажа валов с установленными на них колесами, корпус делают разъемным в горизонтальной плоскости. В конструкции корпуса предусматриваются:
   • Смотровой люк (крышка) для инспекции состояния зацепления.
   • Маслоуказатель для контроля уровня масла.
   • Пробки для залива и слива масла, а также сапун для выравнивания давления внутри корпуса с атмосферным.
3. Сборка и техника безопасности. Разрабатывается краткая последовательность сборки узла, включая установку валов, регулировку зазоров в подшипниках и зубчатом зацеплении. Отдельно формулируются основные требования техники безопасности при монтаже, эксплуатации и ремонте привода, включая необходимость защитных кожухов для вращающихся частей (муфты, открытой передачи).

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта была решена комплексная инженерная задача по проектированию механического привода ленточного конвейера. Все цели, сформулированные во введении, были полностью достигнуты.

Были последовательно выполнены все необходимые этапы проектирования:

• Проведен анализ технического задания и выполнен кинематический и силовой расчет привода.
• Обоснованно выбран стандартный асинхронный электродвигатель.
• Спроектирован одноступенчатый цилиндрический редуктор, включая проектный и проверочный расчеты зубчатой передачи.
• Разработана и рассчитана открытая цепная передача.
• Проведены детальные проверочные расчеты наиболее ответственных элементов — валов редуктора и подшипниковых опор — на статическую прочность и усталостную выносливость.
• Рассчитаны шпоночные соединения и подобрана стандартная упругая муфта.

В результате был спроектирован привод со следующими итоговыми характеристиками:

Основные параметры привода:

• Тип и мощность двигателя: АИР160S6, 11 кВт.
• Общее передаточное отношение: U_общ ≈ 3,64.
• Передаточное число редуктора: U_ред ≈ 1,82.
• Передаточное число цепной передачи: U_откр = 2,0.
• Тип редуктора: цилиндрический, одноступенчатый.

Проведенные расчеты подтверждают, что спроектированная конструкция отвечает требованиям технического задания по производительности, а также критериям прочности и долговечности. Привод готов к дальнейшей деталировке и изготовлению.

Список использованных источников и Приложения

Академическая добросовестность и полнота конструкторской документации требуют надлежащего оформления сопроводительных разделов. В курсовой работе этот блок должен содержать:

1. Список использованных источников. Здесь приводится перечень всей учебной и справочной литературы, каталогов стандартных изделий и ГОСТов, которые использовались в процессе расчетов. Оформление списка должно соответствовать требованиям действующих стандартов.
2. Приложения. В этот раздел выносятся дополнительные материалы, которые загромождают основной текст, но необходимы для полноты проекта. Как правило, сюда включают:
   • Спецификации на сборочные единицы (например, на редуктор и на привод в целом).
   • Копии страниц каталогов с характеристиками выбранного двигателя, подшипников, муфты.
   • Рабочие чертежи: сборочный чертеж редуктора, чертежи деталей (вал-шестерня, зубчатое колесо, крышка подшипника и т.д.).