Savin_detali_mash
.pdf
Стандартные шпонки изготавливают из чистотянутых стальных прутков – углеродистой или легированной стали с пределом прочности σв > 600 МПа. Значение допускаемых напряжений зависит от режима работы, прочности материала вала и втулки, типа посадки втулки на вал. Для неподвижных соединений приняты следующие допускаемые напряжения для шпонок из стали:
–при переходных посадках [σсм] = 80…150 МПа;
–при посадках с натягом [σсм] = 110…200 МПа;
–при посадках с зазором (подвижных в осевом направлении)
допускаемые напряжения |
значительно снижают в целях |
предупреждения задира и уменьшения износа: [σсм] = 20…30 МПа.
Рисунок 3.33 – Расчетная схема призматического шпоночного соединения
В случае колебаний внешней нагрузки на исполнительном органе следует снижать [σсм] на 20…25 %, при ударной нагрузке –
на 40…50 %. Если при проверке шпонки σсм окажется значительно ниже [σсм], то можно взять шпонку меньшего сечения – как для вала
предыдущего диапазона, но обязательно проверить ее на смятие. Если σсм > [σсм], то рациональнее перейти на посадку с натягом.
Проверочный расчет стяжных винтов подшипниковых узлов.
Стяжные винты (болты), соединяющие фланцы корпуса и крышки
207
редуктора диаметром d2 (см. п. 3.11), – наиболее ответственные резьбовые соединения, расположенные попарно около отверстий под подшипники. Их назначение – воспринимать силы, передаваемые на крышку редуктора внешними кольцами подшипников, и сжимать фланцы для предотвращения их раскрытия и утечки масла.
Винты обычно изготавливают из стали 30, 35 класса прочности 5.6 (первое число, умноженное на 100, определяет предел прочности – σв = 500 МПа; произведение чисел, умноженное на 10, определяет
предел текучести –σТ = 300 МПа).
Стяжные винты рассчитывают на прочность по эквивалентным напряжениям на совместное действие растяжения и кручения σэкв , МПа:
σэкв = |
1,3Fз |
|
≤ [σ], |
(3.143) |
A |
||||
где Fз – расчетная сила затяжки винтов, обеспечивающая |
||||
нераскрытие стыка под нагрузкой, Н: |
|
|
||
Fз = (1 − χ)Fвн; |
|
|
|
|
K зFз = (1 − χ)Fвн ; |
|
|
|
|
Fз = [K з(1− χ) + χ]Fвн , |
|
|
|
(3.144) |
здесь Fвн – сила, воспринимаемая одним стяжным винтом, Н: Fвн = 0,5Ry , где Ry – наибольшая из реакций в вертикальной
плоскости в опорах подшипников быстроходного или тихоходного вала;
Kз – коэффициент затяжки:
K з =1,25...2 – при постоянной нагрузке, K з = 2,5...4 – при переменной;
χ – коэффициент основной нагрузки: χ = 0,2...0,3 – для соединения стальных и чугунных деталей без прокладок, χ = 0,4...0,5 – для металлических деталей с упругими прокладками (паронит, резина и т.п.);
A – площадь опасного сечения винта, мм2:
|
A = |
πd 2 |
, здесь d1 – внутренний диаметр винта, мм; |
|||
|
1 |
|||||
|
4 |
|||||
|
[σ] |
|
|
|
|
|
|
– |
|
допускаемое |
напряжение |
в стержне винта, МПа: |
|
для |
винтов |
(болтов) с |
наружным |
диаметром до 16 мм – |
||
[σ] |
= (0,2...0,25)σТ ; от 16 до 30 мм – [σ] |
= (0,25...0,4)σТ . |
||||
208
В случае если винты (болты) окажутся излишне прочными, уменьшать их диаметр не следует.
3.13 Тепловой расчет и смазка редуктора
Смазывание выполняет вспомогательные функции и служит для повышения эффективности и качества работы машины. Его роль настолько велика, что во многих случаях не только отсутствие смазки, но и неправильное смазывание приводят к отказу машины. Смазывание зубчатых и червячных зацеплений и подшипников уменьшает потери на трение, предотвращает повышенный износ и нагрев деталей, а также предохраняет детали от коррозии. Снижение потерь на трение обеспечивает повышение КПД редуктора.
В машинах возможна индивидуальная или общая система смазывания. Индивидуальное смазывание учитывает особенности каждого узла, но сложнее, так как нуждается в независимых смазывающих устройствах. Его применяют при удаленности друг от друга смазываемых узлов, либо когда для каждого узла требуется различная по виду или состоянию смазка.
По способу подачи смазки к рабочим поверхностям различают картерную и циркуляционную системы смазывания.
Картерное смазывание осуществляется окунанием зубчатых и червячных колес (или червяков) в масло, заливаемое внутрь корпуса. Это смазывание применяют при окружных скоростях в зацеплении зубчатых передач до υ ≤12 м/с, в зацеплении червячных передач при окружной скорости червяка до υ ≤10 м/с. При большей скорости масло сбрасывается центробежной силой.
Для открытых зубчатых передач, работающих при окружных скоростях до υ ≤ 4 м/с, обычно используют периодическое смазывание весьма вязкими маслами или пластичными смазками, которые наносят на зубья через определенные промежутки времени. При низких скоростях υ ≤1,5 м/с применяют капельное смазывание из ёмкости, наполненной вязким маслом и расположенной под зубчатым колесом.
Зубчатые и червячные колеса погружают в масло на высоту зуба, а червяк при нижнем расположении в редукторе – на высоту витка, но не выше центра нижнего тела качения подшипника. Если условия нормальной работы подшипников не позволяют погружать червяк в масло, то применяют брызговики, забрасывающие масло на
209
червячное колесо (рисунок 3.34); в реверсивных передачах устанавливают два брызговика.
Зубья конических колес погружают в масло на всю длину. В многоступенчатых редукторах часто не удается погружать зубья всех колес в масло, так как для этого необходим очень высокий уровень масла, что может повлечь слишком глубокое погружение колеса тихоходной ступени и даже подшипников в масло. В этих случаях применяют смазочные паразитные шестерни (рисунок 3.35, б) или другие смазочные устройства (рисунок 3.35, в). При υ ≤ 0,5 м/с колесо погружают в масло до 1
6 его радиуса. При смазывании окунанием
объем масляной ванны редуктора принимают из расчета 0,5…0,8 л масла на 1 кВт передаваемой мощности.
Рисунок 3.34 – Редуктор с брызговиками
В косозубых передачах масло выжимается зубьями в одну сторону, а в червячных редукторах червяк, погруженный в масло, гонит масло к подшипнику. В том и другом случае для предотвращения обильного забрасывания масла в подшипники устанавливают маслозащитные кольца (рисунок 3.35).
210
а |
б |
в |
а– смазывание смежных узлов; б – смазывание паразитной шестерней;
в– смазывание разбрызгиванием диском с лопатками.
Рисунок 3.35 – Способы смазывания деталей редуктора
Циркуляционное смазывание применяют при окружной скорости υ ≤8 м/с. Масло из картера или бака подается насосом в места смазывания по трубопроводу через сопла (рисунок 3.36, а) или при широких колесах через коллекторы (рисунок 3.36, б). Возможна подача масла от централизованной смазочной системы, обслуживающей несколько агрегатов.
а б в
а – фонарный; б – трубчатый; в – жезловый.
Рисунок 3.36 – Маслоуказатели
Назначение сорта масла зависит от контактного давления в зубьях и от окружной скорости колеса. С увеличением контактного давления масло должно обладать большей вязкостью, с увеличением окружной скорости вязкость масла должна быть меньше.
Выбор сорта масла начинают с определения необходимой кинематической вязкости масла: для зубчатых передач – в зависимости от окружной скорости (таблица 3.49), для червячных
211
передач – от скорости скольжения (таблица 3.50). Затем по найденному значению вязкости выбирают соответствующую марку масла по таблице 3.51.
Таблица 3.49 – Рекомендуемые значения вязкости масел для смазывания зубчатых передач при 50 °С
|
Контактные |
|
|
Кинематическая вязкость, 10-6·м2/с, |
|
||
|
|
|
|
||||
|
напряжения σ H |
, |
|
при окружной скорости υ , м/с |
|
||
|
МПа |
|
до 2 |
|
св. 2 до 5 |
|
св. 5 |
|
До 600 |
|
34 |
|
28 |
|
22 |
|
Св. 600 до 1000 |
|
60 |
|
50 |
|
40 |
|
Св. 1000 до 1200 |
|
70 |
|
60 |
|
50 |
Контроль уровня масла, находящегося в корпусе редуктора, производят с помощью маслоуказателей. Наиболее распространены такие виды маслоуказателей, как: фонарный (рисунок 3.36, а); трубчатый (рисунок 3.36, б); жезловый (рисунок 3.36, в).
Таблица 3.50 – Рекомендуемые значения вязкости масел для смазывания червячных передач при 100 °С
|
Контактные |
|
Кинематическая вязкость, 10-6·м2/с, |
|
||
|
|
|
||||
|
напряжения σ H , |
|
при окружной скорости υ , м/с |
|
||
|
МПа |
до 2 |
|
св. 2 до 5 |
|
св. 5 |
|
До 200 |
25 |
|
20 |
|
15 |
|
Св. 200 до 250 |
32 |
|
25 |
|
18 |
|
Св. 250 до 300 |
40 |
|
30 |
|
23 |
Таблица 3.51 – Масла, применяемые для смазывания зубчатых и червячных передач
Сорт масла |
Марка |
Кинематическая |
|
|
вязкость, 10-6·м2/с |
Индустриальное |
И-12А |
10 – 14 |
|
И-20А |
17 – 23 |
|
И-25А |
24 – 27 |
|
И-30А |
28 – 33 |
|
И-40А |
35 – 45 |
|
И-50А |
47 – 55 |
|
И-70А |
65 – 75 |
|
И-100А |
90 – 118 |
|
|
все значения при 50 °С |
Авиационное |
МС – 14 |
14 |
|
МС – 22 |
22 |
|
МС – 20 |
20,5 |
|
|
все значения при 100 °С |
Цилиндровое |
52 |
44 – 59 |
|
|
все значения при 100 °С |
212
Помимо контроля уровня может возникать потребность в контроле давления, температуры и других параметров смазки.
Необходимость контроля давления связана с тем, что при работе машина нагревается и давление внутри нее повышается – тем сильнее, чем ниже КПД и теплоотдача. Это, в лучшем случае, ведет к выдавливанию смазки через щели стыков и уплотнений, а при последующем охлаждении машины (узла) засасывает ее, но уже загрязненную, назад. Во избежание такого явления внутренний объем корпуса делают сообщающимся с внешней средой, например, выполняя отверстие в корпусе либо устанавливая отдушину. Последняя представляет собой пробку со сквозным отверстием (рисунок 3.37). Форму канала отверстия выбирают такой, чтобы избежать попадания внутрь пыли, грязи и других нежелательных объектов. При большом размере отверстия внутри канала могут устанавливать сетку фильтра. Отдушину также используют в качестве ручки для удержания смотровой крышки.
Рисунок 3.37 – Пробка-отдушина
Целью теплового расчета является проверка температуры масла tм в редукторе, которая не должна превышать допускаемую [t]м = 80…95 °С. Опасность невыполнения критерия теплостойкости состоит в том, что при повышении температуры вследствие тепловых деформаций происходит увеличение геометрических размеров сопряженных деталей и, соответственно, уменьшение рабочих зазоров, что отрицательно сказывается на условиях смазывания, а также может привести к заклиниванию, например, зубчатых колес или подшипников. В крайних случаях, когда температура внутри редуктора может подниматься до значений, соизмеримых с температурами термической обработки металлов, могут происходить необратимые уменьшения прочностных характеристик деталей.
213
Температуру воздуха вне корпуса редуктора обычно принимают tВ = 20 °С. Температура масла tм в корпусе редуктора при непрерывной работе без искусственного охлаждения:
tм =tв + |
N1(1−η) |
, |
(3.145) |
|
Kt A |
|
|
где N1 – мощность на быстроходном валу редуктора, Вт; η – коэффициент полезного действия редуктора;
Kt – коэффициент теплопередачи, Kt = 9…17 Вт/(м2·град);
A – площадь теплоотдающей поверхности корпуса редуктора, м2.
Для определения A редуктор вписывают в параллелепипед и определяют площадь его граней без площади днища.
Далее проверяют условие выполнения критерия теплостойкости:
tм ≤ [t]м . |
(3.146) |
Вслучае невыполнения этого условия рекомендуется увеличить площадь теплоотдающей поверхности за счет введения в
конструкцию корпуса дополнительных ребер или принудительной системы охлаждения.
Вбольшинстве случаев из-за того, что площадь поверхности корпуса цилиндрических зубчатых редукторов гораздо больше, чем червячных, из-за больших габаритов самой передачи, тепловой расчет для них может не выполняться.
214
4 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РАСЧЕТ ПРИВОДА
В данном разделе рассматриваются общие вопросы автоматизированного проектирования элементов машин и примеры его практического применения к объектам курсового проектирования.
Автоматизированное проектирование – это использование ЭВМ и других технических средств, математических моделей, методов расчета и программного обеспечения в процессе выполнения проектирования с целью сокращения времени, экономии затрат и повышения качества изделий.
Далее приводятся примеры проектировочных и проверочных расчетов механических передач, соединений, валов и подшипников с использованием программного комплекса отечественного производства APM WinMachine.
4.1 CAD/CAE программные комплексы
На сегодняшний день существует достаточно большое количество программных продуктов для расчета элементов машин, использующих различные математические инструменты – от классических аналитических формул до сложнейших конечноэлементных алгоритмов.
В автоматизированном проектировании можно выделить несколько взаимосвязанных составляющих, в зависимости от которых различают следующие системы:
•CAE (Computer Aided Engineering) – компьютерные системы инженерных расчетов, включающие конечно-элементный анализ изделий, расчеты на прочность, жесткость и другие критерии работоспособности, динамический и кинематический анализ, расчеты механических передач, соединений и других элементов машин;
•CAD (Computer Aided Design) – системы графического 2D и 3D
моделирования, изготовление конструкторской документации (чертежи, спецификации и т.д.);
•CAM (Computer Aided Manufacturing) – системы подготовки технологической документации (карты технологических процессов, программ для станков с ЧПУ);
•PDM (Product Data Management) – системы, обеспечивающие поддержку жизненного цикла изделий, техническая подготовка
215
производства, создание технологической и нормативно-системной документации, управление проектами и техническим документооборотом.
Автоматизированные системы используются на различных стадиях проектирования (таблица 4.1).
Таблица 4.1 − Применение автоматизированных систем на различных стадиях проектирования
№ |
Стадия |
Вид работ |
Применяемые |
|
п/п |
|
и методы |
компьютерные |
|
|
|
|
технологии |
|
|
|
|
|
|
1 |
Предпроектные |
Информационный |
Internet, системы |
|
|
исследования |
и патентный поиск |
автоматизированного |
|
|
поиска информации |
|||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
2 |
Техническое |
Анализ конструкций. |
Базы данных |
|
|
задание |
Разработка |
конструкционных |
|
|
конструктивных |
материалов, |
||
|
|
|||
3 |
Техническое |
|||
схем. Эвристические |
стандартных элементов |
|||
|
предложение |
и формализованные |
и CAE системы |
|
|
|
методы |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
Эскизный |
Разработка |
CAE/CAM |
|
|
проект |
компоновочной |
|
|
|
|
схемы конструкции |
|
|
|
|
|
|
|
5 |
Технический |
Конструкторская |
CAD/CAE |
|
|
проект |
подготовка |
|
|
|
|
производства |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
Рабочий |
Технологическая |
CAM/CAD |
|
|
проект |
подготовка |
|
|
|
|
производства |
|
|
|
|
|
|
|
7 |
Производство |
Организация и |
CAM/PDM/ |
|
|
|
управление |
АСУ/АСУТП |
|
|
|
процессом |
|
|
|
|
производства |
|
|
|
|
|
|
|
8 |
Испытания |
Стендовые и другие |
Компьютерные |
|
|
|
виды испытаний |
системы контроля и |
|
|
|
основных |
измерений типа |
|
|
|
характеристик |
LabView, Bruel&Kjaer |
|
|
|
опытных и серийных |
и т.д. |
|
|
|
изделий |
||
|
|
|
||
|
|
|
|
216