Методические указания по технической механике (mu1)

Посмотреть архив целиком

Министерство образования Украины

Национальный технический университет Украины

(Киевский политехнический институт)

Методические указания

к курсовому проектированию по дисциплине

"Техническая механика"

для студентов специаль­ностей

Информационно-измерительная техника"
















Киев 2000 г.














Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине

"Техническая механика" для студентов специаль­ностей “Информационно-измерительная техника" /Сост. В. А. Бойко, В. C. Детлинг. - Киев: НТУУ КПИ. 2000.

1 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

1.1 Цель курсового проектирования


Курсовой проект по курсу "Техническая механика" является первой самостоятель-ной комплексной работой студентов в процессе подготовки к инженерной дея­тельности. Цель курсового проекта - систематизировать и закрепить тео­ретические знания, полу-ченные при изучении курсов "Инженерная графи­ка", "Физика", "Химия", "Математика", "Техническая механика", приобрести навыки проектирования новых изделий (в част-ности электромеханических устройств с учетом современных требо­ваний); использова-ния справочной литературы, стандартов, единых норм и расценок; разработки тексто-вой и графической документации; подготовки к выполнению курсовых проектов по профилирующим предметам.

Курсовой проект выполняется на основании технического задания, выдаваемого руководителем проекта.

1.2. Содержание и объем курсового проекта

В процессе работы над курсовым проектом студенты рассчитывают основные параметры заданного механизма и разрабатывают его конструкцию. Конструкторская документация проекта состоит из пояснительной записки (15-20 страниц), принципиа-льной кинематической схемы, сборочных черте­жей устройства и сборочной единицы, рабочих чертежей 5-8 нестандартных деталей (вала, зубчатого колеса, шкалы, пружи-ны, стакана, стойки и т.п.).

Пояснительная записка в общем случае должна содержать следую­щее разделы:

Введение.

Назначение и область применения проектируемого изделия.

Техническая характеристика изделия.

Описание и обоснование выбранной конструкции.

Расчеты, подтверждающие работоспособность и надежность конструкции:

расчет мощности и выбор электродвигателя;

расчет кинематических параметров (определение общего передаточ­ного отношения и передаточных отношений ступеней);

расчеты на прочность;

расчеты кинематической точности и погрешности мертвого хода;

выбор материалов и покрытий;

определение критериев конструктивного качества и экономической эффектив-ности конструкции.

Конкретный перечень конструкторской документация, подлежащей обязательной разработке, указывается в техническом задании на курсо­вой проект.

1.3. Оформление документации проекта

Вся графическая и текстовая документация проекта должна оформ­ляться в полном соответствии с требованиями Единой системы конструк­торской документации (ЕСКД) и СТП КПИ 2.001-83 "Курсовые проекты. Требования к оформлению документации".

2. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ПРИВОДОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ


2.1 Исходные данные

1 Назначение электропривода, общая характеристика режима рабо­ты электродви-гателя, специальные требования.

А. Приводы специализированных устройств (магнитофоны, МТЛ устройств ЭВМ, печатающие машины и др.). Режим работы и требования к электродвигателю опреде-ляются специальными техническими условиями.

Б. Нерегулируемые приводы исполнительных механизмов управления, операцион-ных механизмов и технологических устройств, механизмов дистанционного управления. Режим работы двигателя длительный или повторно-кратковременный, нерегулируемый по частоте вращения, реверсивный или нереверсивный.

В. Нерегулируемые приводы приборов времени, программных уст­ройств, МТЛ са-мопишущих приборов и др. Режим работа двигателя длитель­ный или повторно-кратко-временный с постоянной стабилизированной частотой вращения, нереверсивный.

Г. Приводы следящих систем управления (приводы РЛС, графопостроителей, ма-нипуляторов, привод стабилизации положения корпусов и др.). Режим работы длитель-ный или повторно-кратковременный реверсивный, регулируемый по частоте вращения.

2. Характеристика источника питания двигателя: для постоянного тока – напряже-ние и допускаемые токи нагрузки; для переменного - напряжение, частота и вид сети (однофазная, трехфазная).

3. Конструктивные требования:

способ крепления двигателя;

количество выходных концов вала ротора;

наличие встроенных элементов (тахогенератор, редуктор и др.).

4. Функциональные требования: допускаемое изменение частоты вращения, способ регулирования, время переходного процесса, характеристика режима работа следящей системы и входных сигналов.

5. Эксплуатационные требования: срок службы; температура внешней среды; тре-бования устойчивости к линейным ускорением, вибрации, к ударным перегрузкам, к изменениям атмосферного давления и влажности.

6. Характеристика внешней нагрузки: числовое значение или закон изменения ста-тического момента нагрузки; скорости и ускорения вала нагрузки.

2.2 Выбор серии электродвигателей

По исходным данным выбирают серии двигателей переменного или постоянного тока, соответствующих требованиям пп. 1 и 2 группы приво­да (А, Б, В или Г) (см. под-разд. 2.1), используя каталоги или ограничительные перечни, например таблице 2.1.

Из группы серий и типов выбирают двигатели, удовлетворяющие требованиям

пп. 1-5 исходных данных, сравнивая требования с паспортными характеристиками конк-ретных типов двигателей. В первую очередь отбира­ют серии, соответствующие напря-жению питания, частоте сети и требуемой постоянной времени (для следящих систем), затем, учитывая степень обязательности, выбирают серии и типы, удовлетворяющие требованиям к конструкции, сроку; службы и устойчивости к климатическим и механи-чес­ким воздействиям.

Сравнительные характеристики некоторых серий двигателей приве­дены в таблицах 2.2 и 2.3. Если исходные требования перечнем серий одной группы не могут быть удов-летворены, используют серии нижестоящих групп в таблице 2.1: группу Б, например, можно дополнить перечнем групп В или Г.






Таблица 2.1-Перечень электродвигателей предпочтительного применения

Группа

Общая характеристика

Серии или типы электродвигателей

переменного тока

постоянного тока


А

Специальные

для аппаратуры магнитной записи

ЭДГ; типы: АД-5; АДТ-6; АДТ-1,6

КД-3,5 КДП-6-4;

ДК-16; КД-б-4

ДКС; ДКМ типы: Д16-06; ВДС-02 МД-0,35-2ООО-9

интегрирующие

ИД-1; ИД-2; ИД-9

ДИ-6-1500А

для потенциомет-рических систем

РД-09

СЛ-267; СЛ-367

Б

Нерегулируемые


общего при-менения Редук-торн. двигатели со встроенным редуктором

УАД; АОЛБ; АОЛ

Дв. авиац. Д-100; МА Ред.:МКМ; МСВ; МС-160; МФА; ДР-1; 5Р, МН или ЭДН

В

со стабилизиро-ванной частотой вращения

Г; ДСР; ДСГ; ДСА; ДСМ; ДСДР; ДСД; типы: СД-09; ЭГ-10

ДПР; ДПМ в исп. Н3; ДРВ; ДП в исп. Цр,


Г

Управляемые общего приме­нения в следящих системах

АДП; ДИД; ЭМ; ДКМ; АД; ДМ; АДИ; ДАД; АСМ; с тахоге-нераторами АДТ; ДГ; СМА; СМБ

ДПМ; ДПР; ДП, СЛ, ДП, СД, ПЯ,

Таблица 2.2-Электродвигатели постоянного тока

Характеристики параметры

Серии электродвигателей

Д

ДРВ

СД

ДПМ

ДПP

МИГ

ДА

Напряжение

питания В,

< 6

+

-

-

-

+

-

-

6

-

-

-

-

+

-

-

12

-

-

-

+

+

+

-

27

+

+

+

+

+

+

+

60

-

+

+

-

-

-

-

110

-

-

-

-

-

-

-

Номиналь

ная мощно-сть, Вт

от

0,1

0,1

8,0

0,5

0,3

10

2,0

до

200

300

150

14

80

600

600

Электромехани-ческая постоян-ная времени, мс

25…

100

15...100

11...150

45..90

12..20

1,3…8.5

30….160

С регулятором

скорости

-

+

-

+/-

+/-

-

-

С редуктором

-

-

-

-

-

-

-

С тахогенер.

-

-

-

-

+/-

+/-

-

С 0В "Лев" и "Пр

-

-

-

-

-

-

+

С тормозной муфтой

-

-

-

-

-

-

+/-

Кол. концов вала

1/2

1

1

1/2

1/2

1/2

1

С фланцевым крепле­нием

+


+

+

-

+

+

+

С креплением по диа­метру

+

-

-

+

+

-

+

Последовательно-го возбуждения

+

-

-

-

-

-

+

Параллельного воз­буждения

+

+

+

-

-

-

-

С постоянным магни­том

+

-

-

+

+

+

-

Срок службы, тыс. ч, макс.

1,5

1,5

0,5

1,0

3,0


0,5

Устойчивость

к линейн. ускор


35

15


15


50


100



35

к вибрационным нагрузкам

12

10

10

10

10


15

К ударным нагрузкам

35

10

35

50

50


35

К внешн. температу-рам, °С:

85

85

60

60

60


85

60

60

60

60

60


60

К влажности, %

98

98

98

98

98


98

К внешнему атмосферному давлен, кПа

2,5-150

2,5-150

2,5-200

50-

200

50-

300


2,5-

150


2.3. Выбор типоразмера двигателя и передаточного отношения редуктора

Энергетические, кинематические и динамические показатели приво­да зависят одновременно от характеристик двигателя и от параметров редуктора. Оптимальный ва-риант сочетания типоразмера двигателя, струк­туры редуктора и его передаточного отно-шения устанавливается, на осно­вании энергетического, кинематического и динамиче-ского расчета системы ДВИГАТЕЛЬ-РЕДУКТОР-НАГРУЗКА. Для приводов группы А методика та­кого расчета разрабатывается применительно к конкретному виду привода.




Таблица 2.3 Электродвигатели переменного тока

Характеристи-ки, параметры

Серия єлектродвигателей

АДП

АДТ

ДИД

ДГ

ЭМ

ДKM

АД

Г

ДСД

ДСР

Видпита-ния

1-фазн.

3-фазн.

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

+

-

-

Частота, Гц

50

400

500

1000

+

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

+

+

-

-

-

-

-

-

-

-

+

-

+

+

-

-

-

-

-

-

Напряжениепитания, В

36- 40

110


220

+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

+

+

-

-

115

-

-

-

127

-

+

-

-

-

-

-

-

-

+

+

Номинальная

мощность, Вт

2,1 -62

0,3 -13

0,1 –10

0,1 –5,0

0,4 -50

0,2-60

0,3–3,5

1,0 -40

*

0,2–0,3

Эл.-мех. пост. времени, мс

6-82

22-500

26-160

50-290

15-170

15-150

10-20



30-50

Синхронные

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

С редуктором

-

-

-

-

+/-

-

-

+/-

+

+

С тахогенерат.

-

+

-

+

-

-

-

-

-

-

Кол. кон­цов вала

1/2

1

1

1

1/2

1

1/2

1

1

1

С фланцевым

креплением

-

-

+

+

+

+

-

+

+

+

С креплением по диаметру

+

+

-

-

-

-

+

+

-

+

Срок службы,

тыс. часов max

2

2

1

1,5

1

1

1

5

1

10

Устойчивость

К лин. ускор.

25

25

8

15

15

15

8

8



К вибрациям

12

12

5

5

5

5

3,5

3,5



К ударам

15

7

4

4

12

4

3

3



К внеш-ним тем-перату-рам,С

70

60

100

100

80

80

70

50

50

60

50

40

60

60

60

60

50

60

40

40

к влажности отн, %

98

98

98

98

98

98

98

98

98

98

к внешнему атмо­сфер-ному давле-нию. кПа

2,5…

150

2,5…

150

2,5…

150

2,5…

150

2,5…

150

2,5…

150

2,5…

150

2,5…

150

2,5…

200

2,5…

150

Примечание. Для параметров устойчивости указаны максимальные значения по сериям двигателей. Виброуотойчивость - для частот 200...300 Гц.

х Номинальная мощность двигателей ДСД около 12 мкВт.


2.3.1 Неуправляемый привод (группы Б и В)

Основная нагрузка привода - постоянный и переменный во времени (рисунок 1) статический момент Тн.с(t) на выходном валу редуктора в ре­жиме нормируемого или не-нормируемого по времени переходного процесса в периоды пуска или изменения нагру-зочного момента.

Тн Т4

Т1 Т3

Т2 Т5

t1 t2 t3 t4 t5

t

Рисунок 2.1- График изменения статического момента нагрузки.


Исходный кинематический параметр - средняя или номинальная угловая скорость на выходном валу редуктора -н, рад/с.

Переходный процесс может быть ограничен временем tп ,с или предельным угло-вым ускорением вала нагрузки н, рад/с2, при этом должен быть задан момент инерции нагрузки Iн, кгм2.

В качестве рабочего режима двигателя принимается номинальный, для чего на его обмотки необходимо подавать номинальное напряжение, а передаточное отношение редуктора принимают

iр= ωдв /ωн, (2.1)

где ωдв - номинальная угловая скорость двигателя, который надлежит выбрать в следующем порядке.

1.Определить эквивалентный статический момент сопротивления на валу редук-тора, H·м:

, (2.2)

где Ti среднее значение момента в интервале i (см. рисунок 2.1);

ti- продолжительность интервала, c.

При постоянном значении момента Tнc принимают . Тэ = Tнс .

2. Определить необходимую мощность двигателя, Вт:

Nдв = Тэ· ωн· кн / ηр , (2.3)

где кн - коэффициент запаса: 1,05... 1,1 - если нет ограничений по времени пере-ходного процесса; 1.2...2,2 - при заданном времени разго­на; при этом чем больше мо-мент инерции нагрузки, тем больше следует брать запас по мощности;

ηр - ориентировочное значение КПД редукто­ра: 0,7...О,9 - для простого цилинд-рического, планетарного или волно­вого; 0,4...О,7 - для червячного.

3. Выбрать типоразмеры двигателей, номинальная мощность которых равна Nдв или несколько больше. Если время разгона ограничено значе­нием tn, отбирают двигате-ли, электромеханическая постоянная времени которых меньше τ0=tn/6. Для приводов с длительном режимом работы предпочтение отдают двигателям с большим сроком служ-бы и хорошим КПД, для повторно-кратковременного режима - высокоскоростным.

4. Определить передаточное отношение редуктора по уравнению (2.1). После раз-работки кинематической схемы редуктора и геометрического расчета его элементов выбранный двигатель необходимо проверить:

по номинальной мощности, используя неравенство

Nном ≥Тэ · ωдв / ηр · iр, (2.4)

где ηр - расчетное значение КПД редуктора;

по пусковому моменту, чтобы

Тп ≥ Тнсп / (iр ηр) + (Ірот + Ірн2р)∙( ωдв /tn), (2.5)

где Тнсп - наибольший статический момент нагрузки при пуске, Н∙м;

Ірот - момент инерции ротора двигателя, кг∙м2;

Ір - момент инерции редуктора, приведенный к валу двигателя, кг∙м2;

по времени разгона, чтобы

tр = 3∙ (Ірот + Ірн2р) ∙ ωдв/ п - Тсп) ≤ t n , (2.6)

где Тсп - статический момент нагрузки при пуске, приведенный к валу двигателя Н∙м: Тсп = Тнсп/(iр ηр).

2.3.2 Следящий привод. Группа Г

В следящем приводе вал нагрузки через редуктор поворачивается по сигналам управления, поступающим от усилителей следящей системы. Привод, т.е. двигатель и редутор, являясь исполнительной частью следящей системы должен обеспечивать на нагрузочном валу необходимые статические и динамические характеристики (переме-щения, скорость и ускорение) в соответствии с требованиями оптимального пе­реход-ного процесса либо в точности, повторяя закон изменения управляю­щего сигнала. В этих условиях выбор передаточного отношения редуктора играет решающую роль. Оптимальное значение передаточного отношения зависит от выбора критерия оптими-зации (обеспечение максимального ус­корения вала нагрузки, получение минимальной мощности двигателя или наименьшего пускового момента), а также от соотношения статического и динамического моментов.

Внешняя нагрузка следящего привода характеризуется статическим моментом Тнс, моментом инерции Ін, а внутренняя - статическим моментом сопротивления в редук-торе, учитываемым через КПД ηр, приве­денным моментом инерции редуктора Ір, момен-том инерция ротора Ірот электродвигателя.

Для воспроизведения входного сигнала двигатель должен обеспечи­вать необходи-мую угловую скорость ротора ω(t) = ωн(t)∙iр при соответствующих значениях вращаю-щего момента двигателя, равного моменту всех сил сопротивления, т.е. значениям

T(t) = Тнс /(iр ηр) + Ін· εн(t)/ ір + (Ірот + Ір)ір · εн (t) (2.7)

и достаточную плавность слежения: приведенный к валу двигателя момент статической нагрузки не должен превышать 5...1O % значения пускового момента электродвигателя, а, следовательно, передаточное отношение ре­дуктора должно удовлетворять неравен-ству

ір γ ∙ Тнс /Tп, (2.8)

где γ - коэффициент плавности следящей системы, а мощность двига­теля в номи-нальном режиме - неравенству

Nномγ ·Тнс · ωнmax /2 (2.9)

Для систем высокой точности с погрешностями установок угла 0,0002...О,001 рад принимают γ = 10...20; при погрешностях по углу установки 0,002...0,007 рад можно принимать γ= 5...10.

Приведенные методы выбора параметров следящего привода не являются общими, а применяются для условий, указываемых в наименовании методики и во вводной части к ним.

А. Для режимов с совпадающими во времени значениями ωнmax и εнmax.

Методика применима для систем, отрабатывающих сигналы вида

1) θ = ω0t; ωнmax =ωн =ω0; ε = 0

2) θ = ω0t + ε0 t2 /2;ωнmax=ωн=ω0 + ε0 tmax ; εнmax = ε0

3) θ = θ0 (1-e-αt ); ωнmax= ωнmax= θ0 · w; |ε|нmax = θ0 ·w2

4) θ = w0·t3+ w1·t2 + w2·t; ωнmax=; εнmax =

5) θ =2 θ0 t2 / tn2; ωнmax=2 θ0 / tn; |ε|нmax = 2 θ0 / tn2

используемые в приводах РЛС, вычислительных механизмах, приводах управления и др., основной режим работы которых - продолжительные или часто повторяющиеся пе-риоды работа с максимальной мощностью, т.е. работа двигателя в номинальном режиме.


Методика выбора электродвигателя

1. Отобрать двигатели, быстродействие которых, с

τ = Ірот · ωном / Тном (2.10)

меньше требуемого

τ = ωнmax / εнmax , (2.11)

где ωном - номинальная угловая скорость двигателя, рад/c;

Tном- номинальный момент на валу двигателя, Н∙м;

ωнmax -заданная максимальная угловая скорость вала нагрузки, рад/с;

εнmax - заданное максимальное угловое ускорение нагрузки, рад/с2.

2. Определить полную мощность нагрузки, Вт:

N= (Tнс / η′р+ Iн εнmax) ∙ωнmax (2.12)

где Tнс - статический момент нагрузки, Н∙м;

η′р - ориентировочное значение КПД редуктора (см. формулу (2.3);

Iн - момент инерции нагрузки, кг ∙ м2.

3. Выбрать значения коэффициента плавности и установить соотно­шение нагрузок:

TнсIн εнmax / (0,5∙ γ-1) (2.13)

Если Tнс больше правой части неравенства (13), выбор пара­метров привода выполняют по пп.4-8, если меньше - по пп. 9-12.

4. Определить относительное передаточное отношение

αск (2.14)

5. Определить необходимую номинальную мощность двигателя, Вт:

Nном 0 = (1+ α2скN (2.15)

и необходимый динамический коэффициент, Н∙м/с2:

Кдо= (2.16)

6. Выбрать двигатель, у которого

NномNном 0 и Кд = (2.17)

7. Определить оптимальное значение передаточного отношения редуктора

(2.18)

8.. Если двигатель пришлось выбрать с большим запасом по мощно­сти или Кд, проверить возможность применения передаточного отношения

при котором обеспечивается максимальное быстродействие. Его можно принять при выполнении условий:

;

.

9. Необходимая мощность двигателя, Вт:

Nном 0 = 1,5∙ N. (2.20)

и необходимый динамический коэффициент, Н∙м/с2,

Кдо= 4,5∙ N εнmax / ωнmax. (2.21)

10. Выбрать двигатель, для которого соблюдаются условия:

11. Определить оптимальное значение передаточного отношения ре­дуктора из условия

(2.22)

Если условие (2.22) не соблюдается, принять

После выполнения геометрического расчета редуктора следует про­верить двига-тель по тепловому режиму (для двигателей постоянного то­ка - обязательно):

Тном / Тср.кв.≥(1…1,08), где

(2.23)

Б. Для систем, отрабатывающих ступенчатые входные воздействия в опти-мальном переходном режиме

(εнmax и ωнmax совпадают во времени)

Режим используется в системах дистанционного управления, в уст­ройствах ввода данных, блоках сравнения и согласования и др.

Заданы: значения входного воздействия (угол перестановки) Θ, рад; время пере-ходного процесса t, с; момент инерции нагрузки Iн, кг·м2, статический момент нагрузки Т, Н·м; коэффициент плавности, принимаемый γ = 10...20.

Методика выбора электродвигателя,

1. Определить параметры оптимального переходного процесса:

максимальное угловое ускорение при пуске εнп = 5,02∙ θн/t2п;,

расчетную угловую скорость ωнmax = 3,6 ∙θн/tп.

2. Определить соотношение нагрузок:

. (2.24)

Если Тнс больше правой части неравенства (2.24), выбор параметров привода вы-полняют согласно пп.3-5 (ниже), если меньше - используют методику А (пп. 2; 9…11).

3. Определить динамические характеристики привода:

(2.25)

(2.26)

4. Выбрать двигатель, для которого

и

Предпочтение следует отдавать быстроходным двигателям с номинальной часто-той вращения ротора 6000 об/мин и более.

5. Определить оптимальное передаточное отношение редуктора

. (2.27)


В.- Для систем, отрабатывающих гармонический сигнал вида θ = θ0sinωat.

Заданы: θ0 - амплитуда сигнала, рад; круговая частота,ωa= 2π/t, рад/с; Iн, кг∙м2;

Тнс, Н∙м; γ = 20...10, ηр.

Требование: применять двигатели с линейной или с линеаризуемой механи­ческой характеристикой (см. таблица 2.1, группа Г).

Методика выбора электродвигателя.

Определить характеристики управления по выходу:

Максимальная расчетная угловая скорость нагрузки:

(2.28)

Нормальное угловое ускорение нагрузки:

. (2.29)

Нормальная угловая скорость нагрузки:

(2.30)

2. Определить соотношение нагрузок:

. (2.31)

Если заданный статический момент Тнс больше динамического (правая часть не-равенства (2.31)), выбор параметров привода выполняют по пп.3-5, если меньше - по пп.6…9

3. Определить необходимые динамические характеристики двигателя (2.32)

. (2.33)

4. Выбрать двигатель, для которого

; .

5. Определить оптимальное значение передаточного отношения ре­дуктора:

. (2.34)

6. Определить необходимую мощность двигателя, Вт:

. (2.35)

7. Выбрать двигатель, у которого NномNном 0.

8. Определить оптимальное по быстродействию передаточное отно­шение редук-тора:

(2.36)

9. Проверить условие обеспечения заданной максимальной угловой скорости:

Если условие не выполняется, передаточное отношение редуктора