Изучение этапа структурного синтеза и анализа проектного решения (разработка технической концепции)

Цель занятия – освоение методики разработки технической концепции (технического предложения) проектируемого изделия.

Задачи занятия:

1. Изучение этапа подготовки исходных данных для синтеза передаточного механизма (формирование технического задания).

2. Разработка структуры передаточного механизма (ПМ) и его энергетический анализ.

3. Изучение этапа разбивки i_общ между ступенями приводного механизма.

4. Кинематический и силовой расчеты ПМ, анализ результатов расчетов в бригаде.

Как отмечалось в работе № 1, на старте этапа синтеза и анализа вырабатывается концептуальная основа конструкции проектируемого изделия. Создание концепции конструкции начинается с функционального анализа и изучения машин и механизмов, аналогичных проектируемым. Они проводятся по специальной литературе, атласам конструкций, чертежам, моделям, опытным и промышленным образцам, патентам, заявкам на изобретения и т.п. Системы автоматизированного проектирования предполагают наличие такой информации в концентрированном виде непосредственно в информационных структурах системы. Ранее также отмечалось, что концептуальное решение наиболее часто первоначально фиксируется в виде структурной, кинематической, конструктивной и других схем или их комбинаций, выполняемых, как правило, параллельно. Схемы являются основными конструкторскими документами этого этапа.

1. Подготовка исходных данных для синтеза передаточного механизма

Выше отмечено, что машины имеют разнообразную структуру. Типовые структуры машин непрерывного транспорта, принятых для КП, обычно строят по простейшим схемам (рис. 4 а), которые состоят из двигателя, передаточного механизма и приводного вала рабочего органа. Совокупность этих элементов машины называют приводом. В курсовых проектах в качестве двигателей обычно используют серийные электродвигатели, а для элементов рабочего органа – серийные узлы приводных валов ленточных, пластинчатых, скребковых и других конвейеров. Разработка структуры передаточного механизма входит в задачу проектанта.

Еще раз подчеркнем, что структура технического объекта, прежде всего, определяется функциональными требованиями. На долю передаточного механизма в простейших конвейерах, как отмечалось выше, приходится одна прямая функция – приведение частоты вращения вала двигателя к частоте вращения вала рабочего органа с соответствующим изменением крутящего момента. Параллельно с прямой функцией при структурном синтезе также решается вопрос о желательном расположении осей валов в пространстве и относительно друг друга в соответствии с требованиями общей компоновки механизма, машины в целом. К примеру, выходной вал механизма должен быть ориентирован в соответствии с приводным валом рабочего органа машины. В таких конвейерах как ленточные, пластинчатые, скребковые приводные валы располагаются горизонтально, а в подвесных – вертикально. Ориентация входного и других валов ПМ будет определяться удобством расположением двигателя в механизме, машине и выбранным типом передач. Анализ других, отмеченных в лабораторном занятии №1, функций (регулирование скорости вращения приводного вала, получение реверсивного движения, приведение в движение от одного двигателя нескольких исполнительных механизмов) в целях упрощения первой конструкторской работы не предусматривается.

Кроме функциональных требований при назначении структуры должны быть учтены дополнительные требования и ограничения, которые в дальнейшем позволят оптимизировать конструкторское решение по энергоемкости, материалоемкости, экономичности. Эти вопросы поднимаются как на этапе формирования ТЗ, так и ТК. Но на данных стадиях проектирования они могут быть решены лишь на идеологическом уровне в форме сравнения альтернативных вариантов по возможности получения желаемых результатов. Параметрическая оценка соблюдения указанных требований осуществляется на последующей стадии параметрического синтеза. Исходным параметром указанной прямой функции передаточного механизма является его общее передаточное отношение, которое определяется отношением частот вращения ведущего n_вщ и ведомого n_вд валов. Для проектируемого механизма модуль требуемого общего передаточного отношения (т.е. без учета его знака)

(1)

Что касается частоты вращения вала рабочего органа (n_ро), то, как отмечено выше, она вычисляется в технологическом расчете параметров машины на основе оценки скорости выполнения технологической операции, который предшествует конструированию ТО.

Частота вращения вала двигателя (n_д) определяется типом используемого мотора. В рассматриваемых в КП стационарных машинах с нерегулируемой скоростью рабочего органа наиболее часто применяют электродвигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором, как правило, обладающие минимальной энерго- и материалоемкостью и простотой обслуживания. Двигатели указанного типа выпускаются промышленностью с синхронной частотой вращения n_с (частотой вращения магнитного поля) 3000, 1500, 1000, 750 об/мин. Этот набор частот при промышленной частоте тока 50 Герц достигается за счет количества пар полюсов соответственно 1, 2, 3 и 4. Естественно, что увеличение пар полюсов приводит к увеличению размеров мотора, его массы и стоимости. Поэтому, с позиции технико-экономических показателей двигателя целесообразно использование его высокоскоростных исполнений. Однако при этом возрастает требуемое передаточное отношение, сложность и стоимость передаточного механизма. Естественно, что совершенство привода в целом будет характеризоваться суммарными технико-экономическими показателями двигателя и ПМ. Выявление наилучшего решения среди альтернативных вариантов достигается их сопоставительным анализом. По причине изложенного обстоятельства величина n_д является важной переменной проектирования при конструировании привода машин. Основной задачей первой конструкторской работы является освоение методологии процесса проектирования, а введение этой переменной существенно усложнит ее решение. По этой причине целесообразно исключить данную ПП и ориентироваться на средний диапазон n_с=1500 и 1000 об/мин. Фактическая частота вращения вала двигателя n_д отличается от n_с на величину скольжения, величина которого устанавливается непосредственно для каждого типоразмера двигателя и приводится в каталогах двигателей. Поэтому определение фактического передаточного отношения возможно лишь после предварительного установления типоразмера двигателя.

Предварительный подбор электродвигателей осуществляется по требуемой мощности установившегося движения Р_тр.д. и частоте вращения. Известно, что требуемая мощность на рабочем органе при установившемся движении определяется скоростью движения V и соответствующей силой статического сопротивления F_cc этому движению.

(2)

Именно требуемую мощность и содержит задание на КП (табл. 2 ). Для конкретизации операций по синтезу ПМ к примеру, примем Р_mp.p.o.=2,85 кВт. В этом выражении сила статических сопротивлений F_cc (см. практическое занятие № 1) имеет размерность [кН], а скорость V - [м/с]. Для установления требуемой мощности двигателя Р_тр.д. необходимо учесть потери энергии в кинематической цепи передаточного механизма.

(3)

В этом выражении η_общ. – общий кпд кинематической цепи, равный произведению кпд всех последовательно установленных её элементов, в которых имеют место потери энергии,

.

Здесь η₁, η₂,…, η_n – кпд отдельных элементов кинематической цепи. Индексы 1, 2, …. ,n можно поставить по условной договорённости, начиная с быстроходного элемента. Значения этих коэффициентов различных механизмов и их элементов зависят от многих факторов, часто неизвестных на начальном этапе проектирования. Поэтому при выполнении синтеза и анализа проектного решения обычно используют ориентировочные усреднённые значения кпд, приводимые в справочной литературе. При проведении лабораторного занятия и выполнении КП можно использовать значения кпд, данные в таблице 3.

Естественно, что вычисление общего кпд, требуемой мощности, а, следовательно, и значения предварительного передаточного отношения невозможно без установления состава ПМ. Уравнение (3) имеет два неизвестных и, как отмечено в лаб. р. № 1, решается в режиме последовательных приближений (итераций). В подобной ситуации сначала определяют ориентировочное значение общего передаточного отношения по синхронной частоте вращения вала двигателя, например при n_с = 1000 мин^-1 и частоте вращения n_р.о. = 12,8 мин^-1

.

Ориентировочному значению для исключения путаницы присвоен индекс «штрих». После этого назначают структуру ПМ, вычисляют для механизма предложенной структуры кпд, подбирают двигатель, устанавливают фактическую частоту вращения его вала и уточняют передаточное отношение. Если уточненное значение невозможно реализовать посредством механизма предложенной структуры, то ее корректируют соответствующим образом.

Таблица 3. Ориентировочные значения кпд распространённых элементов кинематических цепей

Наименование элементов кинематической цепи	КПД
Одна ступень зубчатого зацепления с учётом потерь в опорах а) цилиндрическая б) коническая в) волновая закрытая	Закрытые передачи при жидкой смазке					Открытые передачи при густой смазке
	6, 7 степени точности		8, 9 степени точности
	0,99 ÷ 0,98 0,98 ÷ 0,96		0,975 ÷ 0,97 0,96 ÷ 0,95			0,96 ÷ 0,95 0,95 ÷ 0,94
	0,8 ÷ 0,9 при i = 250 ÷ 80
Одна ступень закрытой червячной передачи с учётом потерь в опорах	При числе заходов червяка
	z1 = 1 ( i > 32)	z1 = 2 ( i = 16 ÷ 32)			z1 = 4 ( i = 8 ÷16)
	0,75 ÷ 0,6	0,87 ÷ 0,75			0,92 ÷ 0,87
Цепная двухзвёздная передача а) роликовой цепью б) зубчатой цепью	Закрытая			Открытая
	0,95 ÷ 0,97 0,98 ÷ 0,99			0,92 ÷ 0,94 0,95 ÷ 0,96
Ременная передача а) плоским ремнём б) клиновым ремнём	0,95 ÷ 0,97 0,92 ÷ 0,96
Муфты компенсирующие	0,985 ÷ 0,995
Одна пара подшипников а) качения или скольжения при жидкостном трении б) скольжения при полужидкостном трении	0,99 ÷ 0,995 0,98 ÷ 0,99
Подвижные и неподвижные блоки и приводные барабаны на опорах а) скольжения б) качения	0,95 ÷ 0,97 0,97 ÷ 0,98