20



Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет им. Н.Э. Баумана



Факультет “Робототехника и комплексная автоматизация”

Кафедра «Теория механизмов и машин»








Расчетно-пояснительная

Записка


к курсовому проекту на тему:



Проектирование и исследование механизмов

стана для холодной прокатки труб


Вариант №10 Д








Студент Никифоров И.А. группа МТ 13-51


Руководитель работы Головин А.А.















Москва 2011г.

Аннотация


В работе проведено проектирование основного механизма прокатного стана, исследовано его движение, проведен кинетостатический силовой расчет основного механизма.

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту по курсу ТММ содержит 20 страниц машинописного текста, 3 таблицы, 20 рисунков, 9 графиков.

Ключевые слова: кривошипно-ползунный механизм, закон движения механизма, передаточная функция, приведенный момент, приведенный момент инерции, силовой расчет.




































Содержание

Аннотация 2

Содержание 3

Техническое задание 4

Исходные данные 6

1. Динамика основного механизма. 8

1.1. Постановка задачи. 8

1.1.1. Режим работы машины. 8

1.1.2. Формулировка задачи. 8

1.1.3. Формулировка краевых условий работы основного механизма

машины. 8

1.1.4. Определение целей решения. 8

1.2. Построение динамической модели. 8

1.2.1. Выбор вида ДМ. 8

1.2.2. Описание известных и определяемых параметров динамической модели. 9

1.2.3. Определение краевых условий ДМ. 9

1.3. Выбор метода решения. 9

1.4. Решение. 9

1.4.1. Определение размеров механизма. 9

1.4.2. Вычерчивание кинематической схемы механизма. 10

1.4.3. Вычисление значений передаточных функций. 11

1.4.4. Построение диаграммы силы высадки. 12

1.4.5. Построение графиков приведенных моментов инерции. 12

1.4.6. Построение графика приведенного момента силы сопротивления. 13

1.4.7. Построение графика работы силы сопротивления. 14

1.4.8. Определение . 14

1.4.9. Определение кинетической энергии второй группы звеньев. 14

1.4.10. Построение графика. 15

1.4.11. Построение графика изменения кинетической энергии первой

группы звеньев. 15

1.4.12. Определение необходимого момента инерции маховых масс. 16

1.4.13. Построение 1-го приближения закона движения. 16

1.4.14. Задание характеристики для асинхронного Э/Д. 16

1.4.15. Построение графика 1-го приближения зависимости. 16

2. Силовой расчет механизма. 17

2.1. Составление расчетной схемы. 17

2.1.1. Построение кинематической схемы механизма. 17

2.1.2. Определение инерционных воздействий. 17

2.2. Постановка задачи. 18

2.3. Описание состояния механизма. 18

2.4. Решение системы уравнений для положения . 21

2.5. Оценка погрешности. 21

1



Техническое задание

Прокатный стан схема механизмов которого изображена рис. 1, предназначается для калибровки труб на конической оправке в калибрах переменного сечения. Обжатие трубы производится не непрерывно по всей ее длине, а на отдельных ее участках. Этот режим осуществляется основным механизмом стана – механизмом рабочей клети. Механизм рабочей клети представляет собой сдвоенный кривошипно-ползунный механизм (ОАВ, ОА1В1). Роль кривошипов 1,11 (ОА и ОА1) выполняют зубчатые колеса  Z5  и  Z51 , на которых размещены пальцы кривошипов А и А1. Рабочая клеть 3  соединенная с зубчатыми колесами Z5  и  Z51  двумя шатунами 2, 21 перемещается вращательно-поступательно на катках 8 по специальным рельсам 9, установленным в станине. Валы рабочей клетки 6, 61 связаны между собой двумя парами одинаковых зубчатых колес Z6  , Z7  и  Z61 ,Z71 . На концах нижнего валка имеются еще два одинаковых зубчатых колеса Z8  и  Z81 , находящихся в зацеплении с неподвижными рейками 7, 71.Передача движения от электродвигателя 4 к механизму рабочей клети осуществляется непрерывно через муфту-маховик 5, планетарный редуктор 20, зубчатые передачи  (Z4  , Z5), (Z41 ,Z51). Таким образом, периодичность режима прокатки достигается возвратно-поступательным движением рабочей клети вдоль трубы при неподвижном заднем ее конце, закрепленном  в патроне 11. При этом валки имеют дополнительно принудительное, строго согласованное с положением рабочей клети, возвратно-вращательное движение от неподвижных реек. Валки снабжены калибровочными  секторами переменного профиля. При вращении валков их секторы образуют калибр переменного сечения, диаметр которого плавно уменьшается от начального до требуемого размера трубы. В процессе прокатки секторы валков охватывают трубу своей калибровочной поверхностью и, перекатываясь по ней, обжимают и раскатывают ее подобно скалке. При движении клети вперед совершается обжатие, а при обратном движении выглаживание трубы. Вблизи крайних положений рабочей клети калибры валков не соприкасаются с прокапываемой трубой. Это время используется для подачи трубы на прокатку следующего участка и для поворота трубы и оправки. Поворот трубы необходим для равномерного ее обжатия и совершается за каждый ход клети примерно на 60". Поворот оправки обеспечивает более равномерный ее износ. Последовательность операции подачи, прокатки и поворота трубы показана на циклограмме (рис. 2).





Рис.1 Схема прокатного стана.


Рис.2 Циклограмма работы механизмов прокатного стана

   Механизмы подачи и поворота трубы и оправки привидятся в движение посредством кулачкового механизма. Кулачок 13 этого механизма получает непрерывное вращение от электродвигателя 4 через планетарный редуктор 20, зубчатую передачу Z9 ,Z10 и коническую передачу 12 с i=1. Вращательное движение кулачка преобразуется через упорные ролики 14 в прерывистое возвратно-поступательное движение каретки толкателя 15. Механизм поворота трубы и оправки состоит из рычажной системы звеньев DEFK, зубчатой передачи и обгонной муфты 17, с помощью которых приводится в одностороннее вращательное движение вал 16, а следовательно, и патроны 10, 11 вместе с трубой. Передний и задний патроны связаны между собой четырьмя одинаковыми зубчатыми коническими передачами с i==1. Механизм подачи трубы состоит из винта 18, связанного с передним патроном 10, и, гайки, получающей одностороннее вращательное движение от кулачкового механизма через рычажную систему DEMNPRS, зубчатые передачи и обгонную муфту. В стане имеются еще механизм, обеспечивающий обратный ход винта, и механизм движения каретки оправки. Эти механизмы работают от самостоятельного привода и в системе на рис. 3 не показаны. При проектировании и исследовании механизмов стана считать известными параметры, приведенные в табл. 1.

Рис. 3. Диаграмма усилий Pc , действующих на клеть по линии прокатки



Рис.4. Закон изменения ускорения каретки толкателя кулачкового механизма





Исходные данные в системе СИ



ц/п

Наименование параметра

Обозначение

Единица СИ

Численные значения

Размерность

Исходные данные

1

Средняя скорость движения рабочей клети

(VB)CP

м/c

0,98



2

Число двойных ходов клети в минуту (равное числу оборотов кривошипа)

KX

-

45



3

Отношение длины шатуна

к длине кривошипа

lAB/lOA

-

8



4

Отношение расстояния от точки А до центра тяжести шатуна к длине

Шатуна

lAS2/lAB

-

0,5



5

Координата центра тяжести рабочей клети

lBS3

м

0,5



6

Внеосность кривошипно-ползунного механизма

e

м

0,3



7

Вес кривошипного вала и шестерен Z5  и  Z51

G1

Н

1000

кг

100

8

Вес шатуна

G2,G21

Н

1500

кг

150

9

Вес рабочей клети

G3

Н

15000

кг

1500

10

Силы сопротивления, действующие на клеть по линии прокатки

  При обжиме трубы (прямой ход)

  При выглаживании трубы (обратный ход) (рис. 10-3)

PC ПР.Х.

PC ОБР.Х.

Н

25000

18700

кг

кг

2500

1870

11

Момент инерции шатуна относительно оси, проходящей через его

центр тяжести

I2S,I12S

кг·м2

35

кг·мсек2

3.5

12

Момент инерции кривошипного вала и зубчатых колес Z5  и  Z51

относительно оси вала

I10

кг·м2

5,0

кг·мсек2

0.50

13

Момент инерции планетарного редуктора и зубчатых колес Z9 ,Z4 ,Z41,

приведенный к валу двигателя

Iпрред

кг·м2

0,3

кг·мсек2

0. 030

14

Маховой момент ротора электродвигателя

mD2д

кг·м2

2,7



15

Частота вращения вала электродвигателя 

n

c-1

13,333

об/мин

800

16

Коэффициент неравномерности вращения кривошипного вала

δ

---

1/10



17

Угловая координата кривошипа для силового расчета (рис. 10-1)

j1

град

210°



18

Числа зубьев колес

Z4,Z9

--

10



Z5,Z10

--

20



19

Угол рабочего профиля кулачка

δ раб

град

50°



20

Ход каретки толкателя

hD

м

0,040



21

Максимально допустимый угол давления в кулачковом механизме

aдоп

град

30°



22

Модуль зубчатых колес Z4, Z5

m

мм

12



23

Угол наклона линии зуба колес Z4, Z5

град



24

Число сателлитов в планетарном редукторе

K

----

3



25

Параметры исходного контура реечного инструмента

a

град

20°



h*a

--

0,8



c*

--

0,3






  1. Динамика основного механизма.


1.1. Постановка задачи.

1.1.1. Режим работы машины.

Механизм работает в установившемся режиме работы (частный случай циклового движения).

Начальное звено, являющееся главным валом машины (коленчатым валом основного механизма), вращается с угловой скоростью , изменяющейся по некоторому периодическому закону. В течение цикла колеблется относительно некоторого среднего значения . Эти колебания определяют неравномерность вращения, которая оценивается коэффициентом неравномерности , где и соответственно наибольшее и наименьшее значения за цикл.


1.1.2. Формулировка задачи.


Требуется определить , , , при заданном коэффициенте неравномерности и (цикловое движение).

1.1.3. Формулировка краевых условий работы основного механизма машины.


В случае циклового движения мы имеем дело с двумя краевыми задачами.

Первая краевая задача обеспечение периодичности движения. Это условие выполняется, если , т.е. сумма работ движущих сил и сил сопротивления за цикл равна нулю (=0)

Вторая краевая задача связана с выполнением ограничений на верхнее и нижнее значения скорости звена приведения, которые определяются особенностями работы привода или иными причинами, например предельным значением центробежного ускорения обода маховика.


1.1.4. Определение целей решения.

Решение первой краевой задачи.

Одна из внешних нагрузок (сила сопротивления на выходе) задана и является функцией положения, вторая (движущий момент) является функцией скорости. Требуется определить вторую нагрузку как функцию положения.

Решение второй краевой задачи.

Требуется определить параметр уравнения движения, обеспечивающий выполнение ограничений на наибольшее и наименьшее значения скорости.

Определение закона движения начального звена механизма.


1.2. Построение динамической модели.


1.2.1. Выбор вида ДМ.

В качестве динамической модели механизма выберем ДМ с вращательным звеном приведения (; ; ).

Рис.5


1.2.2. Описание известных и определяемых параметров динамической модели.

Известные параметры ДМ: сила сопротивления, силы тяжести.

Определяемые параметры ДМ: передаточные функции, приведенные моменты, приведенные моменты инерции, угловая скорость.


1.2.3. Определение краевых условий ДМ.

Краевые условия ДМ: обеспечение периодичности движения (); выполнение ограничений на верхнее и нижнее значения скорости звена приведения, оцениваемых коэффициентом неравномерности .

1.3. Выбор метода решения.

Для решения задачи воспользуемся приближенным методом Н.И.Мерцалова, т.к. первое приближение обеспечивает достаточную точность результатов .

  • В качестве нулевого приближения возьмем среднее по циклу значение движущего момента (). На графике работы сил сопротивления проведем линию (д)из условия .

  • Построим график изменения кинетической энергии первой группы звеньев: ,