Методика и пример расчета приводного вала ленточного конвейера в курсовом проектировании

Введение, определяющее цели и задачи курсового проекта

Актуальность курсового проекта обусловлена широким применением ленточных конвейеров в ключевых отраслях промышленности: от машиностроения до сельского хозяйства. Они являются незаменимым средством для транспортировки сыпучих и штучных грузов, таких как гравий, цемент или грунт. Эффективность и надежность всей установки напрямую зависит от безупречной работы ее привода, центральным звеном которого является приводной вал. Именно он чаще всего подвергается сложным нагрузкам и определяет долговечность машины.

В данной работе объектом исследования выступает ленточный конвейер как транспортирующее устройство непрерывного действия. Предметом исследования является его наиболее ответственный узел — приводной вал, который выполняет основную технологическую операцию, приводя в движение ленту.

Главная цель работы — на основе анализа технической литературы и методик расчета спроектировать приводной вал ленточного конвейера, отвечающий требованиям прочности и долговечности. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

• Провести анализ исходных данных и литературы по теме.
• Выполнить кинематический и силовой анализ привода.
• Определить диаметры ступеней вала и разработать его конструкцию.
• Рассчитать усилия, действующие на вал.
• Выполнить проверочный расчет вала на усталостную прочность.
• Подобрать и рассчитать сопутствующие элементы: подшипники и шпоночные соединения.

Формулировка исходных данных для начала расчетов

В основе любого курсового проекта по деталям машин лежит техническое задание, которое определяет ключевые эксплуатационные характеристики будущего механизма. Как правило, в задании указывается кинематическая схема привода, включающая последовательность его основных элементов: электродвигателя, передач (ременной, цепной) и редуктора. На основе этой схемы и заданных параметров выполняются все последующие вычисления.

Для расчета привода ленточного конвейера необходимы следующие исходные данные:

1. Производительность конвейера (Q): масса материала, перемещаемая в единицу времени (т/ч).
2. Скорость движения ленты (V): линейная скорость перемещения груза (м/с).
3. Характеристики конвейера: длина (L, м) и угол наклона к горизонту (α, градусы).
4. Ширина ленты (B): ширина грузонесущего полотна (мм).
5. Характеристики материала: удельный вес транспортируемого груза (γ, Н/м³).

Эти параметры являются отправной точкой для инженерного анализа и позволяют определить нагрузки, которые будет испытывать каждый элемент конструкции, в первую очередь — приводной вал.

Этап 1. Проведение кинематического и силового анализа привода

Фундаментом для всех последующих вычислений является кинематический и силовой анализ. Его задача — определить требуемую мощность, скорости вращения и крутящие моменты на каждом валу привода, от электродвигателя до приводного барабана конвейера. Этот этап позволяет сформировать четкие требования к компонентам системы.

Первым шагом рассчитывается требуемая мощность на валу приводного барабана. Она зависит от производительности конвейера, скорости ленты и сил сопротивления движению. Далее, для определения мощности электродвигателя, это значение корректируется с учетом потерь в каждом звене передачи. Мощность на валу двигателя вычисляется с учетом общего КПД системы, который равен произведению КПД всех передач (ременной, цепной) и редуктора.

Затем определяется общее передаточное отношение привода. Оно вычисляется как произведение передаточных отношений всех его ступеней (редуктора, ременной и цепной передач). Зная требуемую частоту вращения приводного барабана (которая напрямую связана со скоростью ленты и диаметром барабана) и общее передаточное отношение, мы можем вычислить необходимую частоту вращения вала электродвигателя.

Наконец, зная мощность и угловую скорость, вычисляется крутящий момент на приводном валу. Именно эта величина является ключевой для последующих расчетов вала на прочность.

Этап 2. Аргументированный выбор электродвигателя и редуктора

Имея на руках рассчитанные значения мощности и передаточного отношения, можно приступать к подбору стандартных узлов — электродвигателя и редуктора. Этот процесс выполняется по каталогам производителей и требует внимательного согласования параметров.

Выбор электродвигателя осуществляется по двум основным критериям:

• Расчетная мощность: подбирается ближайшая по каталогу стандартная модель с мощностью, немного превышающей расчетное значение. Это обеспечивает необходимый запас.
• Частота вращения вала: выбирается двигатель с синхронной частотой вращения, наиболее близкой к требуемой, рассчитанной на предыдущем этапе.

После выбора двигателя уточняется передаточное отношение всего привода. Затем осуществляется выбор редуктора. Типовая схема часто включает одноступенчатый зубчатый редуктор. Его подбирают по двум параметрам: передаточному отношению и номинальному крутящему моменту на выходном валу, который должен быть больше расчетного. Важно, чтобы выбранный редуктор был конструктивно и по габаритам совместим с выбранным двигателем. В некоторых случаях также подбираются стандартные муфты для соединения валов.

Этап 3. Проектировочный расчет вала и определение его геометрии

После выбора внешних компонентов наступает этап конструктивной разработки самого ответственного элемента — приводного вала. Первый шаг в этом процессе — проектировочный (предварительный) расчет, цель которого — определить его основные диаметры и наметить общую геометрию.

Этот упрощенный расчет ведется, как правило, только на прочность по кручению. За основу берется максимальный крутящий момент, который действует на вал, и допускаемое напряжение на кручение для выбранного материала (обычно это конструкционные стали, например, Сталь 45). Минимальный диаметр выходного конца вала определяется по формуле, связывающей эти величины.

Полученный диаметр становится отправной точкой для конструктивного назначения диаметров остальных ступеней вала. Этот процесс идет с учетом функционального назначения каждой ступени:

• Под посадку приводного барабана: диаметр увеличивается для обеспечения прочности и создания упорного буртика.
• Под посадку подшипников: диаметры назначаются в соответствии со стандартными размерами подшипников из каталога.
• Под посадку полумуфты или звездочки: диаметр соответствует посадочному отверстию выбранного стандартного изделия.

В результате создается эскиз вала — ступенчатого тела вращения с четко определенными диаметрами и длинами каждой ступени. Эта предварительная геометрия станет основой для всех последующих проверочных расчетов.

Этап 4. Построение эпюр изгибающих и крутящих моментов

Предварительно намеченная геометрия вала должна быть проверена в условиях реальных нагрузок. Для этого необходимо визуализировать, как эти нагрузки распределяются по его длине. Этот анализ выполняется путем построения эпюр — графиков, показывающих изменение моментов в каждом сечении вала.

Сначала составляется расчетная схема вала. Он представляется как прямая балка, которая опирается на две шарнирные опоры в местах установки подшипников. Затем к этой балке прикладываются все действующие на вал силы. К ним относятся сила натяжения ремня (или цепи) от передачи и сила окружного усилия от приводного барабана. На основе этих сил рассчитываются реакции в опорах (подшипниках).

Далее последовательно строятся эпюры:

1. Эпюра крутящего момента (Мк): обычно имеет ступенчатый вид, показывая, как крутящий момент передается от места приложения (шкив, звездочка) к рабочему органу (барабану).
2. Эпюры изгибающих моментов (Ми): строятся в двух плоскостях — горизонтальной и вертикальной, так как силы от передач и натяжения ленты могут действовать под разными углами.
3. Суммарная эпюра изгибающих моментов: получается путем геометрического сложения моментов из двух плоскостей в каждом сечении.

Анализ построенных эпюр позволяет точно определить опасные сечения — точки, где изгибающие и/или крутящие моменты достигают своих максимальных значений. Именно в этих сечениях и будет проводиться дальнейшая проверка прочности.

Этап 5. Проверочный расчет вала на статическую прочность с учетом концентраторов

Этот расчет предназначен для проверки того, выдержит ли вал кратковременные пиковые нагрузки без возникновения пластических деформаций или разрушения. Проверка выполняется для опасных сечений, определенных на предыдущем этапе по эпюрам моментов.

Поскольку вал испытывает совместное действие изгиба и кручения, для оценки напряженного состояния используется одна из теорий прочности (чаще всего — третья или четвертая). На основе этой теории вычисляется эквивалентное напряжение, которое сравнивается с пределом текучести материала вала. В расчете обязательно учитываются концентраторы напряжений — места резкого изменения формы вала (галтели, канавки под шпонки), где напряжения локально возрастают.

Итогом расчета является определение коэффициента запаса статической прочности. Он показывает, во сколько раз максимальные действующие напряжения меньше допустимых для данного материала.

Для валов общемашиностроительного применения нормативное значение коэффициента запаса статической прочности обычно находится в диапазоне 1.5–2.5.

Если полученный в расчете коэффициент оказывается выше нормативного, делается вывод о том, что статическая прочность вала обеспечена. Это важный, но не финальный этап проверки.

Этап 6. Углубленный расчет вала на усталостную прочность

Это кульминационный и самый ответственный этап проектирования, так как подавляющее большинство разрушений валов происходит не от однократной перегрузки, а из-за усталости материала под действием циклически изменяющихся напряжений. Валы при работе вращаются, поэтому напряжения изгиба в их волокнах меняются по симметричному циклу (от положительного до отрицательного значения), что и приводит к накоплению усталостных повреждений.

Цель расчета — определить коэффициент запаса усталостной прочности и убедиться, что он достаточен для долгой и безаварийной работы. Расчет выполняется для самого нагруженного сечения по комплексной формуле, учитывающей множество факторов:

• Амплитуда и среднее напряжение цикла: определяются на основе эпюр изгибающих и крутящих моментов.
• Предел выносливости материала: базовая характеристика сопротивления усталости для выбранной стали, берется из справочников.
• Эффективный коэффициент концентрации напряжений (Kσ, Kτ): учитывает не только геометрическую форму концентратора (например, галтели), но и чувствительность материала к нему.
• Масштабный фактор: вносит поправку на то, что крупные детали менее стойки к усталости, чем мелкие.
• Коэффициент качества поверхности: учитывает влияние шероховатости, полученной после механической обработки (точение, шлифовка).

Полученный в результате вычислений коэффициент запаса усталостной прочности сравнивается с требуемым нормативным значением (обычно 1.5–2.5). Если условие выполняется, считается, что вал спроектирован надежно и его долговечность обеспечена. В противном случае необходимо внести изменения в конструкцию: увеличить диаметр, выбрать более прочный материал или применить технологию упрочнения поверхности.

Этап 7. Финальный подбор подшипников и расчет шпоночных соединений

Убедившись в прочности и долговечности самого вала, необходимо подобрать и проверить вспомогательные элементы, обеспечивающие его правильную работу в сборочном узле. Ключевыми из них являются подшипники качения и шпоночные соединения.

Подбор подшипников качения осуществляется на основе ранее рассчитанных реакций опор и известных посадочных диаметров вала. По этим данным из каталога выбирается подходящий тип и типоразмер подшипника (например, радиальный шариковый однорядный). Далее выполняется проверочный расчет по динамической грузоподъемности. Его цель — убедиться, что выбранный подшипник обеспечит требуемый ресурс работы (в часах) при заданных нагрузках и частоте вращения.

Расчет шпоночных соединений необходим для проверки элементов, передающих крутящий момент от вала к ступице (например, приводного барабана или звездочки). Для наиболее нагруженного соединения по диаметру вала и величине момента подбирается стандартная призматическая шпонка. Затем для нее выполняется проверочный расчет по двум критериям:

1. Напряжения смятия на боковых гранях.
2. Напряжения среза в поперечном сечении.

Полученные напряжения сравниваются с допускаемыми для материалов вала и ступицы. Успешное прохождение этих проверок завершает расчетную часть курсового проекта.

Заключение, обобщающее результаты и рекомендации по оформлению

В ходе выполнения курсовой работы был произведен полный цикл проектировочных и проверочных расчетов ключевого элемента привода ленточного конвейера. Были решены все поставленные задачи: на основе исходных данных выполнен кинематический и силовой анализ, подобран электродвигатель и редуктор, спроектирована конструкция приводного вала. Проведенные расчеты на статическую и усталостную прочность подтвердили работоспособность и надежность вала.

Главный вывод работы: спроектированный приводной вал полностью соответствует требованиям прочности, надежности и долговечности при заданных условиях эксплуатации.

Результаты расчетов должны быть оформлены в виде расчетно-пояснительной записки. Графическая часть проекта, как правило, включает чертеж общего вида привода, сборочный чертеж приводного вала со всеми сопрягаемыми деталями (подшипниками, барабаном, крышками) и рабочий чертеж самого вала (деталировка). Все чертежи необходимо выполнять в строгом соответствии с правилами ЕСКД.

Список использованной литературы

1. ГОСТ 23360-78. Основные нормы взаимозаменяемости. Соединения шпоночные с призматическими шпонками. Размеры шпонок и сечений пазов. Допуски и посадки.
2. ГОСТ 8545-75.Подшипники шариковые и роликовые двухрядные с закрепительными втулками. Типы и основные размеры.
3. ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия.
4. Барабанцев В.А. Расчет и конструирование приводного вала: метод. указания к курсовому проекту по дисциплинам «Прикладная механика» и «Механика» для студентов техн. специальностей днев. и заоч. форм обучения. – Гомел:ГГТУ им. П.О. Сухого, 2009. – 39 с.
5. Курсовое проектирование деталей машин: Учеб. пособие / С.А. Чернавский и др. – М.: Машиностроение, 1987. – 416 с.
6. Перель Л.Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник. – М: Машиностроение, 1983. — 543 с.
7. Санюкевич Ф.М. Детали машин. Курсовое проектирование: Учеб. пособие. – Брест: БГТУ, 2004. – 488 с.
8. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструирование узлов и деталей машин: Учеб. пособие. – М.: Высш. школа, 2001. – 447 с.
9. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. — М.: Высшая школа, 2007. — 560 с.: ил.
10. Андросов, А.А. Расчёт и проектирование деталей машин: учеб. пособие /А.А. Андросов. – Ростов н./Д.: Изд-во Феникс, 2006. – 285 с.
11. Атлас конструкций узлов и деталей машин/ Под ред. О.А.Ряховского.- М.: Издательство МГТУ им Н.Э.Баумана. 2007 -378 с.
12. Воячек А.И., Сенькин В.В. Основы проектирования и конструирования машин: учебное пособие для студентов, изучающих экономику и менеджмент.— Пенза: Изд-во Пензенского университета, 2008.—228 с: ил.
13. Глухов В.С., Терещенко З.А., Дикой А.А. Расчет привода к ленточному транспортеру. Учебно-методическое пособие. – Армавир, 2009. – 59 с.
14. Демин, О.В. Механика: основы проектирования деталей машин : учебное пособие / О.В. Демин, В.Е. Буланов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2010. – 148 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-0887-9.
15. Дунаев, П. Ф. Конструирование узлов и деталей машин : [учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по машиностроительным направлениям подготовки и специальностям] / П. Ф. Дунаев, О. П. Леликов .— 11-е изд., стер. — Москва : Академия, 2008 .— 496 с.
16. Иванов М.Н., Финогенов В.А. Детали машин. М.: Высшая школа, 2009. – 408 с.
17. Ланцевич М.А. Расчет приводного вала. Методические указания. – Новосибирск: НТИ МГУДТ (филиал), 2011. — 13 с.
18. Леликов, О. П. Валы и опоры с подшипниками качения. Конструирование и расчет : справочник / О. П. Леликов .— М. : Машиностроение, 2006 .— 640 с.
19. Пузырев, Н.М. Теория механизмов и машин / Н.М. Пузырев: учебное пособие. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2006. — 120 с.
20. Пшенов Е.А. Датели машин: учеб.-метод. пособие/Новосиб. гос. аграр. ун-т. – Новосибирск, 2010. – 91 с.
21. Расчет валов на прочность и жесткость: Методические указания / Сост. В.Н.Никитин.- Омск: СибАДИ. 2003.- 37с.
22. Ленточные конвейеры. // [Электронный ресурс]. URL: http://myfta.ru/articles/shema-lentochnogo-konveyera (Дата обращения: 17.11.2014).
23. Ленточные конвейеры в строительстве. // [Электронный ресурс]. URL: http://stroy-technics.ru/article/lentochnye-konveiery-v-stroitelstve (Дата обращения: 18.11.2014).
24. Справочник конструктора машиностроителя том 1: справочник / В.И. Анурьев. – М.: Машиностроение, 2001. – 900 с.
25. Справочник конструктора машиностроителя том 2: справочник / В.И. Анурьев. – М.: Машиностроение, 2001. – 895 с.
26. Справочник конструктора машиностроителя том 3: справочник / В.И. Анурьев. – М.: Машиностроение, 2001. – 942 с.
27. Пацула Н.Н. Предварительный расчет привода/ метод. указания к курсовому проекту по деталям машин. – Омск: ОмГТУ, 2005. – 44 с.
28. Абакумов А.Н. Проектирование приводного вала конвейера/ метод. указания для студентов немеханических специальностей и студентов заочной формы обучения. – Омск: ОмГТУ, 2005. – 24с.