Механический привод является основой большинства машин и механизмов, преобразуя энергию двигателя во вращательное или поступательное движение исполнительного органа. Его надежность и эффективность напрямую влияют на производительность всего технологического комплекса. Целью данного курсового проекта является проектирование привода к качающемуся подъемнику на основании заданных технических характеристик. Проектируемая конструкция представляет собой многозвенную систему, которая включает в себя электродвигатель, соединенный при помощи ремённой передачи с червячным одноступенчатым редуктором, который, в свою очередь, через муфту и цепную передачу передает вращение на исполнительный механизм. Главная задача работы — последовательно разработать и рассчитать все ключевые элементы привода, чтобы обеспечить требуемую производительность, долговечность и соответствие стандартам.
Раздел 1. Исходные данные для проектирования, или как правильно начать расчет
Начальный этап проектирования — самый ответственный. Здесь закладывается фундамент всей будущей конструкции. Ошибки, допущенные при определении глобальных кинематических и силовых параметров, неизбежно проявятся на последующих стадиях, требуя полной переработки проекта. Поэтому к этому разделу следует отнестись с максимальным вниманием.
1.1. Выбор электродвигателя как первый и главный шаг
Проектирование любого привода начинается не с редуктора или валов, а с «сердца» всей системы — электродвигателя. Его выбор должен быть строго обоснован расчетным путем, который идет в обратном порядке: от конечного потребителя к источнику энергии.
Алгоритм выбора выглядит следующим образом:
- Определение требуемой мощности на выходном валу. Это первая расчетная величина, которая определяется исходя из нагрузок на исполнительном механизме (в нашем случае — на валу подъемника) и требуемой скорости его работы.
- Расчет общего КПД привода. Мощность теряется на каждом звене передачи: в подшипниках, в зацеплении редуктора, в ременной и цепной передачах, в муфтах. Общий КПД привода определяется как произведение КПД всех его последовательных ступеней. Этот показатель отражает, какая доля мощности двигателя реально дойдет до исполнительного органа.
- Расчет требуемой мощности электродвигателя. Зная мощность на выходе и общий КПД, мы можем вычислить мощность, которую должен развивать двигатель, чтобы компенсировать все потери. Формула проста: Рдвиг = Рвых / ηобщ.
На основе полученного значения мощности и заданной частоты вращения из каталога стандартного оборудования подбирается ближайший по параметрам асинхронный электродвигатель с небольшим запасом мощности (обычно 10-15%). Этот запас необходим для компенсации пиковых нагрузок и непредвиденных потерь.
1.2. Распределение передаточных чисел, мощностей и крутящих моментов по валам
После выбора двигателя с известной частотой вращения и зная требуемую частоту вращения выходного вала, мы можем определить общее передаточное число привода. Однако стандартные редукторы выпускаются с фиксированными рядами передаточных отношений. Поэтому для точного достижения требуемых параметров в приводе почти всегда предусматривается дополнительная открытая передача (ременная или цепная).
Общее передаточное число (Uобщ) разбивается на две ступени: Uред (для редуктора) и Uоткр (для открытой передачи). Их значения выбираются из стандартных рекомендованных диапазонов для каждого типа передач. После этого можно последовательно рассчитать кинематические и силовые параметры для каждого вала системы.
Расчет ведется последовательно от вала двигателя к валу исполнительного органа. На каждом следующем валу уменьшается угловая скорость и, за вычетом потерь, увеличивается крутящий момент.
Результаты этих расчетов удобно свести в единую таблицу для наглядности и дальнейшего использования.
| Параметр | Вал электродвигателя | Быстроходный вал редуктора | Тихоходный вал редуктора | Вал исполнительного органа |
|---|---|---|---|---|
| Мощность, P (кВт) | P₁ | P₂ = P₁ * η₁ | P₃ = P₂ * η₂ | P₄ = P₃ * η₃ |
| Угловая скорость, ω (рад/с) | ω₁ | ω₂ = ω₁ / Uоткр | ω₃ = ω₂ / Uред | ω₄ = ω₃ / Uцепи |
| Крутящий момент, T (Нм) | T₁ = P₁ / ω₁ | T₂ = P₂ / ω₂ | T₃ = P₃ / ω₃ | T₄ = P₄ / ω₄ |
Раздел 2. Проектирование червячного редуктора, сердца нашего привода
Червячный редуктор — сложный и ответственный узел. Он обеспечивает большое передаточное отношение в одной ступени, работает плавно и бесшумно. Однако его расчет требует особого внимания из-за высокого трения в зацеплении и специфических требований к материалам.
2.1. Проектный расчет передачи, где правильный выбор материалов определяет геометрию
Ключевая особенность проектирования червячной передачи состоит в том, что расчет геометрии начинается с выбора материалов. Для пары «червяк-колесо» используются материалы с хорошими антифрикционными свойствами для снижения трения и износа. Классической и наиболее распространенной парой является:
- Червяк: Углеродистая или легированная сталь (например, сталь 45) с последующей термообработкой для достижения высокой твердости витков.
- Червячное колесо: Оловянистая бронза (например, БрОФ10-1) для венца, обладающая низким коэффициентом трения в паре со сталью.
Именно допускаемые контактные напряжения для выбранной пары материалов служат отправной точкой для проектного расчета. Главная цель этого расчета — определить основной геометрический параметр редуктора, его межосевое расстояние (aw). Уже на основе найденного межосевого расстояния и передаточного числа определяются все остальные параметры: модуль зацепления, число заходов червяка, число зубьев колеса и их геометрия.
2.2. Проверочные расчеты как финальное подтверждение работоспособности
Проектный расчет дает нам предварительную геометрию передачи. Но будет ли она работать под нагрузкой в течение требуемого срока службы? Чтобы ответить на этот вопрос, выполняются обязательные проверочные расчеты, которые являются своего рода инженерным экзаменом для спроектированной конструкции.
Ключевых проверок две:
- Расчет на контактную прочность. Проверяется, не превышают ли контактные напряжения, возникающие на рабочих поверхностях витков червяка и зубьев колеса, допускаемых значений для выбранных материалов. Этот расчет гарантирует отсутствие усталостного выкрашивания поверхностей.
- Расчет зубьев колеса на изгиб. Зуб червячного колеса рассматривается как консольная балка. Проверка подтверждает, что напряжения изгиба у основания зуба не приведут к его поломке под действием максимальной нагрузки.
Только после того, как расчетные напряжения в обеих проверках оказываются меньше допускаемых, можно сделать однозначный вывод: спроектированная передача работоспособна и выдержит заданные условия эксплуатации.
Раздел 3. Конструирование валов и подбор подшипниковых узлов
Валы — это «скелет» редуктора, на котором монтируются все вращающиеся детали. Их проектирование — это комплексная задача, балансирующая между прочностью, жесткостью и технологичностью изготовления.
3.1. Эскизное проектирование валов на основе предварительных расчетов
Процесс конструирования вала начинается не с чертежа, а с цифр. Первым шагом является предварительный расчет на прочность (чаще всего только на кручение), который позволяет определить минимально допустимые диаметры быстроходного и тихоходного валов. Эти диаметры служат отправной точкой для создания эскизной конструкции.
На эскизе вал прорабатывается конструктивно: определяются длины и диаметры всех его участков. Проектируются посадочные места под:
- Червяк (для быстроходного вала) или червячное колесо (для тихоходного).
- Подшипники в опорах.
- Манжетные уплотнения для предотвращения утечки масла.
- Полумуфты или шкивы для связи с внешними элементами привода.
Эскизная компоновка — это итерационный процесс, в ходе которого конструктор, как скульптор, «вытачивает» изначальную заготовку, придавая ей функциональную форму.
3.2. Проверочный расчет валов и обоснованный выбор подшипников
Эскизная конструкция — это лишь гипотеза. Ее необходимо подтвердить строгим проверочным расчетом, который является кульминацией работы над валом. Этот процесс включает в себя несколько этапов: определение сил, действующих на вал со стороны зубчатого зацепления, и построение эпюр (графиков) изгибающих и крутящих моментов по всей длине вала. Эпюры наглядно показывают, где находится опасное сечение — место, испытывающее наибольшие нагрузки.
Именно для этого сечения и проводится финальный расчет на усталостную прочность, где определяется коэффициент запаса прочности. Он должен быть выше нормативного значения, что гарантирует длительную работу вала без разрушения.
Результаты силового расчета напрямую используются для следующего шага — выбора подшипников. На основе реакций в опорах (которые являются нагрузками на подшипники) и диаметров посадочных мест из каталога подбираются стандартные подшипники качения. Для них выполняется проверка по динамической грузоподъемности, которая подтверждает, что их ресурс (срок службы в часах или миллионах оборотов) соответствует требованиям технического задания.
Раздел 4. Компоновка редуктора и завершающие этапы проектирования
Когда все внутренние компоненты рассчитаны, их необходимо «упаковать» в единый, герметичный и функциональный узел. Эту задачу решает корпус редуктора и вспомогательные системы.
Конструирование корпуса подчиняется нескольким принципам: он должен обладать достаточной жесткостью, чтобы обеспечить неизменность межосевого расстояния под нагрузкой, быть технологичным в изготовлении и обеспечивать удобство сборки и обслуживания. Для этого предусматриваются смотровые люки, пробки для залива и слива масла, а также рым-болты для транспортировки.
Важнейшим аспектом является система смазки. Для червячных редукторов с относительно невысокими скоростями червяка чаще всего применяется картерная смазка окунанием: червячное колесо (или червяк) частично погружается в масляную ванну на дне корпуса и при вращении разбрызгивает масло, смазывая зацепление и подшипники. Марка масла подбирается в зависимости от контактных напряжений и скоростей скольжения в зацеплении.
Завершают компоновку выбором стандартных изделий по каталогам: крышек подшипников, манжетных уплотнений, крепежных элементов, что значительно упрощает и удешевляет производство.
По итогам курсовой работы был спроектирован механический привод к качающемуся подъемнику, полностью соответствующий исходному техническому заданию. В ходе проектирования был выбран асинхронный электродвигатель требуемой мощности, рассчитаны и распределены общее передаточное число и крутящие моменты по валам. Ключевые результаты проекта включают детальный расчет червячного редуктора с определением его геометрических и прочностных характеристик, а также конструирование и проверку валов и подшипниковых узлов. Спроектированная конструкция обеспечивает заданную производительность и надежность, и на ее основе может быть разработана полная конструкторская документация, включая сборочные чертежи и деталировку.
Список использованной литературы
- Шейнблит А.Е. Курсовое проектирование деталей машин.- М.: Янтарный сказ. 2002, 455 с.
- Редукторы и мотор-редукторы общемашиностроительного применения: справочник/ Л.С. Бойко [и др.]. М.: Машиностроение, 1984. 247 с.
- Иванов М.Н.Детали машин .Курсовое проектирование М.: Высшая школа. 1984. 551 с.
- Расчет зубчатых передач: методические указания по курсам «Детали машин» и «Механика»/ Г.И. Казанский [и др.].Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, 2002. 36 с.
- Чернавский С.А. и др. Курсовое проектирование деталей машин.- М.: Высшая школа. 1985.
- Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Детали машин. Курсовое проектирование — М.: Высшая школа. 2002.
- Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин — М.: Высшая школа. 1985.
- Детали машин. Атлас конструкций. Под редакцией Д.Н. Решетова. –М. Машиностроение, 1979.