Структурный, кинематический и силовой расчеты главного механизма поршневого компрессора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурный, кинематический и силовой расчеты главного механизма поршневого компрессора

1.Назначение методических указаний

Для определения параметров движения звеньев рычажных механизмов (кинематический анализ) используют аналитические, графические и экспериментальные методы. Один из методов - графический - подробно изучается в данной практической работе. Силовой расчет механизмов заключается в определении тех сил, которые действуют на отдельные звенья механизма при их движении. Вопрос об определении сил имеет большое практическое значение для расчета на прочность отдельных деталей механизма, для определения мощности, потребной для работы механизма, для определения трения в кинематических парах, для расчета на износ трущихся деталей в кинематических парах и т.д. В методических указаниях рассматривается кинетостатический способ определения различных сил.

2.Требования к знаниям и умениям студентов

В результате выполнения данной практической работы студент должен:

· знать: общие методы кинематического и силового анализа рычажных механизмов;

· уметь: определять параметры (перемещения, скорости и ускорения) движения звеньев кривошипно-ползунного механизма по заданному закону движения входного (ведущего) звена;

· уметь определять силы и моменты инерции, силы тяжести, рекции в кинематических парах;

· владеть: основными методами исследования и проектирования механизмов машин и приборов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Кинематический и силовой расчёты главного механизма поршневого компрессора. Определение: скоростей и ускорений точек звеньев; угловых скоростей и ускорений звеньев; различных сил для заданного положения механизма.

3.Основные теоретические положения

Рассмотрим тело, совершающее плоскопараллельное движение (рис.1).

Для плоскопараллельного движения скорости точек определяются по формулам:

, ,

где , , - абсолютные скорости точек А, В, С;

, - относительные скорости.

Необходимо найти относительные скорости ,. Воспользуемся графическим способом. Построим план скоростей.

Планом скоростей (ускорений) называется фигура, на которой от некоторого центра (полюса) в масштабе отложены векторы скоростей (ускорений) точек тела.

План скоростей получим, если в выбранном масштабе отложим от полюса отрезки , и , параллельные векторам скоростей , , . Отрезки находятся по формулам:, , . В результате построения плана скоростей получен треугольник авс (рис.2), который подобен треугольнику АВС. Найдем относительные скорости и по формулам: , , где ab и ac - отрезки, измеренные на плане скоростей.



Сформулируем принцип подобия в плане скоростей:

В плане скоростей векторы относительных скоростей точек жесткого звена образуют фигуру, подобную звену, повернутую на угол 90° в сторону угловой скорости звена.

Следствие:

Пользуясь принципом подобия, достаточно на плане скоростей построить векторы скоростей только двух точек жесткого звена. Скорость же любой третьей точки определится путем построения фигуры или линии подобной данному звену.

Аналогично формулируется принцип подобия в плане ускорений.

Таблица 1. Основные формулы для определения скоростей и ускорений точек звеньев

4.Порядок выполнения работы

Дано:

Число оборотов кривошипа является постоянным и равно .

Размеры звеньев:

ОА = 80мм, АВ = 200мм, AС = 200мм.

Рис.3 Схема механизма

5.Структурный анализ механизма

Задачей структурного анализа механизма является определение параметров структуры заданного механизма:

· числа и вида звеньев,

· числа и вида кинематических пар,

· определение степени подвижности механизма,

· разбиение механизма на группы Ассура и начальный механизм и их описание,

· определение класса всего механизма.

Студентам предлагается самостоятельно решить данную задачу, используя приведенный алгоритм решения.

6.Алгоритм проведения структурного анализа

1. Начертить структурную схему механизма.

2. Обозначить все подвижные и неподвижные звенья механизма. Найти количество подвижных звеньев п.

3. Заглавными буквами латинского алфавита обозначить все кинематические пары. Найти количество одноподвижных и двухподвижных кинематических пар р1 и р2.

4. Определить степень подвижности механизма W по формуле .

5. Отсоединить от механизма наиболее отдаленную от ведущего звена группу Ассура II класса, так чтобы оставшийся механизм продолжал работать, а степень его подвижности W не менялась. Определить вид, порядок, класс и степень подвижности данной группы Ассура. Записать структурную формулу группы Ассура.

6. Продолжать отсоединять от механизма группы Ассура до тех пор, пока не останется начальный механизм.

7. Определить класс и степень подвижности начального механизма. Записать структурную формулу начального механизма.

8. Записать структурную формулу всего механизма.

7.Кинематический расчет механизма

Определение скоростей точек звеньев и угловых скоростей звеньев.

Определение угловой скорости кривошипа:

Определение скорости точки А:

.

Выбираем масштаб плана скоростей .

Найдём отрезок, изображающий вектор скорости на плане:

.

Вектор скорости направлен перпендикулярно кривошипу ОА сторону вращения. Показываем это направление на схеме механизма (рис.4).

Определение скорости точки В:

Запишем векторное уравнение:

,

где - вектор скорости точки В ползуна, направлен параллельно оси Х-Х;

- вектор относительной скорости точки В относительно точки А, направлен перпендикулярно шатуну АВ.

Определение скорости точки С:

Запишем векторное уравнение:

,

где - вектор скорости точки С ползуна, направлен параллельно оси Y-Y;

- вектор относительной скорости точки C относительно точки А, направлен перпендикулярно шатуну АC.

Построение плана скоростей (рис.4)

Уравнения (2) и (3) решаются графически с помощью построения плана скоростей.

Из полюса плана скоростей (точка pV) откладываем отрезок мм перпендикулярно кривошипу ОА в направлении угловой скорости .

Из конца вектора (точка a) проводим направление вектора . Из полюса (точка pV) проводим направление вектора . На пересечении двух проведённых направлений получим точку b.

Из конца вектора (точка a) проводим направление вектора . Из полюса (точка pV) проводим направление вектора . На пересечении двух проведённых направлений получим точку c.

Вычисляем скорости. Для этого измеряем длины полученных отрезков , , , , подставляем их в формулы в миллиметрах и умножаем на масштаб .

;

;

;

.

Определение угловой скорости шатуна АВ:

Для определения направления переносим вектор в точку B шатуна АB и смотрим как она движется относительно точки А. Направление этого движения соответствует . В данном случае угловая скорость направлена по часовой стрелки.

Определение угловой скорости шатуна АС:

Для определения направления переносим вектор в точку С шатуна АС и смотрим как она движется относительно точки А. Направление этого движения соответствует . В данном случае угловая скорость направлена против часовой стрелки.

Результаты расчетов занесены в таблицу 2.



Рис.4

Рис.5

Таблица 1. Определение скоростей

8.Определение ускорений точек звеньев и угловых ускорений звеньев

Определение ускорения точки А:

Так как угловая скорость является постоянной, то .

.

Выбираем масштаб плана ускорений .

Найдём отрезок, изображающий вектор ускорения на плане: . Определение ускорения точки В:

Запишем векторное уравнение: .

где - вектор относительного ускорения .

Раскладываем на нормальную и касательную составляющие: .

Следовательно, .

Нормальное относительное ускорение точки В относительно точки А равно:



Найдём отрезок, изображающий вектор ускорения на плане:

Определение ускорения точки C:

Запишем векторное уравнение: .

Вектор относительного ускорения раскладываем на нормальную и касательную составляющие:

.

Следовательно, .

Нормальное относительное ускорение точки С относительно точки А равно:

.

Найдём отрезок, изображающий вектор ускорения на плане:

Построение плана ускорений (рис.5):

Уравнения (4) и (5) решаются графически с помощью построения плана ускорений.

Вектор ускорения направлен параллельно кривошипу ОА от точки А к точке О. Из полюса плана ускорений (точка pa) откладываем отрезок мм в этом направлении.

Вектор нормального ускорения точки В относительно точки А направлен параллельно шатуну АВ от точки В к точке А. Откладываем отрезок мм из точки a плана ускорений в этом направлении.

Вектор касательного ускорения точки В относительно точки А направлен перпендикулярно АВ. Проводим это направление из точки n1 плана ускорений.

Вектор ускорения направлен параллельно оси X-X. Проводим это направление из полюса плана ускорений pa.

Две прямые линии, проведённые из точек n1 и pa в указанных направлениях, пересекаются в точке b.

Соединяем точки а и b.

Вычисляем ускорения. Для этого измеряем длины полученных отрезков , , , подставляем в формулы в миллиметрах и умножаем их на масштаб . Получим:

;

;

.

Продолжаем строить план ускорений.

Вектор нормального ускорения . точки С относительно точки А направлен параллельно шатуну АС от точки С к точке А. Откладываем отрезок мм из точки a плана ускорений в этом направлении.

Вектор касательного ускорения точки С относительно точки А направлен перпендикулярно АС. Проводим это направление из точки n2 плана ускорений.

Вектор ускорения направлен параллельно оси Y-Y. Проводим это направление из полюса pa.

Две прямые линии, проведённые из точек n2 и pa в указанных направлениях, пересекаются в точке с.

Соединяем точки а и с.

Вычисляем ускорения. Для этого измеряем длины полученных отрезков , , , подставляем в формулы в миллиметрах и умножаем их на масштаб . Получим:

;

;

.

Определение ускорения точки S1:

.

Вектор ускорения направлен параллельно кривошипу ОА от точки S1 к точке О. Определение ускорений точек S2, S4

Воспользуемся следствием из теоремы подобия. Центры масс звеньев находятся на серединах соответствующих отрезков. Отмечаем на отрезке ab точку s2 , соединяем её с полюсом pa. Отмечаем на отрезке aс точку s4 , соединяем её с полюсом pa. Проводим вычисления:

 ,

.

Определение углового ускорения шатуна АВ:

Для определения направления переносим вектор в точку B шатуна АB и смотрим как она движется относительно точки А. Направление этого движения соответствует . В данном случае угловое ускорение направлено по часовой стрелке.

Определение углового ускорения шатуна AС:

.

Для определения направления переносим вектор в точку C шатуна АC и смотрим как она движется относительно точки А. Направление этого движения соответствует . В данном случае угловое ускорение направлено по часовой стрелке.

Результаты расчетов занесены в таблицу 3.



Рис.6

План ускорений

Таблица 3. Определение ускорений

9. Силовой расчет механизма

Дано:

Погонные массы звеньев ; .

Массы звеньев

;

.

Массы ползунов 3 и 5 .

Моменты инерции масс звеньев .

Рабочее усилие .

Силовой расчет последней группы Ассура вида ВВП

Определение сил тяжести звеньев:

;

.

Определение сил инерции:

;

.

Силы инерции направлены в противоположную сторону соответствующим ускорениям центров масс звеньев.

Определение момента инерции:



Момент инерции направлен в противоположную сторону угловому ускорению

Построим группу Ассура в масштабе .

Покажем все действующие на нее силы и неизвестные реакции , , , .

Определим реакцию

Составим уравнение моментов всех сил, действующих на звено 4, относительно точки С.

; .

Найдем реакцию .

.

Длины плеч h1 и h2 измерены на расчетной схеме и умножены на масштабный коэффициент .

, .

Определим реакции и

Составим векторное уравнение равновесия всех сил, действующих на всю группу Ассура.

; .

Выберем масштаб плана сил .

Вычислим величины отрезков, соответствующих векторам сил. Данные занесем в таблицу 4:

Таблица 4. Определение реакций в кинематических парах

механизм кинематический компрессор

Строим план сил в соответствии с векторным уравнением.

Измеряя на плане сил отрезки, соответствующие векторам , , и умножая их на масштаб , получим значение этих реакций. Данные занесены в таблицу 4.



Рис.7

План сил для последней группы Ассура

Рис.8 Построение плана сил для последней группы Ассура

Силовой расчет предпоследней группы Ассура вида ВВП.

Определение сил тяжести звеньев:

;

.

Определение сил инерции:

Силы инерции направлены в противоположную сторону соответствующим ускорениям центров масс звеньев.

Определение момента инерции:

Момент инерции направлен в противоположную сторону угловому ускорению

Построим группу Ассура в масштабе . Покажем все действующие на нее силы и неизвестные реакции , .

Определим реакцию .

Составим уравнение моментов всех сил, действующих на звено 2, относительно точки В.

;

Найдем реакцию .

.

Поскольку реакция получилась со знаком «минус», сменим первоначально выбранное направление реакции на противоположное.

Длины плеч h3 и h4 измерены на расчетной схеме и умножены на масштабный коэффициент .

,

Определим реакции и .

Составим векторное уравнение равновесия всех сил, действующих на всю группу Ассура.

;

Выберем масштаб плана сил .

Вычислим величины отрезков, соответствующих векторам сил. Данные занесем в таблицу 5.



Рис.9

План сил для предпоследней группы Ассура

Рис.10. Построение плана сил для предпоследней группы Ассура

Таблица 5. Определение реакций в кинематических парах

Строим план сил в соответствии с векторным уравнением. Измеряя на плане сил отрезки, соответствующие векторам , , и умножая их на масштаб , получим значение этих реакций. Данные занесены в таблицу 5.

10.Силовой расчет начального механизма

Дано:

Погонная масса звена .

Масса звена .

Определение силы тяжести звена:

.

Определение силы инерции:

.

Сила инерции направлена в противоположную сторону ускорению центра масс звена 1.

Построим начальный механизм в масштабе .

Покажем все действующие на него силы, неизвестную реакцию и уравновешивающую силу .

Найдем величину уравновешивающей силы .

Запишем уравнение моментов всех сил относительно точки О.

.

Уравновешивающая сила равна:

.

Здесь .

Длины плеч h5 и h6 измерены на расчетной схеме и умножены на масштабный коэффициент.

, , .

Найдем реакцию R61.

Составим векторное уравнение равновесия всех сил, действующих на начальный механизм.

.

Выберем масштаб плана сил

Вычислим величины отрезков, соответствующих векторам сил. Данные занесем в таблицу 6:

Таблица 6. Определение реакций в кинематических парах

Строим план сил в соответствии с векторным уравнением. Соединяя начало первого вектора и конец последнего, получим многоугольник сил и отрезок, определяющий реакцию . Измеряя его длину и умножая на масштаб , получим величину реакции . Данные занесены в таблицу 6.

Рис.11

План сил для начального механизма

ЗАДАНИЯ

Задание №1

Проектирование главного механизма поршневого компрессора

Назначение и принцип действия

Компрессор предназначен для получения сжатого воздуха давлением от 5,5*105 до 7,5*105 н/м2. Оба цилиндра работают независимо друг от друга, но подают сжатый воздух в общую воздухопроводную сеть.

Поршни приводятся в возвратно-поступательное движение от общего кривошипного вала с помощью шатунов.

Рис.12

Таблица 7

Соотношение между моментами инерции масс звеньев .

Задание №2

Проектирование главного механизма двигателя внутреннего сгорания

Назначение и принцип действия

Двигатель внутреннего сгорания предназначен для приведения в действие рабочей машины. Рабочий процесс обеспечивают механизмы: главный (кривошипно-ползунный), кулачковый и зубчатый.

Главный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение главного вала, кулачковый механизм управляет клапанами, зубчатый осуществляет передачу движения от вала двигателя к валу рабочей машины.

Рис.13

Таблица 8

Соотношение между моментами инерции масс звеньев .

Задание №3

Проектирование главного механизма штамповочной машины

Назначение и принцип действия

Штамповочная машина предназначена для пробивки отверстий в стальном листе. Рабочий процесс обеспечивают механизмы: главный (рычажный), кулачковый и зубчатый.

Главный механизм выполняет основную рабочую операцию -- срез материала, кулачковый -- подачу листа, зубчатый -- передачу энергии от двигателя к валу машины. Рабочий ход ползуна D осуществляется при движении его вверх, холостой -- при обратном движении.



Рис.13

Таблица 9

Соотношение между моментами инерции масс звеньев .

Контрольные вопросы

1.Формулы для определения скоростей точек звеньев и угловых скоростей звеньев.

2.Направления векторов скоростей точек звеньев и угловых скоростей звеньев.

3.Формулы для определения ускорений точек звеньев и угловых ускорений звеньев.

4.Направления векторов ускорений точек звеньев и угловых ускорений звеньев.

5.Как строится план скоростей для кривошипно-ползунного механизма?

6.Как строится план ускорений для кривошипно-ползунного механизма?

7.Определение сил инерции.

8.Определение реакций в кинематических парах.

9.Принципы силового расчета.

10.Последовательность силового расчета.

Критерии оценки работы студента

Студенты очной формы обучения при выполнении и защите данной практической работы получают 21-25 баллов.

Список литературы

механизм кинематический компрессор

1.Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин [Текст]: учебник для студентов втузов / И. И. Артоболевский. - 6-е изд., перераб. и доп. -

М.:Альянс, 2014. - 640 с.

2.Теория механизмов и машин [Текст]: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по машиностроительным специальностям / М.З. Коловский [и др.]. - М. : ИЦ Академия, 2013. - 559 с.

3.Тимофеев, Г.А. Теория механизмов и машин [Текст]: учебное пособие для бакалавров / Г.А. Тимофеев. - М.: Юрайт, 2013. - 351 c

4.Фролов, К.В. Теория механизмов и механика машин.Т.5.Механика в техническом университете. [Текст]: 7-е изд. / К.В. Фролов. - М.: МГТУ , 2012. - 686 с.

5.Никитина Л.И. Теория механизмов и машин: рабочая тетрадь [Текст] - Тюмень : ТюмГНГУ, 2011. - 116 с.

Размещено на Allbest.ru

...