Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

насос рычажный механизм

Теория машин и механизмов (ТММ) является основой проектирования работоспособных технических объектов. Основные задачи ТММ - анализ механизмов с заданными параметрами и проектирование механизмов (определение его параметров), удовлетворяющих заданным требованиям. Результаты решения задач ТММ являются исходными данными для более детального проектирования объектов методами, которые изучаются в таких специальных дисциплинах, как сопротивление материалов, детали машин, технология машиностроения и других.

Объектом данного курсового проекта является рычажный механизм насоса простого действия, являющийся составной частью машинного агрегата, структурная схема которого приведена на рис.1.

Рисунок 1. Структурная схема машинного агрегата

Вращение от двигателя Д через муфту М1 передается на ведущий вал передаточного механизма ПМ1 (планетарной передачи), который изменяет частоту вращения двигателя n_Д до заданной частоты вращения кривошипа n_кр рабочей машины РМ. Ведомый вал ПМ1 соединяется с валом кривошипа через муфту М2. Вращение от двигателя на вал кулачка кулачкового механизма КМ осуществляется передаточным механизмом ПМ2, состоящим из зубчатых колес с числами зубьев z₁ и z₂ и преобразующим n_Д в заданную частоту вращения кулачка n_к. РМ выполнена на базе плоского рычажного механизма; плоский КМ состоит из вращающегося кулачка и толкателя.

РМ выполняет заданную технологическую операцию, КМ выполняет вспомогательные функции. Маховик М устанавливается на валу кривошипа РМ и служит для снижения колебаний угловой скорости кривошипа при установившемся движении до заданного уровня .

Задача курсового проекта состоит в определении параметров, кинематических, силовых и динамических характеристик механизмов машинного агрегата.

Проектируемый машинный агрегат работает следующим образом: Долбежный станок (см. таблицу с рисунком)предназначен для долбления пазов и внутренних канавок в отверстиях деталей.

Для привода в движение резца используется шестизвездный кривошипно-кулисный механизм с качающейся кулисой, состоящей из кривошипа 1, камня 2, кулисы 3, шатуна 4 и ползуна 5. Привод кривошипа 1 включает в себя электродвигатель и планетарный редуктор (на рисунке не показаны). Для подачи смазки к деталям станка используется диафрагменный насос с кулачковым приводом, где кулачек приводится в движение от электродвигателя через пару зубчатых колес. Рабочее сопротивление при движении ползуна 5 сверху вниз определяется на рабочем ходу - силой трения 0,1Q_max.. Сила сопротивления Q всегда направлена против скорости движения ползуна.

Рисунок 2. Кинематическая схема рычажного механизма

1. СИНТЕЗ И АНАЛИЗ РЫЧАЖНОГО МЕХАНИЗМА

1.1 Исходные данные

Кинематическая схема заданного механизма приведена на рис. 2, где механизм изображен в крайних и заданном положениях. Геометрические размеры и другие заданные постоянные параметры приведены в табл. 1.1. Согласно рекомендациям в заданиях вес звена 5 принят G₅ = 0.8Q_max = 2560Н

Рисунок 2. Кинематическая схема рычажного механизма

Таблица 1.1Заданные параметры механизма

		LBC,м
0,11	0.78	0,195	0.44	0.39	34	3200	0,25

1.2 Построение плана положений

Для построения планов положений механизма принимается масштаб:

,

где - масштабный коэффициент, ;

- заданная длина звена ,;

- длина отрезка на чертеже,.

Заданные размеры механизма в принятом масштабе изображаются чертежными размерами определяемыми по выражению:

.

Чертежные размеры механизма, приведены в табл.1.2.

Таблица 1.2Чертежные размеры звеньев механизма

		BC
22	156	39	88	78

Используя найденные чертежные размеры, на листе 1 проекта построены крайние и заданное положения механизма.

1.3 Структурный анализ

Для исследования задан рычажный механизм долбежного станка. Данный механизм выполнен на базе кривошипно-кулисного механизма. Движение от кривошипа (звено 1) передается через шатун (2) на качающуюся кулису (3), которая передает движение через камень (4) ползуну (5).

Таким образом, ползун (5) является выходным (рабочим) звеном. Согласно структурной классификации Артоболевского-Ассура, представленный механизм относится ко 2-му классу и состоит из кривошипа со стойкой (механизм 1-го класса) и присоединенных к нему двух групп Ассура: 2-го класса 3-го порядка 1-го вида (звенья 2,3) и 2-го класса 2-го порядка 4-го вида (звенья 4,5).

Структурная формула механизма:

I (0,1) > II₃ (2,3) > II₂ (4,5)

Механизм состоит из 6 звеньев (5-ти подвижных и 1-й стойки), содержит 7 кинематических пар, из которых 5 вращательных и 2 поступательных.

Все кинематические пары низшие, одноподвижные.

Поскольку механизм плоский, то его степень подвижности определяется по формуле Чебышева:

W = 3n ? 2P₁ - P₂

где n - число подвижных звеньев;

P₁ - число одноподвижных кинематических пар;

P₂ - число двухподвижных кинематических пар;

Подставив в формулу Чебышева значения, получим:

W = 3·5 ? 2·7 ? 0 = 15? 14 = 1

Таким образом, данный механизм имеет одну степень свободы, поэтому перемещение выходного звена однозначно определяется перемещением ведущего звена механизма. Заданный закон движения ведущего звена - вращение с постоянной частотой n₁ = const.

Структурно в состав механизма входят (рис. 4):



Рисунок 4. Структурные группы Ассура

1.4 Синтез и анализ механизма на ЭВМ

Для расчета механизма на ЭВМ подготовлена таблица исходных дачных (табл. 1.3).

Таблица 1.3 Исходные данные для расчета механизма на ЭВМ

Обозначение в программе	Обозначение в механизме	Численные значения
NG1	II1(2,3)	3
NG2	II4(4,5)	2
PS1	Параметр сборки II1(2,3)	1
PS2	Параметр сборки II2(4,5)	-
L1	L01A	0,11
L3	L03B	0,78
X03	X03	0,44
Y03	Y03	0
X05	X05	0,39
D1N	XO1A	103
D03	ВO3С	0
D5	D5	90
N1		-34
G5	0	2560
Q2-Q6	Qmax	3200
Q7-Q12	0,1Qmax	320

По результатам расчетов на ЭВМ получена распечатка (табл. 1.4)

Строка «положение центров масс» таблицы «Параметры звеньев» распечатки необходима для дальнейших расчетов и построений и расшифровывается следующим образом: (точки S_i-центры масс звеньев)

LS1 = L_{O1S 1}= 0(т.е. S₁ = O₁) ; LS2 = 0 (Камень кулисы);

LS3 = L_O3S3 = 0.26м; LS4 = L_BS4 =0.064м; LS5 = 0 (ползун).

Чертежные размеры, определяющие положения центров масс:

O₃S₃ = 52мм, BS₄ = 12.87мм.

Таблица 1.4Анализ рычажного механизма

1.5 Кинематический анализ методом планов

Поскольку одним из свойств групп Ассура является их кинематическая определимость, то кинематический анализ проводится последовательно по группам Ассура, причем порядок их рассмотрения совпадает с направлением стрелок в формуле строения.

1.5.1 Построение плана скоростей

Механизм I класса (звено 1).

Угловая скорость кривошипа , определяется по формуле:

,

где - частота вращения кривошипа, об/мин.

Вектор скорости точки перпендикулярен звену 1 и направлен в соответствии с направлением . Модуль скорости :

,

где - длина кривошипа ОА, м.

.

На плане скоростей этот вектор изображается отрезком . Тогда масштаб плана скоростей :

,

.

Группа Ассура II₃(2,3)

Введем в рассмотрение точку А₃принадлежащую кулисе 3 и совпадающую с точкой А₂ кулисного камня 2. Движение кулисы 3 разложим на переносное движение вместе со звеном 2 и относительное движение при скольжении кулисы относительно звена 2.

Скорость точки А₃ векторно определяется следующим образом:

;

По этой системе строится план скоростей, замеряются длины найденных отрезков

(pa₃ = 84мм) и определяются модули скоростей:

Скорость точек B и S₃ находим с помощью теоремы подобия. Составляется пропорция, связывающая чертежные размеры звена 3 с отрезками плана скоростей:

Откуда определим длины отрезков:



Эти отрезки откладываются на прямой pa₃ плана скоростей. Точка S₃ является концом вектора V_S3 точка b₃ - концом вектора V_B3, начала всех векторов -в полюсе p.

Модули векторов:

Определим величины угловых скоростей звеньев 2 и 3:

Величина угловой скорости звена 3 определяется следующим образом:

Для определения направления щ₃ отрезок pb плана скоростей устанавливается в точку В, точка О₃ неподвижна, поэтому щ₃ направлена по часовой стрелке.

Аналогично определяем V_с и V_B3C:



Величина угловой скорости звена 4 определяется следующим образом:

Для определения направления отрезок b₃c плана скоростей устанавливаем в точку С, точка В неподвижна, поэтому направлена против часовой стрелки.

Скорость точки S₄ находим с помощью теоремы подобия. Составляется пропорция, связывающая чертежные размеры звена 4 с отрезками плана скоростей:

Откуда определяем длины неизвестных отрезков:

Этот отрезок откладываем на прямой сb₃ плана скоростей. Точка S₄ является концом вектора V_S4.

Модуль вектора:

Таблица 1.5 Скорости точек механизма

VA1 м/с	VA3 м/с	VB м/с	VC м/с	VS1 м/с	VS2 м/с	VS3 м/с	VS4 м/с	1 м/с	2 1/с	3 1/с	4 1/с
0.39	0.32	0.47	0.45	0	0.39	0.16	0.47	3.56	-0.6	-0.6	0.36

Знак «-» означает, что угловая скорость звена направлена по ходу часовой стрелки.

1.5.2 Построение плана ускорений

Механизм I класса (звено 1)

Точка кривошипа совершает вращательное движение вокруг , поэтому ее ускорение есть сумма нормального и тангенциального ускорений:

.

Поскольку принято , следовательно угловое ускорение . Модуль ускорения:



.

На плане ускорений этот вектор изображается отрезком , направленным от к . Масштаб плана ускорений :

.

Группа Ассура II₃(2,3)

Ускорение точки А₃ определим согласно векторным уравнениям:

.

где

- ускорение Кориолиса;

-относительное ускорение при скольжении точки А₃ относительно точки А₂;

Точка А₃ лежит на звене 3, которое вращается вокруг неподвижного центра О_3.

- нормальное ускорение точки А₃ при вращении звена 3 вокруг точки О₃.

- касательное ускорение точки А₃ при вращении звена 3 вокруг точки О_3.

Определим модули ускорения Кориолиса и нормального ускорения

На плане ускорений векторы и изображаются отрезками:

В результате построения плана ускорений замерами определяются отрезки: n3a₃=52,5мм, ka₃=94,9мм, рa₃=56,2мм и определяем модули ускорений:

Ускорение точки В определяем с помощью теоремы подобия на основании которой составляется пропорция, связывающая чертежные длины звена 3 с отрезками плана ускорений:

Из формулы определяется длина неизвестного отрезка:

Этот отрезок откладываем на плане ускорений от полюса в направлении точки а₃. Модуль ускорения точки В находим по формуле:

Аналогично определяем ускорение центра масс S₃

Согласно теореме подобия определим длину отрезка рS₃:

Определяем величину углового ускорения 3-го звена:

Для определения направления е₃ отрезок n₃a₃ плана ускорений установим в точку В, а точка О₃ закреплена неподвижно. Тогда становится очевидным, что угловое ускорение 3-го звена направлено по часовой стрелке.



Группа Ассура II₂(4,5)

Составляется система векторных уравнений, связывающих ускорение внутренней точки С с ускорениями внешних точек В и NN (неподвижных направляющих):

Модуль нормального ускорения определяют по формуле:

Чтобы это ускорение изобразить на плане ускорений, разделим полученное значение на масштаб плана ускорений и получим длину отрезка в мм:

Согласно векторным уравнениям строим план ускорений:

Из точки В проводим отрезок bn₄ в направлении, параллельном звену ВС механизма, через точку n₄ проводим отрезок произвольной длины, перпендикулярный звену ВС, а через полюс плана проводим отрезок произвольной длины, параллельный неподвижным направляющим NN. Точка пересечения этих двух линий и есть точка С. Отрезок n₄c на плане соответствует касательному ускорению a^ф_CB.

(смотри лист 1). Определим величины ускорений по плану:

Отрезок рс = 87,85мм, отрезок n₄c = 19,33мм, следовательно:

Ускорение точки S₄ определим с помощью теоремы подобия, на основании которой составим пропорцию, связывающую чертежные (или истинные) размеры звена 4 (BC, BS₄) с отрезками плана ускорений:

Из уравнения определим длину неизвестного отрезка:

Из точки р строим отрезок рS₄ и определяем его длину рS₄ = 84,3мм.

Отрезок рS₄ на плане ускорений изображает вектор a_S4:

Определяем величину углового ускорения звена 4:

Для определения направления е₄ отрезок n₄c на плане ускорений устанавливаем на точку С, а точка В закрепляется неподвижно. Тогда становится очевидным, что е₄ направлено против хода часовой стрелки.

Величины ускорений, определенные по плану, занесем в таблицу.

Таблица 1.5Ускорения точек механизма

aA1 м/с2	aA3 м/с2	aB м/с2	aC м/с2	aS1 м/с2	aS2 м/с2	aS3 м/с2	aS4 м/с2	??1 1/с2	?? 2 1/с2	?? 3 1/с2	?? 4 1/с2
1.39	0.56	0.83	0.88	0	1.39	0.27	0.84	0	-1	-1	0.97

Знак «+» означает, что угловое ускорение звена направлено против хода часовой стрелки.

1.6 Силовой расчет

1.6.1 Определение инерционных факторов

Силовой расчет механизма выполняют методом кинетостатики с учетом инерционных факторов. Инерционные силовые факторы - это силы инерции звеньев и моменты сил инерции , которые определяются по формулам:

 (1.4)

(1.5)

где - сила инерции i-го звена;

- масса i-го звена;

- ускорение центра масс i-го звена;

- главный момент сил инерции относительно центра масс i-го звена;

- осевой момент инерции относительно центра масс i-го звена;

- угловое ускорение i-го звена.

Направления сил инерции и главных моментов инерции противоположны соответствующим ускорениям, которые берем с плана ускорений. Расчет инерционных силовых факторов сведен в табл. 1.6

Таблица 1.6Инерционные силовые факторы механизма

Звено, i	1	2	3	4	5
Gi , н	100	0	156	39	2560
, кгм2	0.062	0	1.69	0.03	0
, м/с2	0	1.39	0.27	0.84	0.88
, с-2	0	1	1	0.97	0
, н	0	0	4.29	3.33	229.7
, нм	0	0	1.69	0.03	0

Силовой расчёт проводится в последовательности, противоположной направлению стрелок в формуле строения механизма, то есть вначале выполняют расчет наиболее удаленной от кривошипа группы (рис. 4).

1.6.2 Силовой расчет группы Ассура II₄(4,5)

Силовой расчёт группы состоит из нескольких этапов.

1. На 1-м листе проекта строим схему нагружения группы в масштабе К_s = 0,005 м/мм.

На схеме нагружения в масштабе изображаем только звенья исследуемой группы, векторы сил изображаем произвольной длины, строго соблюдаем только направления сил. Реакция R^ф₃₄ направлена перпендикулярно звену BС, а реакция R₀₅ направлена перпендикулярно направляющим NN.

2. Составляем векторную сумму моментов и сил, действующих на звено 4 относительно шарнира C:

? M_C = R^ф₃₄•L_BC + P_И4•h_И4•k_S + G₄•h_G4•k_S + M_И4 = 0

где h_G4 = 7.76 мм; h_И4 = 4.04мм - чертежные плечи сил G₄ и Р_И4, определяем замером на схеме нагружения группы.

Из уравнения имеем:

3. Для построения плана сил задаем масштабный коэффициент К_P =25н/мм.

Таблица 1.7Длины отрезков, изображающих известные силы

Сила	Q	G5	P5и	G4	Pи4	Rф34
Модуль, н	3200	2560	229.7	39	3.33	7.6
Отрезок	ab	bc	cd	de	ef	fg
Длина, мм	128	102.4	9.2	1.56	0.13	0.3

4. Строим план сил группы в масштабе К_P =25 н/мм. Из точки а на плане сил последовательно откладываем отрезки ab, bc, cd. Через точку a проводим прямую, перпендикулярную направляющим NN, а через точку g проводим прямую, параллельную звену ВС. Прямые пересекаются в точке h. Направление стрелок ставим так, чтобы силовой многоугольник оказался замкнутым.

5. На плане сил замеряем отрезки he = 35.05мм и ha = 5.12мм и определяем модули реакций:

R₀₅ = (ha) · К_P = 4.89· 25 = 122.25 н;

R₃₄ = (de) · К_P =33.6 · 25 = 840н.

Для определения реакции R₄₅ во внутренней кинематической паре составим векторное уравнение сил, действующих на звено 5:

?Р₍₅₎ = R₀₅ + Q + P^И₅ + G₅ + R₄₅ = 0

Тае как Р^И₄ и R^ф₃₄ очень малы, ими можно пренебречь.

На плане сил достраиваем отрезок dh и определяем модуль неизвестной реакции:

R₄₅=(dh)•k_р = 35,14•25 = 878,5Н

1.6.3 Силовой расчет группы Ассура II₃(2,3)

1. На 1-м листе проекта строим схему нагружения группы Ассура II₃ (2,3) в масштабе К_s = 0,005 м/мм.

2. Рассмотрим равновесие звена 2 и составим для него векторное уравнение сил:

Из этого уравнения следует, что R₁₂ = - R₃₂ Реакция R₁₂ приожена в точке А перпендикулярно звену 3.

3. Составляем сумму моментов сил, действующих на звено 3, относительно шарнира О₃:

?М_О3 = P_И3 • h_И3 • k_S - R₁₂ • h_R12 • k_S - G₃ • h_G3 • k_S + R₄₃ • h_R43 • k_S + M_и3 = 0

где h_PИ3 = 48,59мм, h_R12 = 105.2мм, h_G3 = 51.47мм, h_R43 = 149.56мм - чертёжные плечи сил G₃, R₁₂ P_И3 и R₄₃ определенные замером на схеме нагружения группы. Из уравнения находим: R₁₂:

4. Записываем векторное уравнение сил, действующих на группу, и определим графически значение реакции R₀₃:

Для построения плана сил согласно этому уравнению принимаем масштаб сил k_p = 5Н/мм. Определяем длины отрезков:

Таблица 1.8 Длины отрезков, изображающих известные силы

Сила	G3	PИ3	R43	R12
Модуль, н	156	4.29	840	1119.9
Отрезок	lm	mn	ni	kl
Длина, мм	31.2	0.86	168	224

В результате построения плана сил находим (замером) длину отрезка, изображающего вектор силы R₀₃ (длина отрезка ni =) и определяем модуль реакции:

R₀₃ = (ni) • k_p = 112.5 • 5 = 562.5Н

1.6.4 Силовой расчет начального звена

1. На листе 1 проекта построим схему нагружения начального звена в масштабе k_S = 0.005м/мм.

2. Составляется сумма моментов действующих на звено относительно шарнира O₁:

,

Плечо силы R₂₁ определим замером на схеме нагружения: h₂₁ = мм

3. Вычисляем уравновешивающий момент:

4. Составляем векторную сумму сил, действующих на звено 1

По этому уравнению на листе 1 проекта строится план сил в масштабе и определяется отрезок, изображающий реакцию R₀₁ (r_O = 204,22мм)

Модуль искомой реакции:

Величины найденных реакций и уравновешивающего момента на кривошипе занесем в таблицу:

Таблица 1. 9Реакции в кинематических парах и уравновешивающий момент.

R01Н	R12Н	R23Н	R03Н	R34Н	R05Н	Mур. Нм
1021	1119,9	1119,9	562,5	840	122,25	-101,35

На этом силовой расчет можно считать законченым.

2. РАСЧЕТ МАХОВИКА

Расчет маховика, снижающего колебания скорости системы до заданного уровня коэффициента неравномерности , является частным случаем второй задачи механики. Расчет проводится графоаналитическим методом на основе использования диаграммы энергомасс.

2.1 Определение приведенных факторов

Выбираем схему динамической модели с распределёнными факторами. В качестве звена приведения выбираем кривошип (рис. 5):

Рисунок 5. Динамическая модель

где щ₁ - угловая скорость звена приведения;

J_пр - приведённый момент инерции кривошипа;

, - приведённые моменты движущих сил и сил сопротивления.

Используя результаты кинематического анализа, рассчитываем J_пр и для исследуемого положения механизма.

Записываем выражение для J_пр:



Выражение для запишется в виде:

2.2 Построение диаграмм

По результатам компьютерного расчета для 12-ти положений строим график изменения приведенного момента сил сопротивления в зависимости от угла поворота кривошипа = f(ц). Масштабные коэффициенты и задаем согласно рекомендациям по выполнению курсового проекта:

1. Методом графического интегрирования графика = f(ц) получаем график работы приведенных сил сопротивления = f(ц) . Базу интегрирования Н_F принимаем равной 60 мм (рис. 6). Масштабный коэффициент работы (кинетической энергии) рассчитываем по формуле:

= = Н_F · · = 70· 0,026· 3.85 = 7 Dж/мм;

3.Строим график движущих сил, затем строим график приведенного момента движущих сил.

4.По результатам компьютерного расчета для 12-ти положений механизма строим график J(ц) за цикл движения; задаем масштабный коэффициент приведенного момента инерции :

Строим диаграмму энергомасс, графически исключая параметр ц.

2.3 Определение момента инерции маховика и его размеров

Используя диаграмму энергомасс, определяем момент инерции маховика:

1. По формулам рассчитываем углы и :

2. Под найденными углами проводим касательные к диаграмме энергомасс (соответственно сверху и снизу);

3. Замеряем в мм отрезок ab, который касательные отсекают на вертикальной оси диаграммы;

4. Рассчитываем требуемую величину момента инерции маховика снижающего колебания угловой скорости до заданного уровня:



5. Рассчитываем геометрические размеры маховика:

h = 0,2; = 0,2 · 1,82 = 0,364;

b = 0,1; = 0,1 · 1,82 = 0,182.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При исследовании механизма были получены результаты, исходя из которых, можно сделать следующие выводы:

1. Путём структурного анализа были определены: степень подвижности механизма, его класс и структурная формула.

2. С помощью метода планов были определены: кинематические и силовые характеристики механизма в заданном положении. Так как расхождение между результатами, полученными различными способами (машинным и графоаналитическим) не превышает 10%, мы можем говорить о правильности и точности проведённого расчёта.

3. При силовом расчете механизма были определены инерционные характеристики. Полученные значения сил инерции и главных моментов инерции оказались несущественными. Это объясняется тем, что механизм тихоходный и при этом имеет значительные габариты. Поэтому в данном случае силы инерции мало влияют на результаты расчета.

4. При выполнении расчета маховика был построен график изменения приведённого момента инерции. На графике видны резкие различия между вершинами и впадинами волн в зависимости от угла поворота кривошипа. Это означает, что данный механизм работает с большей степенью неравномерности. Чтобы механизм работал плавно и без перегрузок, необходимо его уравновешивание. Простейшим способом уравновешивания механизма является установка маховика на ведущий вал механизма.

Геометрические размеры маховика в результате расчета получились достаточно большими (D_cp =1,82 м), это можно объяснить особенностью строения и режимом работы механизма.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Артоболевский А. А. Теория механизмов и машин: учебник для вузов / А. А. Артоболевский. - перепечатка 4-го изд., перераб. и доп. - М. : Альянс, 2014

2. Чмиль В. П. Теория механизмов и машин: учебно-методическое пособие / В.П. Чмиль. - Спб.: Лань, 2012 + Электронный ресурс.

3. Пожбелко В. И. Курсовое проектирование по теории механизмов и машин. Ч. 1: учебное пособие / В. И. Пожбелко, П. Г. Виницкий, Н. И. Ахметшин ; под ред. В.И. Пожбелко. Юж. - Урал. гос. ун-т ; ЮУрГУ. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2003. + Электрон. текстовые дан.

4. Кореняко А.С. и др. Курсовое проектирование по теории механизмов и машин. М., «Машиностроение», 1964г.

5. Теория машин и механизмов: [Электронный ресурс]. Уфа, 1997-2012. URL: http://www.teormach.ru

6. Стандарт организации. Курсовое и дипломное проектирование. Общие требования к содержанию и оформлению. Челябинск, 2008г.

Размещено на Allbest.ru

...