ДМ методичка(2013)

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ)

ЗАДАНИЯ

НА РАСЧЕТНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ДНЕВНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ

Ухта 2013

УДК 621.8 ББК 34.41.Я7

Ж 72

Жингаровский, А. Н.

Задания на расчётные работы по теории механизмов и машин [Текст] : метод. указания для студентов дневной формы обучения / А. Н. Жингаровский, Е. И. Кейн, М. Н. Коновалов. – 2-е изд., стереотип. – Ухта : УГТУ, 2013. – 36 с., ил.

Методические указания содержат задания к расчётным работам, ссылки на литературу и некоторые рекомендации по выполнению расчётных работ. Они предназначены для студентов дневной формы обучения, обучающихся по направлениям 131000, 140400, 151000, 250400, 280700 и другим, изучающих дисциплины «Детали машин и основы конструирования» и «Прикладная механика».

Содержание указаний соответствует рабочим учебным программам.

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой СМ и ДМ от

12.10.2012, пр. №2.

Рецензент: Н. Р. Шоль, заведующий кафедрой лесных и деревообрабатывающих машин, к.т.н.

Редактор: Р. А. Вербаховская.

В методических указаниях учтены предложения рецензента и редактора.

Корректор К. В. Коптяева. Технический редактор Л. П. Коровкина.

План 2013 г., позиция 212. Компьютерный набор. Гарнитура Arial. Подписано в печать 28.02.2013.

Объём 36 с. Тираж 250 экз. Заказ №272.

© Ухтинский государственный технический университет, 2008, 2013 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.

Типография УГТУ.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.

1 Введение

Выполнение расчётных работ по теории механизмов и машин (ТММ) предусмотрено учебными планами для всех студентов, изучающих эту дисциплину. Расчётные работы охватывают преимущественно те положения дисциплины, которые позднее будут реализованы вами в курсовом проекте (курсовой работе) по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» (ДМ).

Проект (работа) по деталям машин предусматривает выполнение чертежей и пояснительной записки, которые относятся соответственно к графическим и текстовым (от слова «текст») конструкторским документам. Изучая инженерную графику, вы, конечно, усвоили, что оформление конструкторских документов не допускает никакой самодеятельности: всё должно исполняться по определённым правилам. Эти правила изложены в Государственных стандартах (ГОСТах), объединённых в комплекс, именуемый «Единая система конструкторской документации» (ЕСКД).

Чтобы лучше подготовиться к предстоящему проекту по деталям машин, расчётную работу по ТММ будем оформлять как текстовый документ в соответствии с требованиями ЕСКД.

Итак, осознанное выполнение предстоящей работы по ТММ позволит вам:

–закрепить и углубить знания по ряду разделов, полученные при изучении теоретической части этой дисциплины;

–развить навыки самостоятельной работы с учебной и общетехнической литературой при выполнении довольно сложных расчётов;

–получить опыт оформления текстовых документов в соответствии с требованиями ЕСКД.

2 Сведения о заданиях и содержании расчётных работ

2.1Каждому из студентов номер задания и номер варианта назначает преподаватель.

2.2Задачи, решаемые в расчётных работах, связаны с приводами, так как подобные приводы в дальнейшем послужат объектами курсового проектирования по деталям машин.

2.3Каждое задание оформлено на отдельной странице, где приведены:

–номера заданий;

–краткая характеристика привода, для которого решаются задачи расчётной работы;

–рисунок с изображением кинематической схемы привода и подрисуночная надпись к нему;

–таблица с десятью вариантами числовых значений выходных параметров привода. Параметров таких два – мощность Р, в кВт, и частота вращения n, 1/мин. или крутящий момент Т, Н·м, и угловая скорость ω, рад/с. Эти выходные параметры, наряду с другими данными из характеристики привода, используются при решении задач расчётной работы.

2.4 Выполняя расчётную работу, каждый из вас решает четыре задачи, которые можно сформулировать следующим образом:

а) выбрать асинхронный электродвигатель;

3

б) вычислить скорость вращения, мощность и крутящий момент для каждого из валов привода;

в) рассчитать зубчатую (цилиндрическую, коническую либо червячную) передачу редуктора;

г) рассчитать ременную или цепную передачу привода.

3 Начало работы, её оформление

Напоминаем, что расчётная работа должна исполняться как документ конструкторский, т. е. по оформлению она должна соответствовать требованиям ЕСКД.

Необходимые и достаточные условия, которым должна отвечать ваша работа, изложены в пособии [3, С. 4-23]. Пролистайте эти страницы в первую очередь и не забывайте обращаться к ним в дальнейшем.

В качестве материальной составляющей вам потребуется белая бумага формата А4 (210×297 мм) в количестве 25...30 листов для чистовика и ещё желательно того же формата бумага для черновика. Черновик следует ис-

полнять по оформлению и по содержанию максимально приближённым к чистовику. Только при этом условии в черновик можно будет вносить поправки и замечания преподавателя, а значит, качественно исполнить чистовик и сберечь своё время.

Для обложки полезно иметь два листа плотной бумаги типа чертёжной. Первый лист обложки − титульный. Он исполняется по образцу приложения А.

За титульным листом следует первый, или заглавный, лист. На нём вычерчивается рамка и оформляется основная надпись по форме 2 [3, С. 8]. В самом конце работы на этом первом листе вы оформите раздел «Содержание», в нём вы перечислите заголовки разделов и подразделов, а также номера листов, на которых они находятся в тексте вашей работы [3, С. 26-27].

Все остальные листы, следующие за первым, или заглавным, называ-

ются последующими. На них должна быть рамка и основная надпись по форме 2а [3, С. 9]. В учебных работах для экономии времени допускается с рамкой и основной надписью оформить не менее 3-х последующих листов, а на остальных листах рамки и основные надписи не вычерчивать. Номера листов в этом случае ставятся сверху посередине.

За содержанием следует лист с заголовком «1 Задание». Задание, а заодно и титульный лист, следует оформить по образцу приложений А и Б и всегда приходить с ними к преподавателю на консультации, чтобы не терять всякий раз время на выяснение того, что же вы рассчитываете.

Заметим, что в разделе «Задание» должна быть первая ссылка на литературу, а именно на тот источник, откуда вы взяли задание. Поэтому следует одновременно завести лист с заголовком «Литература» и записать в него под номером первым краткое библиографическое описание упомянутого источника. Заголовок «Литература» записывается симметрично тексту [3, С. 21-23].

Ещё раз настоятельно советуем первыми оформить титульный лист и раздел «1 Задание» и приходить на консультации только с ними.

Такое начало, поверьте, создаст у вас настроение работать интенсивнее, чтобы скорее увидеть свою работу, сделанную так же хорошо, как и её начальные листы.

4

4 Пояснения, замечания, предупреждения, советы

4.1 Начнём с точности вычислений. Выполнив действия с дробными величинами, вы после знака равенства пишете зачастую целое число. Такой

результат иногда может быть правильным, но он вызывает недове-

рие. Поэтому, если получилось действительно целое число, то поставьте после него занятую и пару нулей.

Если окончательный результат получен округлением, то сначала после знака равенства запишите первоначальный результат вычислений (условно точный), а затем после знака «приблизительно» – результат округлённый.

В большинстве случаев округлять полученные числа следует так, чтобы погрешность не превышала 0,001 от результата вычис-

лений. Это, однако, не значит, что, округляя результаты расчётов, следует оставлять после занятой всегда три знака.

Поясним порядок округления следующими примерами:

−пример первый. Для тихоходного вала вычислен крутящий момент

Т= 1029,624 Н·м. 0,001 от этого числа составляет 1,029624. Именно не более чем на эту величину при заданной точности 0,001 допустимо отклоняться от первоначально вычисленного значения в большую или в меньшую сторону. То есть правильными при округлении будут результаты, которые отвечают интервалу 1029,624 ± 1,029624. В его рамках возможно множество правильных результатов округления. Весьма точным будет, например, округлённое число 1029,6. В заданную точность укладываются также целые числа 1029 и 1030;

− пример второй. Вычислена требуемая мощность двигателя

Ртр = 0,575 82 кВт. 0,001 от этого числа составляет 0,00057582.

По аналогии с предыдущим, правильными при округлении будут результаты, которые укладываются в интервале 0,57582 ± 0,00057582, например

0,5758 или 0,5760.

4.2 Технические данные стандартных асинхронных электродвигателей, включая номинальные мощности Рн, приведены в литературе [4, С. 390]. Для двигателя каждой мощности здесь указаны следующие четыре синхронные частоты вращения: 750, 1000, 1500, 3000 1/мин. В расчётах вам понадобится не синхронная, а номинальная частота вращения nн, которая на несколько процентов меньше синхронной. О её вычислении читайте [3, С. 32].

Электродвигатель выбирается по двум параметрам:

−по требуемой мощности Ртр;

−по номинальной частоте вращения nн.

Пример выбора вы найдёте в литературе [3, С. 31-33], а также [4, С. 289291, 338-340].

Для расчёта требуемой мощности Ртр нужно предварительно обосновать КПД привода. Величины потерь в отдельных кинематических парах привода можно взять, например, из приложения В. Там же приведены и передаточные отношения для отдельных передач.

Задача конструктора − рассчитать и затем сконструировать привод с возможно более высоким КПД. Это позволяет снизить требуемую мощность Ртр и получить экономию от снижения расхода электроэнергии и, возможно, от применения более дешёвого двигателя меньшей мощности.

5

Надо помнить, что использование двигателя с повышенной частотой вращения потребует увеличить передаточное отношение всего привода и отдельных его передач. Вместе с тем увеличение передаточных отношений обычно ведёт к снижению КПД передач и увеличению их габаритов. Поэтому не увлекайтесь выбором быстроходных двигателей.

Особенно велика зависимость КПД от передаточного отношения для передач червячных (см. приложение В). Поэтому, назначая предварительно КПД червячной передачи, начните с высоких значений − 0,9…0,85 при передаточном отношении iч = 8…12 и числе заходов червяка Z1 = 4. Рассмотрим дальнейшее на примере. Пусть привод содержит червячный редуктор и цепную передачу. На выходе привода задана частота вращения nвых = 20 1/мин. Номинальная частота nн самого тихоходного двигателя по [4. С. 390] около 700 1/мин. Общее передаточное отношение привода для этого двигателя со-

ставит около iобщ = nн : nвых = = 700 : 20 = 35. Если принять iч = 10 (Z1 = 4, Z2 = 40) при высоком КПД около 0,88 (см. приложение В), то на цепную пере-

дачу останется передаточное отношение iц = iобщ : iч = 35 : 10 = 3,5, что вполне укладывается в рекомендации приложения В.

В результате у нас сложился замысел по выбору электродвигателя. Далее, как будто мы ничего не знаем, действуем по образцу в литературе [3, С. 30-32] и оформляем соответствующую часть расчёта.

Электродвигатель следует выбирать с минимальной недогрузкой. Возможен выбор и с перегрузкой. Для приводов, работающих длительное время без перерыва, перегрузка не должна превышать 5%. В противном случае возможен перегрев двигателя и сокращение его ресурса. Если привод работает в повторно-кратковременном режиме (привод барабана лебёдки, привод колёс тележки мостового крана), когда непродолжительная работа сопровождается паузой и двигатель охлаждается, то можно допустить перегрузку до 15%.

Если двигатель выбран с недогрузкой, то целесообразно расчёт выполнить не на требуемую, а на номинальную мощность двигателя. Этим самым создаётся резерв, который можно использовать в перспективе. Нужно только дать соответствующие примечания в тексте [3, С. 31].

4.3 Расчёты зубчатых и червячных передач выполняются по одной схеме. Поэтому, независимо от того, какую передачу вам предстоит рассчитывать, откройте пособие [3, С. 35-52] и внимательно ознакомьтесь с этой схемой на примере расчёта цилиндрической передачи. Обратите внимание на порядок оформления расчёта в соответствии с требованиями ЕСКД, т. е. в текстовом конструкторском документе. Постарайтесь осмыслить при чтении авторские пояснения и комментарии, заключённые в рамках. Они вам многократно понадобятся в дальнейшей работе. Основы теории и порядок расчёта зубчатых цилиндрических, конических и червячных передач вместе с необходимыми справочными материалами вы найдёте в книге [4, С. 29-68]. Там же на страницах 289-390 даны примеры расчёта приводов, содержащих все упомянутые передачи. Имейте в виду только, что все эти материалы изложены в книге не совсем так, как того требуют правила изложения по ЕСКД. Поэтому при исполнении расчётов ещё на стадии черновика пользуетесь пособием [3].

6

4.4 Расчёты всех зубчатых цилиндрических, конических или же червячных передач выполняются в таком порядке:

а) выбор материалов колёс (колеса и червяка). Для колёс цилиндрических и конических передач при вашем ещё малом опыте рекомендуется выбирать малолегированные среднеуглеродистые стали 30ХГС, 40Х, 40ХН по ГОСТ 4543−88 в улучшенном состоянии. Для них механические свойства (усреднённые) приведены в литературе [4, С. 34].

Для червяков рекомендуются углеродистые качественные конструкционные стали 40, 45, 50 по ГОСТ 1050−88, закалённые объёмно и затем отпущенные до твёрдости не менее HRC 45. Возможно использование легированных малоуглеродистых сталей 20Х, 20ХМ, 12ХН2А, 20ХГТ по ГОСТ4543−88 с поверхностной твёрдостью после цементации, закалки и низкого отпуска в пределах HRC 56−62.

Для венцов червячных колёс назначайте бронзу по рекомендациям [4, С. 65-68]. Чугун без консультации с преподавателям назначать не следует.

Механические свойства выбранных материалов представляйте в некотором интервале, как это сделано в [3, С. 36];

б) обоснование допускаемых напряжений для последующего расчёта гео-

метрических параметров передачи. Во всех случаях этих напряжений должно

быть четыре. И всё о них должно быть сконцентрировано в одном месте под общим заголовком [3, С. 35-44].

Первое из четырёх напряжений − [σн] − допускаемое контактное напряжение на соприкасающихся поверхностях контакта зубьев при их зацеплении. Именно это напряжение используется для проектного расчёта передачи на выносливость или долговечность. Правильно выполненный проектный расчёт даёт размеры передачи, при которых она должна отработать заданный срок без усталостных повреждений поверхностей зубьев от воздействия переменных контактных напряжений σн, не превышающих [σн].

Второе напряжение из четырёх − [σн]max − допускаемое контактное напряжение на поверхностях зубьев при кратковременных перегрузках передачи. Используется оно для проверочного расчёта. Если полученное при этом расчётное напряжение σнmax не превысит допускаемое [σн]max, то поверхностные повреждения зубьев при кратковременных перегрузках возникнуть не должны.

Третье напряжение − [σF] − допускаемое напряжение при изгибе зубьев. Используется оно для проверочного расчёта зубьев на выносливость (долговечность) при изгибе. Если расчётное напряжение при изгибе σF не превысит допускаемое напряжение [σF], то можно считать, что за срок службы поломки зубьев не произойдут.

Заметим, что в формулу для расчёта величины [σF] входит коэффициент КFC, учитывающий влияние двухстороннего приложения нагрузки к зубьям [4, С. 44, 45]. У передач нереверсивных зубья нагружаются с одной стороны, поэтому принимают КFC = 1. Передачи реверсивные отличаются менее благоприятной для прочности двухсторонней переменной нагруженностью зубьев, для них принима-

ются КFC = 0,7…0,8 [5, С. 174].

Четвёртое напряжение − [σF]max − допускаемое напряжение при изгибе зубьев кратковременно действующими перегрузками. Используется оно для проверочного расчёта. Если полученное при этом расчётное напряжение σFmax не превышает допускаемое [σF]max, то поломки зубьев при кратковременных перегрузках возникнуть не должны.

7

Заметим, что главное ваше пособие по расчётам [4] предназначено для средних специальных учебных заведений. Поэтому в нём не обосновываются величины коэффициентов долговечности КHL и КFL, а принимаются равными единице. Не рассчитываются также допускаемые напряжения при перегрузках

[σн]max и [σF]max и не выполняются проверочные расчёты при перегрузках. Для вас, студентов высшей школы, такие упрощения не допустимы$

в) расчёт геометрических параметров передачи. Сначала вычисляется один из генеральных параметров передачи. Для конической передачи это внешний делительный диаметр колеса (большего из колёс) [4, С. 47-53], а для передачи цилиндрической или червячной − межосевое расстояние [4, С. 29-47, 54-68]. Затем вычисляются остальные параметры по методике литературы [4] и [3];

г) проверочные расчёты по четырём упомянутым выше напряжениям (σн, σнmax, σF, σFmax) выполняются при наличии уже всех геометрических параметров передачи.

Первой выполняется проверка на выносливость по переменному контактному напряжению σн. Признак качественного расчёта – близость расчётного напряжения σн и допускаемого [σн]. Удовлетворительным можно считать результат, если перегрузка не более 5%, а недогрузка не более 10%. В связи с этим приходиться иногда корректировать геометрические параметры передачи, влияющие на величину σн (ширину колёс, межосевое расстояние, степень точности, материал и др.).

После проверки на контактную выносливость следуют проверки по на-

пряжениям σнmax, σF, σFmax. Для колёс с твердостью зубьев до НВ350 проверки выявляют как правило весьма больше недогрузки, и это вполне нормально;

д) результаты расчётов представляются в виде таблицы принятых окончательно геометрических параметров передачи.

4.5 Ременные и цепные передачи рассчитываются по методикам, изложенным в книге [4, С. 118-157]. Прежде чем приступать к расчёту, ознакомьтесь с соответствующим материалом. Примеры расчёта цепной и клиноременной передачи приведены в [4, С. 298-301, 330-332].

Примеры расчёта этих же передач, оформленные как текстовые конструкторские документы, вы найдёте в [3, С. 63-77]. При расчёте клиноременной передачи после выбора сечения ремня и приблизительной оценки диаметра меньшего шкива округляйте этот диаметр до стандартной величины, которая рекомендована для выбранного сечения ремня [4, С. 132-133]. Диаметр большого шкива лучше округлить не до стандартной величины, а до ближайшего целого числа миллиметров, чтобы отклонение передаточного отношения от принятого ранее значения было минимальным.

Число ремней принимайте не более 3-х. Если вы не укладываетесь в эту норму, то увеличивайте диаметры шкивов или, что лучше, переходите на более прогрессивные узкие ремни. Сведения для их выбора возьмите в литературе [6, С. 82-88]. Расчёт даёт обычно дробное число ремней, которое следует округлить до целого. При округлении в меньшую сторону возникает перегрузка. Она не должна превышать 10%. Пусть, например, по расчёту получено число ремней Z = 3,45. Если принять округлённо Z ≈ 3,00, то перегрузка соста-

вит 3,45 −3,00 ×100 %=13,1%, что более допускаемых 10%.

3,45

8

В расчёте цепной передачи делается сначала предварительная оценка требуемого шага цепи. Затем проверяются по удельному давлению в шарнире две цепи с ближайшими стандартными шагами, один из которых меньше, а второй больше шага, вычисленного предварительно. Окончательный выбор делается в пользу того шага цепи, при котором разница между расчётным давлением в шарнире Р и допускаемым [Р] будет минимальной. При этом следует ориентироваться на перегрузки не более 5% и недогрузки не более 10%. Уложиться в эти рекомендации можно, например, за счёт некоторого изменения числа зубьев звёздочек.

Желаем вам качественно и с пользой для вашего обучения выполнить и защитить в срок вашу работу!

9

Задание 1. Объект для выполнения расчётов – привод ленточного конвейера, содержащий асинхронный электродвигатель, клиноременную передачу, одноступенчатый цилиндрический редуктор с косозубыми колёсами и компенсирующую муфту. Схема привода представлена на рисунке 1.

Срок службы редуктора 36000 часов, привод реверсивный. Кратковременные перегрузки соответствуют максимальному пусковому моменту выбранного электродвигателя. Мощность Р4, кВт, передаваемая муфтой при частоте её вращения n4, 1/мин., приводится в таблице.

1 – вал электродвигателя; 2 – вал ведущий редуктора; 3 – вал ведомый редуктора;

4 – вал конвейера; 5 – электродвигатель; 6, 7 – соответственно ведущий и ведомый

шкивы клиноременной передачи; 8 – ремень клиновой; 9, 10 – соответственно ведущее и ведомое косозубые колёса редуктора; 11 – муфта компенсирующая; 12 – подшипники; 13 – корпус редуктора; 14, 15 – барабаны конвейера

соответственно ведущий и ведомый; 16 – лента конвейера

Рисунок 1 – Схема привода

10