Расчет воздушного компрессора

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА

НУК «Инженерный бизнес и менеджмент»

Кафедра ИБМ-2

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Экономические основы наукоемкого производства»

Выполнил (а) Самсонова М.В.

Преподаватель Муравьева В.С.

Москва



Оглавление

Часть I

1. Аннотация

2. Программа исследования воздушного компрессора

2.1 Техническое задание

2.2 Определение основных размеров звеньев

2.3 Расчет кинематических параметров кривошипно-ползунного м-ма

2.4 Расчет параметров динамической модели

2.5 Расчет приведенных моментов инерции

3. Проверка расчета приведенного момента и расчет необходимой мощности двигателя

4. Расчет параметров машины на установившемся режиме

5. Расчет параметров машины по математической модели в режиме пуска

Выводы

Часть II

6. Расчет редуктора

6.1 Техническое задание

6.2 Расчет зацепления

6.2.1 Определение размеров зубчатой передачи из расчета зубчатого колеса на контактную прочность

6.2.2 Расчет модуля из расчета на изгибную прочность

6.3 Расчет входного вала

6.3.1 Выбор материала и предварительный расчет на крутящий момент

6.3.2 Расчет усилий в зацеплении и поверочный расчет входного вала на совместное действие изгиба и кручения

6.4 Расчет шпонки

6.5 Расчет муфты

Выводы

Список литературы

Доклад



Часть I

1. Аннотация

Задание №150, вариант А: проектирование и исследование механизмов двухцилиндрового воздушного компрессора;

Установка состоит из:

- двухцилиндрового компрессора;

- редуктора с неподвижными осями;

- электрического двигателя;

- лубрикатора, приводящегося в действие от основного двигателя с помощью планетарного редуктора. Лубрикатор выполнен на базе кулачкового механизма с поступательно движущимся толкателем.

Расчеты выполнены для установившегося и неустановившегося режимов. воздушный компрессор изгиб двигатель

Все расчеты выполнены в системе MathCAD v.14.

Все чертежи выполнены при помощи программы Autodesk Inventor Professional 2010.

Для создания текстовых документов использовался пакет Microsoft Office 2007.

Страниц - 45, рисунков - 10, таблиц - 2, графиков - 24, список литературы - 5 наименований.

2. Программа исследования воздушного компрессора

2.1 Техническое задание

Установка состоит (см. рисунок 2.1) из соединенных между собой двухцилиндрового рядного компрессора, образованного кривошипно-ползунным механизмом, редуктора с неподвижными осями и электрического двигателя. Передаточное отношение редуктора определяют после выбора двигателя.

Примечание. Производительность машин указана на всасывании в первую ступень при давлении 0,1 МПа. Давление на всасывание во вторую ступень равно максимальному давлению на выходе из первой ступени.

Рис. 2.1Схема силовой установки компрессора:

1- коленчатый вал,

2- шатун;

3- поршень,

4- маховик;

5- редуктор,

6- электродвигатель,

7- выпускной,

8- впускной клапаны (в каждом цилиндре).

Принцип работы

Процессы в двухцилиндровых компрессорах осуществляются за период одного оборота кривошипа 2р:

1. Сжатие

2. Всасывание

У компрессоров рабочим телом являются газы, обладающие значительной сжимаемостью. Работа компрессора происходит следующим образом: при движении поршня вверх самодействующие клапаны закрыты и происходит сжатие газа, при достижении рабочего давления () выпускной клапан открывается и газы из цилиндра вытесняются в ресивер; при движении поршня вниз (направления движения поршней показаны стрелками на индикаторных диаграммах) сначала происходит расширение остатков сжатых газов в мировом пространстве цилиндра, а затем автоматически открывается всасывающий клапан и происходит всасывание в цилиндр новой порции газов. На всасывании первой ступени компрессора давлении обычно ниже атмосферного, но при расчетах вследствие его близости к атмосферному давлении при расчете сил им пренебрегают, принимая действующую силу равно нулю. На всасывании второй ступени компрессора давление равно давлению сжатия на выходе из первой ступени, поэтому на всасывании второй ступени возвращается часть работы, затраченная на сжатии в первой ступени. В обоих ступенях работа за цикл сжатия отрицательна и по модулю больше работы на всасывании. Алгебраическая сумма этих работ отрицательна и покрывается положительной работой двигателя. Выбор мощности двигателя производится из этих условий.

Таблица 2.1. Исходные данные на проектирование

Параметр проектирования	Единицы измерения	Обозначение	Значение параметра
Количество цилиндров		i	2
Максимальное давление в цилиндре	Па
Атмосферное давление	Па
Объемная производительность			3,25
Отношение			3,0
Отношение			0,25
Коэффициент неравномерности вращения кривошипа		д
Средняя скорость поршня			6,0
Отношение диаметра цилиндра к его ходу			1
Плотность алюминиевого сплава поршня		с
Толщина стенки	м	h	0,01

Таблица 2.2. Значение давления в цилиндре компрессора в долях от максимального давления в зависимости от положения поршня в долях хода .

Путь поршня		0	0,05	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Давление при всасывании		1,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
Давление при сжатии		1,00	1,00	1,00	1,00	0,97	0,72	0,52	0,40	0,30	0,24	0,19	0,00

2.2 Определение основных размеров звеньев:

1) Диаметр поршня:



2) Длина кривошипа :

3) Длина шатуна :

4) Ход поршня :

5) Необходимая частота вращения кривошипного вала компрессора

6) Высота поршня (приближенно равна диаметру поршня):

7) Масса поршня :

8) Масса шатуна (приближенно равна массе поршня):

9) Момент инерции шатуна относительно центра масс :



2.3 Расчет кинематических параметров кривошипно-ползунного механизма

Для определения параметров динамической модели необходим расчет кинематических параметров кривошипно-ползунного механизма. Связь перемещения ползуна (поршня), отсчитанного от ВМТ, с углом поворота кривошипа определяется методом замкнутого контура.

Расчет организуется по углу поворота кривошипа

Из рассмотрения проекций звеньев на ось Х получим координату поршня:

Перемещение поршня от ВМТ

Угол поворота ц2 шатуна находится из рассмотрения проекций на ось У:

Безразмерное отношение перемещения поршня к его ходу имеет вид:

Аналог скорости точки В получается дифференцированием функции положения SH_ц(ц1):



Передаточное отношение :

Аналог скорости точки S (центра масс звена 2) получается из рассмотрения плоского движения шатуна:

Проекция аналога скорости на оси:

На ось Х

На ось У

2.4 Расчет параметров динамической модели

Аппроксимация индикаторной диаграммы

Рабочий процесс любой поршневой машины связан с движением поршня и иллюстрируется индикаторной диаграммой, представляемой в системе координат: давление на поршень - перемещение поршня. При принятых в теоретической механике правилах сил индикаторная диаграмма по отношению к линии атмосферного давления представляет диаграмму сил. В поршневых машинах обычно принимают за положительное направление сил направление от поршня к центру вращения кривошипа, т.е. положительное направление силы соответствует избыточному давлению в цилиндре.

Индикаторная диаграмма приводится таблицей безразмерных изменений давлений и перемещений поршня S/H, где - текущее и максимальное абсолютное давления на поршень; - атмосферное давление.



Где SH=S/H - безразмерное отношение перемещения к ходу поршня (S -текущее перемещение поршня от ВМТ (); Н -ход поршня);

PR - безразмерное изменение давления при расширении;

PS - изменение давлении при сжатии ( в долях ).

С помощью сплайновой аппроксимации можно получить зависимость отношения давлений (PR и PS) от отношения перемещения к ходу поршня (SH).

Функция cspline(VX, VY) - возвращает вектор VS вторых производных при приближении в опорных точках к кубическому полиному.

Функция interp(VS, VX, VY, x) - вычисляет промежуточные значения, не заданные массивами PR и PS.

intPR(x) - давление при всасывании в долях от максимального давления;

intPS(x) - давление при сжатии в долях от максимального давления.

Сила действия газов на поршень

Индикаторная диаграмма по отношению к линии атмосферного давления представляет диаграмму действия сил на поршень. При расчете сил давления на поршень используется общепринятое правило знаков сил: за положительное направление сил принято направление от поршня к центру вращения кривошипа, т.е. положительное направление силы соответствует избыточному давлению в цилиндре

Значение силы вычисляется по промежуточным значениям давления в функции перемещения поршня intPR и intPS перестраивается по углу поворота кривошипа заменой переменных.



Расчет приведенного момента сил одного цилиндра

Расчет приведенного момента сил, приложенных к поршню, проводится из условия равенства мощностей, как скалярное произведение двух векторов (силы и скорости).

0 ? ц1 ? 2р



Расчет приведенных моментов многоцилиндровой машины

В многоцилиндровой машине рабочие процессы сдвинуты. Для второго цилиндра значение приведенного момента сдвигаем на угол :

Суммарный приведенный момент сопротивления двух цилиндров:

2.5 Расчет приведенных моментов инерции

Для нахождения суммарного момента инерции необходимо суммировать приведенные моменты инерции шатуна (2) и поршня (3) двух цилиндров. Для первого цилиндра приведенные моменты инерции звеньев 2 и 3:

Суммарный приведенный момент инерции звеньев 2 и 3 (первого цилиндра :

Суммарный приведенный момент инерции двух цилиндров :

3. Проверка расчета приведенного момента и расчет необходимой мощности двигателя

Расчет работ, совершаемых газовой силой

Работа, совершаемая в цилиндре поршневой машины по индикаторной диаграмме

Работа за цикл 2р приведенного момента (одного цилиндра):

Равенство модулей работ за цикл является проверкой.

Д - ошибка расчета:

Расчет мощности двигателя.

Средний за цикл момент двигателя находится из условия равенства за цикл работ сил движущих и сопротивления.

Для дальнейшего расчета введите в программу механический КПД:

Средний за цикл момент сопротивления двух цилиндров :

Средняя угловая скорость кривошипа (звена 1):

Средняя мощность двигателя с учетом механического коэффициента полезного действия механизма

Выбор двигателя из каталога:

Выберем:

Расчет передаточного отношения редуктора:

Построение характеристик двигателя:



Построим матрицы моментов и частот вращения:

Для построения характеристики двигателя проведем её аппроксимацию:



4. Расчет параметров машины на установившемся режиме

Определение работ в установившемся режиме

Суммарный момент равен сумме приведенных моментов сил движущих и сопротивления:

Определение работы сил сопротивления:

Определение текущей работы двигателя :

Определение суммарной работы сил движущих и сопротивления :



Проверка: суммарная работа за цикл 2р равна нулю:

Для проведения расчета после проверки введем:

Определение необходимой маховой массы методом Н.И.Мерцалова

Для определения момента инерции маховика, необходимого для обеспечения заданной степени неравномерности вращения д, выделяют две группы звеньев. В первую группу включают звенья, связанные с начальным звеном постоянным передаточным отношением. Во вторую группу звеньев относят те звенья(2 и 3), которые связаны со звеном приведения 1 переменным передаточным отношением.

Изменение кинетической энергии первой группы звеньев запишем при средней скорости звена 1:

Максимальный размах колебаний главного скорости вала 1 связан с максимальным и минимальным значением кинетической энергии:

и

Наибольшее изменение кинетической энергии первой группы звеньев внутри цикла определяется по рис. 4.2.

После его введения в программу производится расчет необходимого момента инерции для обеспечения заданной степени неравномерности вращения:



Определение размеров и массы маховика

Рис. 4.3. Маховик

Маховик часто выполняется в виде сплошного диска.

Ширина венца b:

где - коэффициент.

Примем .

Диаметр маховика :

Масса маховика :



Определение закона движения

При принятых допущениях расчета кривая изменения кинетической энергии первой группы звеньев Т_I приближенно представляет собой и отклонение скорости кривошипа (1) ₁ от средней скорости движения:

_{1 1}-_1ср

Закон изменения скорости ₁ позволяет определить угловое ускорение путем дифференцирования. Для повышения точности расчета перед дифференцированием целесообразно произвести сплайн-аппроксимацию с изменением шага угла ф1



Полученную зависимость ₁ углового ускорения звена 1 проверим повторным вычислением через параметры динамической модели машины:

Находим относительную ошибку углового ускорения:



Средняя за цикл ошибка углового ускорения:

Вывод:

Расчет углового ускорения в установившемся режиме выполнен правильно, так как средняя относительная ошибка углового ускорения составляет , что находится в пределах допустимой ошибки в 10 % по методу Мерцалова.

5. Расчет параметров машины по математической модели в режиме пуска

Определение необходимого пускового момента

Выбранный для привода компрессора на установившемся режиме электрический двигатель должен иметь запас пускового момента для преодоления момента сил сжатия воздуха в цилиндре при пуске

Суммарный момент при пуске компрессора :

Определение суммарной работы при запуске машины

Интегрирование суммарного приведенного момента позволяет определить суммарную работу, которая должна быть положительной в любой момент времени:



Определение закона движения при пуске

Построение диаграммы угловой проводится по полученным при расчете на установившемся режиме необходимом значении момента инерции.



Расчет времени движения машины

Расчет времени движения t производится путем интегрирования обратной функции 1/₁, которая имеет разрыв при 1 = 0. Чтобы исключить этот участок, расчёт сдвигается на небольшую угловую величину.

Проверка расчета

Проверка производится расчётом углового ускорения е₁ , при разгоне, двумя различными методами. Расчет е₁ осуществляется дифференцированием аппроксимированной зависимости углового ускорения звена 1:

- сплайн аппроксимированная функция углового ускорения

Вычисление текущей относительной ошибки:

Расчет ошибки среднего относительного значения углового ускорения в установленном режиме показывает, что он выполнен правильно.

Выводы

1. Выполнен расчет размеров компрессора:

1) Диаметр поршня

2) Длина кривошипа

3) Длина шатуна

4) Ход поршня

5) Необходимая частота вращения кривошипного вала компрессора

6) Высота поршня

7) Масса поршня

8) Масса шатуна

9) Момент инерции шатуна относительно центра масс

2. Определены параметры динамической модели. Выполнена проверка суммарного приведенного момента.

3. Работа за цикл, рассчитанная по индикаторной диаграмме, равна работе за цикл, определенной через приведенный момент, что свидетельствует о правильности проведенных расчетов.

4. Произведен выбор двигателя:

Марка двигателя: 4А 180 S4 У3

Номинальная мощность: Wном = 22000 (Вт)

Синхронные обороты: n_синх = 1500 (об/мин)

Номинальные обороты: n_ном = 1470 (об/мин)

5. Выполнен расчет необходимого момента инерции маховика:

6. Выполнены расчет и проверка закона движения на установившемся и неустановившемся режимах (режим пуска). Совпадение значений угловых ускорений звена 1 при определении закона движения в установившемся режиме работы, вычисленного двумя разными вычислительными методами, и при неустановившемся режиме (пуске двигателя), также вычисленного двумя разными вычислительными методами, свидетельствует о том, что расчеты проведены правильно.



Часть II

7 Расчет редуктора

7.1 Техническое задание

На Рис 7.1 представлена схема редуктора:

Рис 7.1 Схема редуктора:

1 Вал быстроходный;

12 Вал тихоходный;

3 Вал промежуточный;

4 Зубчатое колесо;

5 Цилиндрическое колесо;

6 Корпус;

7 Штифт;

8 Болт;

9 Уплотнение;

10 Конический роликовый подшипник.



Расчетная мощность двигателя, кВт:

Частота вращения быстроходного вала, об/мин:

Передаточное отношение:

Материал шестерни - сталь 50Г

Материал колеса - сталь 50Г

Термообработка - закалка ТВЧ до НВ - 217

КПД:

Определение крутящего момента входного вала:

7.2 Расчет зацепления

7.2.1Определение размеров зубчатой передачи из расчета зубчатого колеса на контактную прочность

Выбираем параметры шестерни:

Число зубьев колеса определяют по соотношению:

Аналогично определим значения и :

Определение межосевого расстояния производится на контактную прочность по допустимым напряжениям, найденным по твердости поверхности зуба после закалки ТВЧ. Принимаем, что колеса изготовлены из марки стали 40Х со следующими характеристиками:

Для косозубой передачи:

Коэффициент динамичности:

Коэффициент неравномерности нагрузки:

Коэффициент ширины:

Расчет значения межосевого расстояния первой ступени:

Округлим значение по ГОСТ:

7.2.2 Расчет модуля из расчета на изгибную прочность

По значению межосевого расстояния найдем значение торцевого модуля:

m_t = 1.19

Выбираем модуль инструмента по ГОСТ:

m := 1

Размеры зубчатого колеса:

Определяем угол наклона зуба:

0,84

7.3 Расчет входного вала

7.3.1 Выбор материала вала и предварительный расчет на крутящий момент

Для входного вала выбираем Сталь 50Г, термическая обработка улучшение.

Диаметр входного вала:

7.3.2 Расчет усилий в зацеплении и поверочный расчет входного вала на совместное действие изгиба и кручения

Определим тангенциальную силу Т:

Угол зацепления:

Радиальная составляющая силы, действующей в зацеплении R:

Определим полное усилие Q:

Изгибающий момент:

Изгибающие напряжения:

Касательные напряжения:

Эквивалентное напряжение:

Коэффициент запаса:

7.4 Расчет шпонки

Вращающий момент с колеса на вал будет передаваться с помощью призматической шпонки ГОСТ 23360-78. Материал шпонки - сталь с временным сопротивлением разрыву не менее 590 МПа. Вал и колесо соединяются посадкой с натягом H7/r6.

Линейные размеры шпонки:

1) Ширина шпонки:

2) Высота шпонки:

3) Шпоночный паз на вал:

4) Шпоночный паз на зубчатое колесо:

5) Коэффициент смятия:

6) Допускаемое напряжение смятия:

7) Рабочая длина шпонки:

8) Длина шпонки:

Из ряда стандартных значений выбираем

Выбираем шпонку 4х4х14 ГОСТ 23360-78.

7.5 

7.6 Расчет муфты

Диаметр выходного конца входного вала:

Выбираем втулочно-пальцевую упругую муфту согласно ГОСТ 21424-93.

Материал полумуфт - Сталь 30

Материал пальцев - Сталь 45

Материал колец - резина

Габаритные размеры МУВП:

1) Число пальцев:

2) Средний диаметр:

3) Диаметр пальца:

4) Усилие на пальце:

5) Напряжение на пальце:

Пальцы муфт рассчитываются на изгиб с допускаемым напряжением [0,5ф], где ф - предел текучести материала пальцев.



Выводы

1. В результате проведенного расчета был спроектирован двухступенчатый редуктор с передаточным отношением

2. и мощностью двигателя

4.

5. Число зубьев колес:

Модуль:

m := 1

Коэффициент запаса:

6. Были выполнены следующие расчеты:

а) расчет межосевого расстояния цилиндрической зубчатой передачи первой ступени:

(мм)

б) расчет входного вала;

в) расчет шпонки;

г) расчет втулочно-пальцевой муфты.

3. Выполнение условий прочности в проведенных расчетах показывает, что выбор основных размеров элементов редуктора сделан правильно.



Список литературы

1. Поршневые машины: Сборник заданий для курсового проекта по курсу «Теория механизмов» / Каганова В. В., Каганов Ю. Т., Леонов Д. И.; Под ред. Леонова И. В. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. - 51с., ил.

2. Учебное пособие для курсового проектирования по теории механизмов и механике машин. Часть 1. / Т. А. Архангельская, С. А. Попов, М. В. Самойлова и др.; Под ред. Г. А. Тимофеева. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. 92с., ил.

3. Использование системы MATHCAD в курсовом проектировании и выполнении домашних заданий по теории механизмов и машин: Учеб. пособие по дисциплине «Основы проектирования машин. Часть 1.Теория механизмов и механика машин» часть 1 для выполнения курсового проекта и домашних заданий / И. В. Леонов, В. Б. Тарабарин. Под ред. И. В. Леонова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. - 30с.,

4. Проектирование зубчатых передач и планетарных механизмов с использованием ЭВМ. Учеб. пособие / Г. А. Тимофеев, А. В. Аминский, В. В. Каганова. Под ред. Г. А. Тимофеева. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000. - 60с., ил.

5. Проектирование кулачковых механизмов: Учеб. пособие для курсового проектирования по теории механизмов и механике машин / Г. А. Тимофеев, М. В. Самойлова. Под ред. С. А. Попова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998. - 48с., ил.



Доклад

В данной работе рассматривается проектирование поршневого компрессор, который является универсальной машиной, применяемой для получения сжатого воздуха. Установка состоит из соединенных между собой двухцилиндрового V-образного компрессора, образованного кривошипно-ползунным механизмом, редуктора с неподвижными осями и электрического двигателя.

Динамическое исследование машины состоит в определении закона движения её под действием заданных сил.

Первым этапом является проектирование механизма. После этого возможен переход к определению кинематических параметров механизма.

Далее был произведен расчёт параметров динамической модели, который предполагает выполнение:

1) Аппроксимации данных индикаторной диаграммы.

2) Построения зависимостей действующих сил от обобщенной координаты.

3) Расчет приведенных моментов сил от обобщенной координаты.

4) Расчет приведенных моментов инерции звеньев механизма.

5) Интегрирование зависимости приведенного момента от обобщенной координаты и определение работы за цикл, расчёт средней мощности машины и проведение промежуточной проверки работ другим вычислительным методом.

Следующим этапом динамического исследования является определение закона движения машины на установившемся режиме и необходимого момента инерции маховика по динамической модели, что требует:

1) Расчета мощности двигателя и параметров машины на установившемся режиме.

2) Расчета суммарной работы интегрированием приведенных моментов.

3) Построения диаграммы кинетической энергии первой группы звеньев в установившемся режиме работы по методу Мерцалова и расчета необходимого маховой массы.

4) Проведение расчёта диаграммы угловой скорости и ускорения звена приведения в установившемся режиме работы.

5) Проведение проверки расчетом углового ускорения другим вычислительным методом, например, по уравнению движения в дифференциальной форме.

Третий этап расчёта состоит в определении закона движения машины в неустановившемся режиме (режиме пуска):

1) Определения суммарного приведенного момента при пуске с учетом характеристики двигателя.

2) Расчета суммарной работы интегрированием приведенного момента сил.

3) Построения диаграммы изменения угловой скорости и ускорения при полученном ранее необходимом моменте инерции маховика.

4) Проведения проверки расчетом углового ускорения другим вычислительным методом, например, по уравнению в дифференциальной форме.

Данной курсовой работой были укреплены знания, полученные за курс изучения Основ Проектирования Машин.

Все чертежи выполнены при помощи программы Autodesk Inventor Professional 2010 и AutoCad 2008.

Для создания текстовых документов использовался пакет Microsoft Office 2007.

Размещено на Allbest.ru

...