3. Примеры выполнения отдельных разделов проекта
3.1. Конструкторская разработка
1. Тема «Модернизация элеватора картофелеуборочного комбайна»
Постановка задачи
Как показывает опыт эксплуатации картофелеуборочных комбайнов,
Существует проблема повышения эффективности очистки рабочих поверхностей сепарирующих органов от волокнистых растительных примесей. Для ее решения в картофелеуборочных машинах в качестве центробежных сепарирующих органов предлагаются прутковые элеваторы с эластичным прижимным барабаном. На рисунке показана принципиальная схема картофелекопателя-погрузчика с указанной конструкцией элеватора, защищенной авторским свидетельством № 1753984.
Дуговой сепаратор обеспечивает подъем клубней на значительную высоту и позволяет загружать их в кузов рядом идущего транспорта без специальных транспортеров.
Однако недостатком предложенной конструкции картофелекопателя-погрузчика является значительное повышение тягового усилия на приводном валу, так как его модернизация предусматривает увеличение длины сепарирующего элеватора.
Целью данной конструкторской части дипломного проекта является разработка дополнительного приводного направляющего вала, позволяющего уменьшить тяговое усилие на главном приводном валу.
Выполним проектирование конструкторской разработки с помощью системы автоматизирования (САПР).
Рис. 1. Схема картофелекопателя-погрузчика:
1 – катки; 2 – лемехи; 3 – прутковый элеватор; 4 – прутковый элеватор с центробежной сепарацией; 5 – барабан; 6 – полотно подающего транспортера; 7 – редкопрутковый ботвоудаляющий транспортер; 8 – ботвоприжимной битер; 9 – поперечная горка; 10 – отрывной пруток; 11- подъемный транспортер; 12 – поперечный транспортер; 13 – противоточная сепарирующая горка; 14 – отвод для удаления ботвы.
САПР, как организационно-техническая система, включает в себя технические средства, системное и прикладное программное обеспечение, самого проектировщика. Эффективность таких систем в значительной мере определяется возможностями прикладного программного обеспечения, под которым понимают набор программ, реализующих решение конкретной задачи проектирования. Это программы проектных предварительных расчетов механизмов в целом, расчетов на прочность и надежность; и основа любой САПР – графический редактор, как система создания конструкторской документации. Известно, что на вычерчивание проектируемого изделия и его составляющих приходится около 70% от общих трудозатрат конструкторской деятельности, в то время как на собственно проектирование – 15% и остальное на ведение архивов. Поэтому такие системы наиболее развиты и нашли широкое применение в производстве. Современные графические редакторы обеспечивают возможность создания и редактирование как двухмерных, так и трехмерных изображений самых сложных проектируемых объектов. Открываются новые возможности для технической работы.
Автоматизированное проектирование и разработка технологии изготовления деталей машин и механизмов объединяются в интегрированных САD/САМ системах, где САМ – computer aided machinen (САПР-технология). Каждая из подсистем имеет свою базу данных.
Классификация САПР. На рынке САПР сложилось условное разделение по уровням: нижний, средний и верхний. Кроме того, САПР разделяют на универсальные и локальные (прикладные). К системам нижнего уровня относят двумерные (плоские) САD – системы, позволяющие решать вопросы автоматизации выпуска конструкторской документации.
Системы нижнего уровня позволяют получать чертежи деталей, не связанных друг с другом (электронный кульман).
Системы среднего уровня обеспечивают трехмерное твердотельное моделирование и инженерные расчеты достаточно сложных изделий, состоящих из сотен, иногда тысяч деталей, Моделирование сложных поверхностей и выпуск конструкторской документации с привлечением мощных конструкторско-технологических библиотек. К таким системам относят Solid Works, Solid Edge, Mechanical Desktop, российские КОМПАС, КРЕДО, Т-Flex САD и другие. Системы среднего уровня нашли наиболее широкое применение в производстве по следующим критериям: доступность (цены); широкие функциональные возможности; аппаратные требования (персональный компьютер). Поэтому в ряде случаев экономически целесообразно интегрировать такие системы с системами верхнего уровня или усиливать расчетными САМ/САЕ – системами среднего уровня. Например, для инженерных расчетов можно рекомендовать российскую систему автоматизированного расчета и проектирования в машиностроении и строительстве АРМ WinMachine , а для разработки и оформления конструкторской и технологической документации САD/САМ систему КОМПАС.
Системы верхнего уровня обеспечивают весь цикл создания изделий любой сложности от идеи до реализации без внешних приложений. Широко известны Unigraphics,CADS-5, EUCLID QUANUM, CATIA Pro/ENGINEER. Системы дорогостоящие, и их работа может быть реализована на графических станциях.
При выполнении данной конструкторской разработки используется одна из популярных на отечественном рынке САПР система КОМПАС, разработанная компанией АСКОН (Санкт-Петербург).
В среде КОМПАС используются специализированные библиотеки по общему машиностроению (крепеж, подшипники пружины, тела вращения, материалы, электродвигатели и т.д.); для создания собственных библиотек пользователя имеются средства разработки приложений КОМПАС-МАСТЕР.
Система КОМПАС включает в себя следующие приложения: проектирование тел вращения – КОМПАС SHAFT Plus, включающего расчеты механических передач; проектирование пружин – КОМПАС SPRING; проектирование штамповой оснастки; систему объемной обработки на станках с ЧПУ – ГЕММА-3D; САПР ФРЕЗ; ведение типовых проектов и проектирование металлоконструкций. Технологическая подготовка производства на основе ранее созданных чертежей может осуществляться в КОМПАС-АВТОПРОЕКТ, предназначенном для проектирования сквозных технологий, включающих одновременно операции механообработки, штамповки, термообработки, сварки, получения покрытий.
Решение задачи
При разработке конструкции дополнительного приводного направляющего вала в качестве прототипа использовался главный приводной вал, у которого были удалены предохранительная муфта и звездочка цепной передачи у второй опоры. На рис. 3.2. показан сборочный чертеж разработанной конструкции дополнительного вала. Изображения стандартных изделий (подшипники, уплотнения, крепеж) при создании чертежа были получены из конструкторской библиотеки КОМПАС. Спецификация и рабочие чертежи деталей (деталировка) в данном примере не приведены.
Основными критериями работоспособности валов являются прочность, жесткость и виброустойчивость. Для разработанной конструкции проводим расчет вала на сопротивление усталости (усталостный расчет). Цель этого расчета – определение коэффициентов запаса прочности в опасных сечениях и сравнение с допускаемыми.
Исходные данные: крутящий момент на ведущей звездочке
Т= 166 Н·м; диаметр делительной окружности звездочки d1 = 194,09 мм.
Порядок расчета следующий.
1.Определяем основные нагрузки:
Fk= 1,15Ft; Ft= 2T/d1,
где Fk -консольная нагрузка на вал, Н; Ft - окружная сила на звездочке, Н,
Ft= 2· 166 / 0,19409 = 1710 H,
тогда
Fk = 1,15 · 1710 = 1966 H.
Из сборочного чертежа видно, что диаметры колес 2 пруткового элеватора равны диаметру делительной окружности звездочки 1. В этом случае:
FB = FB1 + FB2 = 1,15·Ft·ηn, FB1= FB2 = 1,15·Ft·ηn /2,
где FB -нагрузка на вал от пруткового элеватора, Н; FB1 -нагрузка на вал
под первым колесом, Н; FB2 -нагрузка на вал под вторым колесом, Н;
η -КПД подшипников, ηn =0,99.
FB1= FB2 = 0,57·1710·0,99 = 965 H.
2.Определяем реакции опор, используя уравнения статики.
Для определения реакций опор и построения эпюр изгибающих моментов применяем программу Расчет балки, находящуюся в разделе Расчет и построение Менеджера библиотек КОМПАС. После запуска программы на экране компьютера появляется диалоговое окно для ввода параметров расчета вала. Устанавливаем курсор на клавишу Параметры балки и щелчком мыши запускаем эту команду. Аналогично выбираем тип балки (на двух опорах), ее длину (1,39 м), расстояние до первой опоры (0,056 м), расстояние до второй опоры (1,39 м), вводим значения предела прочности и модуля упругости материала. С помощью клавиши ОК переходим к введению параметров нагрузок, действующих на вал.
В нашем случае с помощью клавиши Р последовательно вводим значения и точки приложения сил Fk , FB1, FB2 .
После запуска команды Расчет на экране появляются расчетная схема вала, эпюра изгибающих моментов, упругая линия и результаты расчета (рис.3.3). При необходимости, рисунок можно сохранить в файле и в дальнейшем редактировать средствами КОМПАС-ГРАФИК.
Рис.2. Сборочный чертеж дополнительного вала
Анализ эпюры изгибающих моментов показывает, что наиболее опасным сечением является место приложения нагрузки FB1 (x = 0,148), в котором МΣ = 191,3 Н·м. Диаметр вала в опасном сечении d = 45 мм. Это сечение является местом посадки ступицы первого колеса пруткового элеватора. Дальнейший расчет проводим по указанному сечению.
3. Выполняем проверочный расчет вала на сопротивление усталости.
Определяем запас прочности в опасном сечении:
Расчетное значение S должно быть не ниже допускаемого [S] =2,5. Коэффициент запаса прочности по напряжениям изгиба:
Коэффициент запаса прочности по напряжениям кручения:
Для изготовления вала выбираем сталь 45; термообработка – улучшение; предел прочности σв = 750 МПа.
Пределы выносливости стали при симметричном цикле изгиба и кручения:
σ-1 = (0,4…0,5)σв = 0,45· 750 = 337,5 МПа,
τ-1 = 0,58 ·σ-1 = 0,58 · 337,5 = 195,8 МПа
Амплитуда цикла нормальных напряжений:
где МΣ -суммарный изгибающий момент, Н м; W - момент сопротивления
изгибу для сечения вала с шпоночным пазом, мм3,
W = 0,1d3 – bt1(d – t1)/2d
( d - диаметр вала, мм; t1 -глубина паза вала, мм; b - ширина паза, мм),
W = 0,1 · 453 – 14 · 5,5 (45-5,5) / 2· 45 = 7607 мм3.
Тогда:
σа = 191,3 · 103 / 7607 = 25,2 МПа.
Амплитуда цикла касательных напряжений:
Где W -полярный момент сопротивления при кручении, мм3,
Рис. 3. Результаты расчета дополнительного вала
Тогда:
Средние значения циклов нормальных и касательных напряжений:
σm=0; τm= τa = 5,0 МПа.
Масштабный фактор и фактор качества поверхности определяем по таблицам10.11, 10.13, из [3]: Kd = 0,82, для d = 45 мм; KF = 0,9 (участок вала, на котором устанавливается колесо, обтачивается).
Коэффициенты концентрации напряжений определяем по таблице 10.10, из [3]. Наибольшую концентрацию напряжений на указанном участке вала вызывает канавка для стопорного кольца, Кσ = 2,35; Кτ = 1,7.
Коэффициенты чувствительности к нормальным и касательным напряжениям:
ψσ= 0,02 + 2 · 10-4·σв = 0,02 + 2 · 10-4· 750 = 0,17,
ψτ= 0,5ψσ = 0,5·0,17 = 0,08.
Определяем коэффициенты запаса прочности:
Условие прочности вала выполняется.
Заключение. Разработанная конструкция дополнительного приводного направляющего вала позволяет уменьшить тяговое усилие на главном приводном валу и тем самым увеличить надежность работы картофелекопателя – погрузчика.
Конкретные значения показателей надежности могут быть получены по результатам стендовых или эксплуатационных испытаний опытных образцов картофелекопателя-погрузчика.