Проектирование привода пластинчатого конвейера: Методические указания и пример выполнения курсовой работы

Введение в задачу проектирования

Проектирование привода механизма — это одна из ключевых и фундаментальных компетенций инженера. Пластинчатый конвейер, широко используемый в промышленности, является прекрасным примером комплексной задачи, требующей глубоких знаний из таких дисциплин, как сопромат, материаловедение и теоретическая механика. На первый взгляд, объем расчетов может показаться пугающим, однако это руководство построено как пошаговый навигатор, который проведет вас от исходных данных до готового проекта.

Важно понимать: главная цель этой курсовой работы — не просто получить правильные цифры. Ее задача — научить вас процессу рационального проектирования. Это значит принимать обоснованные решения, обеспечивая в итоге необходимую надежность, долговечность и экономичность всей конструкции. Вы научитесь выбирать материалы, определять оптимальные формы деталей и связывать отдельные элементы в единую работоспособную систему.

Итак, давайте определимся с конкретными параметрами, на основе которых будет строиться вся дальнейшая работа.

Готовое техническое задание как основа для вашего проекта

Для выполнения курсовой работы мы будем использовать типовой набор исходных данных. На этом примере вы сможете выполнить любой аналогичный расчет, просто подставив свои значения. Данная работа посвящена проектированию привода именно для пластинчатого конвейера.

Исходные данные для проектирования:

• Мощность на выходном валу (мощность потребителя): P = 7.5 кВт. Это полезная мощность, необходимая для перемещения груза конвейером.
• Угловая скорость выходного вала: n = 29 об/мин. Это скорость вращения вала, приводящего в движение конвейерную цепь.
• Требуемый ресурс (срок службы): L = 20 000 часов.
• Режим нагружения: Средний, с умеренными колебаниями.
• Тип производства: Серийное.
• Тип муфты: Упругая втулочно-пальцевая (УВП).

Крутящий момент, который необходимо обеспечить на валу рабочего органа (конвейера), при таких параметрах составит около 1975 Нм. Задача привода — передать мощность от двигателя, преобразовав высокую скорость вращения и низкий момент в низкую скорость и высокий момент.

Имея на руках исходные данные, мы можем приступить к первому и самому ответственному этапу — определению сердца всей системы.

Этап 1. Кинематический расчет и выбор электродвигателя

Процесс проектирования начинается «от обратного» — от требований рабочего органа (конвейера) к двигателю. Нам нужно подобрать двигатель, который сможет обеспечить необходимую мощность на выходном валу с учетом всех потерь в передачах. Алгоритм действий выглядит следующим образом:

1. Расчет требуемой мощности двигателя. Мощность, которую должен развивать двигатель, всегда больше мощности на выходном валу, так как в каждой передаче и в каждом подшипнике происходят потери энергии. Общий КПД привода рассчитывается как произведение КПД всех его элементов (редуктора, открытой передачи, муфт, подшипниковых узлов).
2. Определение необходимого крутящего момента. Этот параметр мы уже определили в исходных данных, он является отправной точкой для всех последующих силовых расчетов.
3. Выбор типа и скорости двигателя. Для приводов конвейеров чаще всего применяются надежные и простые по конструкции асинхронные электродвигатели. С точки зрения габаритов и стоимости редуктора, наиболее предпочтительны двигатели с синхронной скоростью вращения вала 1000 или 1500 об/мин.
4. Подбор конкретной модели. На основе рассчитанной требуемой мощности и выбранной скорости вращения по каталогу подбирается стандартный электродвигатель ближайшей большей мощности. Для нашего примера подойдет двигатель мощностью 7.5 кВт со скоростью вращения вала около 727 об/мин.

Теперь, когда известны параметры двигателя и требуемые параметры на выходном валу, нам нужно спроектировать «мост» между ними — редуктор. Для этого сначала определим его главную характеристику.

Как найти общее передаточное число и разбить его по ступеням

Общее передаточное число (U) привода — это ключевой параметр, показывающий, во сколько раз привод уменьшает скорость вращения от вала двигателя до вала рабочего органа. Оно рассчитывается как отношение угловой скорости вала двигателя (n_дв) к угловой скорости выходного вала (n_вых).

Для нашего случая:

U_общ = n_дв / n_вых ≈ 727 / 29 ≈ 25.07

Такое большое передаточное число практически невозможно и нецелесообразно реализовать в одной зубчатой передаче. Поэтому его разбивают на ступени. Типичная схема привода включает:

• Открытую передачу (например, цепную или ременную), которая соединяет редуктор с валом конвейера.
• Закрытую зубчатую передачу (редуктор), которая может состоять из одной, двух или трех ступеней.

Общее передаточное число является произведением передаточных чисел всех отдельных передач. Распределять его следует рационально. Например, для двухступенчатого цилиндрического редуктора с цепной передачей разбивка может быть такой: U_общ = U_цепи × U_{1 ступени ред.} × U_{2 ступени ред.}. Зная передаточные числа каждой ступени, мы можем перейти к детальному проектированию зубчатых колес.

Проектирование передач редуктора как основа всей конструкции

Это центральная часть курсовой работы, где абстрактные передаточные числа превращаются в конкретные детали. Расчет любой передачи (будь то цилиндрическая, коническая или цепная) ведется по схожему алгоритму и должен быть отражен в соответствующих разделах пояснительной записки.

Последовательность проектирования для каждой ступени:

1. Силовой расчет. Определяются мощности, крутящие моменты и скорости для каждого вала в приводе (вала двигателя, промежуточных валов редуктора, выходного вала).
2. Прочностной расчет зубьев. Это важнейший этап, где определяется геометрия передачи. Зубья рассчитываются по двум основным критериям: на контактную прочность (чтобы избежать выкрашивания поверхностей) и на прочность при изгибе (чтобы избежать поломки зуба у основания).
3. Определение геометрических параметров. По результатам прочностного расчета определяются ключевые размеры: модуль зацепления, число зубьев шестерни и колеса, межосевое расстояние, ширина зубчатых венцов.
4. Проверочные расчеты. После определения всех размеров проводятся уточненные расчеты, подтверждающие, что передача выдержит заданные нагрузки в течение требуемого ресурса.

Когда геометрия передач определена, необходимо спроектировать элементы, на которых они будут установлены.

Следующий шаг заключается в расчете и конструировании валов

Валы — это оси, на которых вращаются зубчатые колеса и которые передают крутящий момент. Их проектирование — ответственная задача, так как от их прочности и жесткости зависит работоспособность всего редуктора. Процесс состоит из нескольких этапов:

1. Эскизная компоновка. На этом этапе выполняется черновой эскиз вала, на котором схематично располагаются все элементы: зубчатые колеса, подшипники, муфты, уплотнения. Определяются длины отдельных участков вала.
2. Предварительный расчет диаметров. Диаметры валов на предварительном этапе рассчитываются только на действие крутящего момента. Это позволяет получить отправные размеры для дальнейших расчетов.
3. Построение эпюр. На валы действуют не только крутящие, но и изгибающие моменты от сил в зацеплении. Необходимо построить эпюры изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а затем суммарную эпюру.
4. Проверочный расчет. Находятся наиболее нагруженные (опасные) сечения вала. Для этих сечений выполняется проверочный расчет на статическую прочность (по эквивалентному напряжению) и, что особенно важно для долговечных машин, на сопротивление усталости (выносливость).

Расчетно-пояснительная записка обязательно должна содержать как расчет диаметров валов, так и их финальный проверочный расчет на прочность и выносливость.

Валы спроектированы. Теперь нужно подобрать компоненты, которые обеспечат их вращение и соединение с другими элементами привода.

Выбор ключевых вспомогательных элементов, от подшипников до муфт

Надежность привода зависит не только от уникальных деталей (валов, колес), но и от правильного выбора стандартных изделий. Эти процедуры также являются обязательной частью курсовой работы.

Подшипники. Они устанавливаются в корпусе и служат опорами для валов.

Их выбор осуществляется по каталогу в несколько шагов. Сначала по диаметрам посадочных мест на валу (цапф) и характеру нагрузок выбирается тип и серия подшипника (например, шариковый радиальный или роликовый конический). Затем, зная реакции в опорах (полученные при расчете валов), проводится проверочный расчет на динамическую грузоподъемность, чтобы убедиться, что их долговечность будет не меньше требуемого ресурса привода.

Муфты. Они служат для соединения валов между собой (например, вала двигателя с валом редуктора).

Тип муфты обычно задан в техническом задании. Ее подбор по каталогу осуществляется по двум основным параметрам: передаваемому крутящему моменту и диаметрам соединяемых валов.

Все внутренние компоненты рассчитаны и подобраны. Пришло время разместить их в едином пространстве.

Компоновка редуктора и основные принципы конструирования корпуса

Корпус — это базовая деталь, которая объединяет все элементы редуктора в единое целое, обеспечивает точность их взаимного расположения и защищает от внешней среды. После того как все валы и зубчатые колеса рассчитаны, начинается этап компоновки.

Логика здесь проста: от внутреннего к внешнему. Сначала в сборочном чертеже размещаются валы с зубчатыми колесами, затем подшипниковые узлы. Исходя из их расположения и необходимости обеспечить зазоры между вращающимися деталями и стенками, определяются внутренние размеры корпуса. Далее назначаются конструктивные параметры самого корпуса:

• Толщина стенок и фланцев.
• Размеры и количество ребер жесткости для повышения прочности.
• Элементы смазочной системы (маслоуказатель, пробки для залива и слива масла).
• Конструкция подшипниковых крышек и уплотнений для предотвращения утечки смазки.

Компоновка — это итерационный процесс, требующий увязки множества размеров и обеспечения собираемости всей конструкции.

Инженерная часть работы завершена. Остался последний, не менее важный этап — правильное оформление результатов.

Финальный этап — подготовка чертежей и пояснительной записки

Результатом курсовой работы является комплект конструкторской документации. Он наглядно демонстрирует проделанную работу и принятые инженерные решения. Стандартный проект состоит из двух частей.

1. Графическая часть

Обычно включает 3 листа чертежей формата А1, на которых должны быть представлены:

• Общий вид привода. Показывает взаимное расположение двигателя, редуктора, открытой передачи и рабочего органа.
• Сборочный чертеж редуктора. Детально показывает внутреннее устройство редуктора со спецификацией всех его элементов.
• Рабочие чертежи деталей. Как правило, это чертежи вала-шестерни, зубчатого колеса, выходного вала и крышки подшипника.

2. Расчетно-пояснительная записка (РПЗ)

Это текстовый документ, который содержит все теоретические обоснования и расчеты. Его структура строго регламентирована и включает: Титульный лист, Содержание, Введение, Основную часть (с последовательным изложением всех расчетов от выбора двигателя до расчета валов на прочность), Заключение и Список литературы.

При оценке работы особое внимание уделяется обоснованности выводов, самостоятельности суждений и правильности применения научных методик.

Пройдя весь путь от исходных данных до требований к оформлению, мы готовы подвести итог.

Заключение

Мы рассмотрели полную логическую цепочку проектирования привода: от определения требуемой мощности и выбора двигателя, через расчет передаточного числа, проектирование зубчатых передач и валов, до компоновки редуктора и оформления документации. Этот путь наглядно показывает, что любой сложный, на первый взгляд, инженерный проект можно успешно выполнить, если разбить его на понятные и последовательные шаги.

Успешное выполнение этой курсовой работы — это не только получение высокой оценки. Это, прежде всего, освоение фундаментальных принципов и методик инженерного проектирования. Эти навыки станут надежной основой вашей будущей профессиональной деятельности, позволяя уверенно решать самые сложные конструкторские задачи.

Список использованной литературы

1. Варианты заданий для проектирования приводов в курсе '' Детали машин '' и рекомендации по конструированию : Учебно-методическое пособие / Сост. Сулейманов А.С. — Уфа : Изд-во Уфим. нефт. техн. унив., 2005 . — 29 с.
2. Оформление пояснительных записок при курсовом проектировании и вы-полнении расчётно-графических работ: Учебно – методическое пособие / Сост. Сулейманов А.С. – Уфа : Изд-во Уфим. нефт. техн. унив., 2011 .–18 с.
3. Пример выполнения расчетной части проекта привода: Учебно – методическое пособие / Сост. Сулейманов А.С. – Уфа : Изд-во Уфим. нефт. техн. унив., 2002 .–29 с.