Расчет динамических моментов

План

1 Описание исполнительного механизма и технологического процесса его работы 2

2 Задание на курсовое проектирование........................................................ 3

2.1 Кинематический анализ механизма.......................................................... 3

2.2 Построение нагрузочной диаграммы скорости как функции угла поворота кривошипа.......................................................................................................................... 9

3 Построение планов скоростей.................................................................. 10

4 Расчёт моментов........................................................................................ 13

4.1 Расчёт статического момента.................................................................. 13

4.2 Расчёт динамического момента.............................................................. 14

6. Выбор муфт.............................................................................................. 18

8 Расчёт на статическую прочность выходного вала редуктора............... 21

Вывод............................................................................................................ 25

Список используемой литературы.............................................................. 26

1 Описание исполнительного механизма и технологического процесса его работы

В данном курсовом проекте рассматривается расчет привода подъёмно-качающегося стола. Стол предназначен для передачи слитка с одного ручья прокатного стана на другой. Слитки на стол подаются рольгангом в нижнем положении и снимаются с него в верхнем положениях. В исходное положение (нижнее) стол возвращается без слитка. Двигатель выключается до следующего поступления слитка на стол.

 

2 Задание на курсовое проектирование   2.1 Кинематический анализ механизма

Рассчитать привод подъёмно-качающегося стола, схема которого приведена на рис. 1, нагрузочная диаграмма угловой скорости на рис. 2

Рис. 1. Кинематическая схема подъёмно-качающегося стола:

1 - слиток; 2 - стол; 3 - штанга; 4 - трёхплечий рычаг;

5 - контргруз; 6 -шатун; 7 - кривошип; 8 - редуктор.

В таблице 1 приведены значения параметров для варианта 1.

Таблица 1

1	Вес слитка, кН, Gсл	30
2	Вес стола, кН, Gст	800
3	Вес контргруза, кН, Gгр	208
4	Длина слитка, м, Lсл	2,4
5	Расстояние ОзА, м, Lа	8,2
6	Длина стола, м, Lст	10
7	Радиус кривошипа, м, rкр	0,35
8	Длина шатуна, м, Lш	3,0
9	Радиус 1 го рычага, м, rl	0,65
10	Радиус 2 го рычага, м, r2	0,7
11	Радиус 3 го рычага, м, r3	1,7
12	Угол наклона рычагов к горизонту, град, γ	5
13	Число циклов в час, 1/ч, Z	170
14	Время работы, с, toб	8,4
15	Угловая скорость двигателя, рад/с, ωдв	75

По нагрузочной диаграмме угловой скорости (рис. 2) определим:

значение угловой скорости ω_max;

зависимость угловой скорости от угла поворота φ кривошипа;

вычислим передаточное число редуктора.

Разобьем нагрузочную диаграмму на участки I, II, III.

Участок I

Время изменяется в пределах

движение равноускоренное, угол поворота определим по формуле

, (1)

где:

ε_I – угловое ускорение рад/с.,

t – время в с.,

φ – угол поворота.

ε_I -находим из условия, что к моменту 0.1t, ω_I = 0.7ω_max, Так как в начальный момент ω= 0 поэтому ω = ε t, следовательно

(2)

Уравнение вращательного движения на I участке примет вид

(3)

Угол поворота φ на участке I к моменту 0.1t_oб

(4)

Из выражения (3) выразим t.

, (5)

подставим в выражение (1) уравнение движения (5) и закон изменения угловой скорости (2), получаем

(6)

Отсюда:

(7)

Участок II

Время изменяется в пределах

,

движение равноускоренное, угловое ускорение определим по формуле

. (8)

Где:

∆ω – изменение скорости за весь второй участок

1 ω_max - 0,7 ω_max = 0,3ω_max;

∆t – изменение времени за весь второй участок

0,7t_oб - 0,1t_oб = 0,6t_oб.

Уравнение вращательного движения на этом участке

φ= φ_о+ ω_о(t-t_o)+ ε(t-t_o)² /2

φ_о– угол поворота в начале участка II(конец участка I),

t_o– начальный момент времени для участка II,

ω_о– скорость вращения в начале участка II.

Подставляя все значения, получаем

φ = 0,035ω_max t_oб+0,7 ω_max(t - 0,1t_oб)+ 0,5ω_max(t - 0,1t_oб)²/2t_oб (9)

Выражение (9)

при t=0,1t_oб (начало участка II) дает значение φ = 0,035ω_max t_oб

при t=0,7t_oб (конец участка II) дает значение φ = 0,545 ω_max t_oб

Закон изменения скорости на участке II примет вид

(10)

Подставим значение ω₀=0,7ω_maxи  получим

(11)

Отсюда . Значение t подставим в выражение (9)

Из этого выражения выразим ω_II

(14)

Участок III

Время изменяется в пределах

,

Так как движение равнозамедленное, отрицательное угловое ускорение определим по формуле

. (15)

Где:

∆ω – изменение скорости за весь третий участок ∆ω = ω_max;

∆t – изменение времени за весь третий участок ∆t = 1 - 0,7t_oб.= 0,3 t_oб

Закон изменения скорости на участке III примет вид

(16)

Уравнение вращательного движения на этом участке

φ= φ_о+ ω_о(t-t_o)+ ε_III (t-t_o)² /2

φ_о– угол поворота в начале участка III(конец участка II), φ = 0,545 ω_max t_oб

t_o– начальный момент времени для участка III, t_o= 0,7t_oб

ω_о– скорость вращения в начале участка III- ω_о= ω_max.

Подставляя все значения, получаем

φ = 0,545 ω_max t_oб + ω_max(t - 0,7t_oб) - ω_max(t - 0,7t_oб)²/0,6t_oб (17)

Выражение (17)

при t = 0,7t_oб (начало участка III) дает значение φ = 0,545 ω_maxt_oб

при t = t_oб (конец участка III) дает значение

φ= 0,545 ω_max t_oб+ 0,3ω_max t_oб - ω_max(0,09t_oб²)/0,6t_oб=0,695ω_maxt_oб

Из выражения (16) выразим t

,(18)

и подставим в выражение (17). Преобразовывая, получим.

Из этого выражения выразим ω_III

(18)

Значение ω_max определим из выражения (17) при t = t_oб (конец участка III) φ=0,695ω_maxt_oб. Полный оборот φ = 2π выходной вал редуктора делает за t_oб=8,4с, поэтому ω_max= 2π/0,695t_oб = 1,05рад/с

Передаточное число редуктора:

Где:

ω_дв = 75-угловая скорость быстроходного вала редуктора, рад/с;

ω_max = 1,05-угловая скорость тихоходного (ведомого) вала редуктора, рад/с.

2.2 Построение нагрузочной диаграммы скорости как функции угла поворота кривошипа

По результатам расчётов угловой скорости и углового ускорения кривошипа строим графики ω = ω (φ) рис.1. и ε = ε (φ) рис.2. приложения 1

Диаграммы строим по результатам кинематического расчёта для двенадцати положений механизма через 30^О и дополнительно включая точки перелома соответствующие углам поворота для t=0,1t_oб рассчитываем по формуле (4) т.е.

φ = 0,035ω_max t_oб = 0,035 * 1,05 * 8,4 = 0,309 рад=180*0,309 /π=18^О

и для t=0,7t_oб рассчитываем по формуле (9) т.е.

φ = 0,545 ω_max t_oб=0,545*1,05*8,4 =4,807 рад = 180*4,807 /π=276 ^О

Для уточнения вида диаграммы на участке I найдем ω и ε на углах поворота φ = 6^Ои 12^О.

ε и ω рассчитываем следующим образом:

при 0^О ≤ φ ≤ 18^О расчет ведем по выражениям (2)и (7) соответственно;

при 18^О < φ ≤276 ^О расчет ведем по выражениям (8)и (14) соответственно;

при 276 ^О < φ < 360^О расчет ведем по выражениям (15)и(20) соответственно.

Результаты рассчитанные в программе Mathcad 12 (приложение 1) сведены в таблицу 2.

3 Построение планов скоростей

Планы скоростей строятся для двенадцати положений механизма. С помощью планов скоростей определяются скорости всех характерных точек механизма и центров весомых звеньев. Планы скоростей в приложении 2.

Рассматривая движение кривошипа, находим скорость точки А. Модуль скорости точки А определяется выражением

.

Вектор V_A скорости точки А направлен в сторону вращения кривошипа перпендикулярно этому звену. На плане скоростей вектор отображается в выбранном масштабе отрезком [ра].

Рассматривая движение шатуна АВ как плоское и выбирая за полюс точку А, находим скорость точки В

V_В = V_А+ V_ВА.

При этом векторном уравнении неизвестны лишь модули векторов V_А и V_ВА (здесь V_ВА - скорость точки В во вращательном движении звена ВА вокруг полюса А), следовательно, это уравнение можно решить графически.

Отложив в масштабе вектор V_А([ра] перпендикулярен ОА), через конец этого вектора проведём прямую, перпендикулярную шатуну АВ. Из точки р проводим прямую, перпендикулярную звену QB в пересечении этих прямых получим точку В. Длины отрезков [рв] и [ав] в масштабе плана скоростей отражают скорость точки В – V_В и скорость точки В вокруг точки А - V_ВА соответственно.

Очевидно, .

Скорости точек С и Е отображаются на плане скоростей отрезками [рс] и [ре] соответственно и могут быть найдены аналогично предыдущему, то есть

.

Направлены V_С и V_Е перпендикулярно положению плеч r₂ и r₃ соответственно.

Скорость V_D точки D определяем графически. Для этого через точку С проводим перпендикуляр положению штанги СD. Через точку Р проводим перпендикуляр к положению стола, точка пересечения прямых есть точка D.

Угловая скорость

Скорость V_F центра масс стола (точка F) и величина угловой скорости ω_Fстола определяются:

V_F = ω_D |PF| где |PF|=¹/₂ L_ст

Модуль скорости Vk центра масс слитка (при условии, что толщиной слитка по сравнению с размерами стола можно пренебречьи слиток находится на краю стола без свисания) определяется аналогично

V_К = ω_D |PК| где |PК|=L_ст- L_сл/2

В результате построения планов скоростей для 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,10_а,11,12 положений механизма рассчитываем скорости точек и угловые скорости стола, трёхплечего рычага и шатуна. Рассчеты проведены в программе Mathcad 12 (приложение 2) Результаты сводим в таблицу 3.

Таблица 3

№ точки	VЕ м/с	VF м/с	Vk м/с	ωD рад/с	Мст кНм	Jпр*103 кгм2	кгм2	Мд кНм	М∑ кНм	ε-2 рад/с-2	ω-1 рад/с	φ рад,с
1	0	0	0	0	0	0	-0,042	0,000	0,000	0,875	0	0
2	0,451	0,095	0,166	0,019	-10,940	9,489	22,945	9,237	-1,703	0,063	0,753	0,524
3	0,673	0,152	0,268	0,030	-8,652	19,420	15,573	7,414	-1,238	0,063	0,795	1,047
4	0,764	0,189	0,333	0,038	1,129	23,880	0,000	1,504	2,633	0,063	0,835	1,571
5	0,732	0,171	0,300	0,034	10,130	19,350	-21,415	-8,139	1,991	0,063	0,874	2,094
6	0,432	0,091	0,161	0,180	3,888	5,940	-18,321	-7,962	-4,074	0,063	0,910	2,618
7	0	0	0	0	0	0	0,	0,145	0,145	0,063	0,946	3,142
8	0,458	0,104	-	0,021	-3,752	5,881	19,937	9,647	5,895	0,063	0,980	3,665
9	0,785	0,192	-	0,038	-4,074	16,560	15,725	9,008	4,934	0,063	1,013	4,189
10	0,956	0,237	-	0,047	7,915	23,300	9,699	6,531	14,446	0,063	1,044	4,712
10а	0,961	0,239	-	0,048	9,311	23,630	3,143	-8,210	1,101	-0,417	1,046	4,817
11	0,785	0,188	-	0,038	14,900	22,820	-17,252	-16,960	-2,060	-0,417	0,863	5,236
12	0,307	0,069	-	0,014	12,930	8,220	-23,403	-9,922	3,008	-0,417	0,555	5,760

 

4 Расчёт моментов 4.1 Расчёт статического момента

Потери мощности на трение в кинематических парах учитывается с помощью КПД механизма η.

В рассматриваемом примере в механизме имеется семь кинематических пар, из них, предположим, две пары - пары трения качения (соединения кривошипа с тихоходным валом редуктора посредством дополнительного разгрузочного устройства и сединения кривошипа с шатуном), а остальное - пары трения скольжения. Тогда КПД механизма η| определяется так:

η = η_к²_*η_ск²_*η_ск²_*η_ск

При η_к = 0,99, а η_ск=0,98. Получим η = 0,99²_* 0,98²_* 0,98²_* 0,98 = 0,885.

Поскольку на механизм в рассматриваемом случае действуют лишь силы веса (стола, слитка и контргруза), то М_ст определяется для 0 < φ < π, т.е. для тех моментов, когда слиток находится на столе, статический момент направлен против угловой скорости вращения кривошипа следующим выражением:

Для π < φ < 2π, т.е. для тех моментов, когда стол возвращается в исходное положение без слитка, статический момент направлен по угловой скорости вращения кривошипа М_ст определится выражением:

По данным формулам расчет выполнен в программе Mathcad 12 (приложение 3). Результаты сводим в таблицу 3.

4.2 Расчёт динамического момента

Приведенный к оси кривошипа момент инерции для положений механизма 0<φ< π, т.е для точек 1-7 динамический момент рассчитаем по формуле

Где m_гр, m_ст, m_сл- масса груза, стола и слитка соответственно. m=G/g

При π <φ< 2π, т.е для точек 8-12

По данным формулам расчет выполнен в программе Mathcad 12 (приложение 4). Результаты сводим в таблицу 3.

По результатам расчётов строим график изменения приведённого момента инерции J_np от угла поворота кривошипа φ.(рис.1 приложения 5).

Определение величины  (для упрощения записи в дальнейшем обозначим ) производим путём численного дифференцирования.

По графику (рис.1 приложения 5) найдем значения J_np промежуточных значений (середина каждого участка) и сведём в таблицу 4 значение J_np рассчитываемых и промежуточных точек.  определяем по формуле центрального дифференцирования

.

Точку 10_а находим методом левого дифференцирования.

Таблица 4

№ точки	φ рад	Jпр*103 кгм2	*103 кгм2
1	0	0	-0,042
1ц	0.262	2.400	18,109
2	0.524	9.489	22,945
2ц	0.785	14.400	18,989
3	1.047	19.420	15,573
3ц	1.309	22.560	8,511
4	1.571	23.880	0,000
4ц	1.833	22.560	-8,662
5	2.094	19.350	-21,415
5ц	2.356	11.360	-25,592
6	2.618	5.940	-18,321
6ц	2.88	1.760	-11,336
7	3.142	0	0,000
7ц	3.403	1.760	11,245
8	3.665	5.881	19,237
8ц	3.927	11.840	20,380
9	4.189	16.560	15,725
9ц	4.451	20.080	12,887
10	4.712	23.300	9,699
10а	4.817	23.630	3,143
10ц	4.974	23.440	-1,933
11	5.236	22.820	-17,252
11ц	5.498	14.400	-27,863
12	5.76	8.220	-23,403
12ц	6.021	2.160	1,427
1	6.283	0	-0,042

Значения рассчитываемых точек внесем в таблицу 3.

Динамический момент М_д, М_∑, рассчитаем с помощью табличного редактора Microsoft Office Excel 2007. В нем же построим графики М_ст, М_д, М_∑ от φ рис 3.

Динамический момент М_д рассчитываем по формуле

Сумма моментов М_∑ = М_ст*М_д

Полученные значения заносим в таблицу 3.