4. Анализ кинематических, гидравлических, пневматических схем и выбор механизмов.

Проектируемая машина (аппарат) должны удовлетворять ряду требований: производительность, рабочие скорости, гарантийный срок службы, габаритные размеры, возможность транспортирования, простота и лёгкость управления, внешний вид и так далее. В связи с этим к деталям и сборочным единицам предъявляются требования прочности, жёсткости, технологичности, виброустойчивости, отсутствие дефицитных материалов и так далее. Из этих требований основными критериями работоспособности являются прочность, жёсткость, а для многих деталей – виброустойчивость, статическая устойчивость против деформаций, износостойкость, теплостойкость и так далее.

Для определения численных значений характеристик работоспособности необходимо произвести следующие расчёты:

- расчёт на статическую прочность, когда на детали действуют постоянные или медленно меняющиеся нагрузки;

- расчёт при длительном действии переменных нагрузок применительно к расчётам на долговечность и на усталость поверхностных слоёв деталей (зубья шестерён, кулачки и др.);

- расчёты на жёсткость для деталей, деформация которых влияет на работу машины;

- расчёты на износ для деталей, срок службы которых определяется износом рабочих поверхностей (кинематические пары механизмов);

- расчёты на точность, когда точность механизмов определяет точность работы машины;

- расчёты на виброустойчивость для машин, работающих на высоких скоростях (барабаны стиральных машин, роторы центрифуг);

- расчёты на нагревание деталей, нагруженных большой силой трения или работающих при высоких температурах (подшипники скольжения, червячные механизмы).

Указанными расчётами должны быть обоснованы все основные размеры деталей. Все второстепенные размеры, не влияющие существенно на функционирование машины, назначаются обычно на основании справочных материалов и существующих норм для придания оптимальных форм и размеров деталям в соответствии с конструкцией и габаритами сборочных единиц.

4.1 Разработка кинематической схемы машины.

Кинематическая, гидравлическая, пневматическая схемы машины отражают соответствующие принципы взаимодействия и работы элементов машины. Эти схемы дают представление о том, как механическая энергия и движение передаются от источника до пункта её потребления и преобразования. Схемы являются принципиальными и позволяют установить, какие элементы и сколько их входят в устройство и в каких сочетаниях (кинематических парах) они объединяются.

Кинематические схемы вычерчивают в виде плоскостного (вид спереди и вид сбоку) и пространственного изображений. На кинематической схеме указывают наименование каждой кинематической группы элементов и основные характеристики и параметры кинематических элементов. Если кинематическая схема служит для динамического анализа, то на ней указывают необходимые размеры и характеристики элементов. Каждому кинематическому элементу на схеме присваивают порядковый номер, валы нумеруют римскими цифрами, а остальные элементы – арабскими.

На кинематических схемах указывают тип, мощность и частоту вращения электродвигателей, размер, исполнение и передаточное отношение редукторов, диаметр и ширину шкивов, типы и количество клиновых ремней, число зубьев и модули зубчатых передач, число заходов, шаг и направление нагрузки червяков и так далее.

В качестве примера на рис. 4.1 приведена кинематическая схема двухступенчатого редуктора [2].

Р ис.4.1. Кинематическая схема двухступенчатого редуктора.

I (Т) - тихоходный вал; II - промежуточный вал;

III (Б) – быстроходный вал.

Конечной целью проектирования кинематической схемы машины является воспроизведение заданных движений рабочих органов. При проектировании необходимо учитывать динамические свойства механизмов, так как они определяют динамические нагрузки и характер движения звеньев кинематических цепей.

В основе расчёта кинематических цепей механизмов лежат две задачи динамики: по известному закону движения ведущего звена определить силы, приложенные к звеньям механизма и по известным силам определить закон движения по уравнениям Лагранжа.

Первая задача решается методом кинетостатики по уравнению Даламбера [1]. Так, например, для кинематической цепи, трансформирующей кратные круговые движения

(4.1)

где М_КР = М_ДВ - крутящий и движущий моменты; М_С – момент сопротивления; J - момент инерции.

Вторая задача заключается в определении закона движения в соответствии с уравнением Лагранжа. Так, для кинематической цепи, реализующей линейно-круговые движения, уравнение Лагранжа имеет вид:

(4.2)

где Р_ДВ и Р _С - сила движущая и сила сопротивления; J_пр и m_пр- приведённые моменты инерции и масса; Z - количество элементов кинематической цепи.

Гидравлические и пневматические механизмы являются завершающими элементами в гидро – и пневмосистемах, в которых, помимо этих механизмов, имеются двигатели – насосы, регуляторы давления и расхода рабочего тела (масла, воздух); распределители и переключатели потоков рабочих тел, контрольно-измерительные приборы и так далее.

Перечень элементов кинематических, гидравлических и пневматических схем оформляют в виде таблицы. На полях схем допускается указывать данные, необходимые для монтажа, испытания и проверки системы: маркировка трубопроводов, рабочие среды, рабочие давления, температуру и др. На рис. 4.2 показана гидравлическая схема механизма для приведения в движение силового поршня, шток которого связан с рабочим органом машины.

Рис.4.2 Гидравлическая схема механизма.

1 – распределитель; 2,6 – электромагниты; 3 – гидроцилиндр; 4 – поршень; 5 – тормозное устройство; 7 – масляный бак; 8 – фильтр; 9 – клапан переливной; 10 – гидронасос.

Схема пневматического механизма имеет аналогичный вид, только насос заменяется источником сжатого воздуха (компрессором), а выброс отработавшего воздуха производится в атмосферу.

Совокупность кинематических, гидравлических и пневматических элементов и устройств на схемах изображают в виде условных графических символов (рис.4.1; 4.2)