125275 (Проектирование и исследование механизмов поршневого насоса)

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Сарапульский политехнический институт (филиал)

Ижевского государственного технического университета

Кафедра ТММСиИ

Дисциплина "Теория механизмов и машин"

Пояснительная записка к курсовому проекту

на тему "Проектирование и исследование механизмов поршневого насоса"

Выполнил: студент группы 512

Коробейников С.Н.

Проверил: Урбанович В.С.

Сарапул 2010 г.

Содержание

Введение

1. Техническое задание

1.1 Краткое описание работы механизма

1.2 Исходные данные

2. Исследование рычажных механизмов

2.1 Метрический синтез механизма

2.2 Структурный анализ механизма

2.3 Кинематическое исследование механизма

3. Проектирование кулачкового механизма

3.1 Построение диаграмм движения толкателя

3.2 Определение минимального радиуса кулачка

3.3 Профилирование кулачка

4. Проектирование зубчатой передачи

4.1 Расчет привода машины

4.2 Расчет внешнего неравносмещенного зацепления с прямыми зубьями

4.3 Качественные показатели зацепления

5. Силовой расчет механизма

6. Расчет маховика

Список литературы

Введение

Развитие современной науки и техники неразрывно связано с созданием новых машин, имеющих целью повышение производительности и облегчение труда людей, а также обеспечение средств исследования законов природы и жизни человека.

Целью создания машины являются увеличение производительности и облегчение физического труда человека путем замены человека машиной. Созданные человеком машины могут управлять производственными и другими процессами по определенным, заранее составленным программам и в некоторых случаях автоматически обеспечивать процесс с оптимальными результатами. [1]

Основной целью курсового проектирования является подготовка к комплексному проектированию определенной машины или механизма. Выполняя курсовой проект, студенты знакомятся с общими принципами исследований кинематических и динамических свойств механизмов методами проектирования их. При курсовом проектировании начинается профессиональное становление будущего инженера – приобретение опыта самостоятельного решения задач, связанных с производственной деятельностью. [2]

1. Техническое задание

1.1 Краткое описание работы механизма

Поршневой насос принадлежит к насосам объемного типа и характеризуется наличием одной или нескольких камер, в которых возвратно-поступательно двигаются поршни, сообщая перекачиваемой жидкости или газу избыточное давление. Изоляция камеры от полостей всасывания и нагнетания в процессе работы осуществляется с помощью впускного и нагнетающего клапанов. Особенностью поршневых насосов является периодический, пульсирующий характер подачи, обуславливающий неравномерность давлений и подачи по времени.

Для поршневых насосов наряду с кривошипно-ползунными механизмами для увеличения производительности применяются кулисные механизмы. В задании поршневой насос состоит из кулисного О₂АО₃ и шатунного ОВС механизмов (рис. 1а). На ведущий вал О₂ крутящий момент передается от вала электродвигателя через привод насоса (рис. 1б). Рабочим ходом является процесс нагнетания. Нагнетание происходит медленнее, чем всасывание рабочего тела, соответственно этому необходимо выбирать направление вращения кривошипа О₂А.

Кулачковые механизмы служат для открывания всасывающего и нагнетающего клапанов. В задании необходимо спроектировать кулачковый механизм, показанный на рис. 1в, который служит для нагнетания рабочего тела. Кулачки получают вращение от вала кривошипа через ременную передачу с передаточным отношением 1 (на рис. не показана). Диаграммы ускорений толкателя даются на рис. 1г. [3]

Рис. 1

1.2 Исходные данные

Расстояние между стойками

ход ползуна H = 0,11 м;

отношения

конструктивный угол III звена ν = 80°;

коэффициент изменения скорости хода К = 2;

длина толкателя ℓ_ED = 0,22 м;

полный угол размаха толкателя β_max = 19°;

минимальный угол передачи движения γ_min = 45°;

числа зубьев колес Z₁ = 21, Z₂ = 47, Z₆ = 12, Z₇ = 18;

модули m₁ = 5 мм; m₂ = 5,5 мм;

коэффициент неравномерности хода δ = 1/3;

погонный вес q = 120 H/м;

межосевое расстояние

частота вращения двигателя n_дв = 1530 об/мин;

передаточное отношение u_1-5 = 15,85;

зацепления Z₆ – Z₇ неравносмещенное;

сила полезного сопротивления Р_пс = 158 Н;

коэффициент смещения Х выбирать из условия обеспечения заданного межосевого расстояния.

Примечания:

1. Фазовые углы кулачкового механизма для нагнетающего клапана φ_у = 0,5 φ_рх, φ_д = 0,2 φ_рх, φ_в = 0,6 φ_хх.

2. Веса звеньев G₃ = q∙ℓ₃, G₄ = q∙ℓ₄, G₅ = λ∙G₄.

3. Моменты инерции вычисляются по формуле где g – ускорение свободного падения.

4. Приведенный момент сил движущих – величина постоянная.

2. Исследование рычажных механизмов

2.1 Метрический синтез механизма

Задачей метрического синтеза является определение размеров механизма, удовлетворяющих некоторым заданным условиям. В нашем случае задан коэффициент изменения скорости хода К.

,

где θ – острый угол между крайними положениями кривошипа.

Отсюда получаем

;

.

Определяем недостающие длины звеньев. Решение задачи проводим аналитически. Рассмотрим два крайних положения механизма (рис. 2а), для которых .

Прямоугольные треугольники ∆О₂А₀О₃ и ∆О₂А'₀О₃ равны по двум катетам и гипотенузе (катеты О₂А₀ = О₂А'₀ = О₂А, гипотенуза О₂О₃ – общая).

;

;

Рис. 2

В нашем случае получаем

Определяем длину кривошипа О₂А

Длины звеньев ВО₃ и ВС определяем из геометрических соображений по схеме, изображенной на рис. 2б.

C₀C'₀ = H = 0,11 м.

Пусть ВС = х, С₀О₃ = у; тогда ВО₃ = λ·х = 0,32х, С'₀О₃ = у + 0,11.

Используя теорему косинусов получаем систему уравнений

Решая систему, получаем х = 0,367 м, у = 0,280 м.

Отсюда ВС = 0,367 м, ВО₃ = 0,32·0,367 = 0,117 м.

Таким образом, определены длины всех звеньев механизма

2.2 Структурный анализ механизма

Рис. 3

Количество подвижных звеньев механизма, изображенного на рис. 3а, равно n = 5. Звенья соединяются между собой при помощи пяти вращательных пар (0-1, 1-2, 0-3, 3-4, 4-5) и двух поступательных пар (2-3 и 5-0). Все пары являются парами V класса. Степень подвижности механизма вычисляем по формуле Чебышева

W = 3n – 2p₅ – p₄ = 3∙5 – 2∙7 = 1.

Ведущее звено – кривошип О₂А (рис. 3б). Ведомая часть состоит из двух двухповодковых групп Ассура: звенья 2 и 3 образуют группу II класса, 2-го порядка, 3-го вида (рис. 3в), а звенья 4 и 5 группу II класса, 2-го порядка, 2-го вида (рис. 3г).

Формула построения механизма может быть записана в следующем виде:

2.3 Кинематическое исследование механизма

Выбираем масштаб μ_ℓ = 0,00125 и вычерчиваем кинематические схемы механизма в 12-ти положениях. Для всех положений механизма строим планы скоростей и ускорений. Масштаб планов скоростей выбираем μ_v = 0,01 , планов ускорений – μ_а = 0,05 . Рассмотрим построение плана скоростей на примере 1-го положения механизма (рис 4а).

Рассчитываем скорость точки А₁ кривошипа О₂А

Рис. 4

Из произвольно выбранной точки Р (рис. 4б), принимаемой за полюс, откладываем отрезок перпендикулярно О₂А, изображающий скорость точки А₁ кривошипа. Скорость точки А₃ можно рассматривать как геометрическую сумму переносной вращательной скорости точки А₁ кривошипа и относительной поступательной скорости точки вдоль кулисы:

Из точки а₁ плана скоростей проводим прямую параллельно О₃А, а из полюса Р – прямую, перпендикулярную О₃А, и в точке их пересечения ставим букву а₃. Отрезок Ра₃ изображает в масштабе μ_v скорость точки А₃ кулисы, а отрезок а₁а₃ – относительную скорость точки А, вдоль кулисы

Отрезок Pb на плане скоростей, соответствующий скорости точки В, находится из пропорции

или

и проводится так, что .

Скорость точки С определяется построением геометрического равенства

Отрезок Рс изображает в масштабе μ_v скорость точки С поршня, а отрезок bc – относительную скорость точки С, вокруг точки В

Построим для того же положения механизма план ускорений (рис. 4в).

Рассчитываем ускорение точки А₁ кривошипа О₂А (нормальное ускорение)

Из произвольно выбранной точки π, принимаемой за полюс плана ускорений, откладываем отрезок параллельно О₂А, который будет изображать нормальное ускорение кривошипа. Так как точка А₃ кулисы участвует в переносном движении вместе с кривошипом и относительном вдоль кулисы, то абсолютное ускорение тоски А₃ будет состоять из переносного, относительного и кориолисова ускорений

Истинное значение кориолисова ускорения равно

,