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



Факультет «Робототехники и комплексной автоматизации»

Кафедра «Теории механизмов и машин»







РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту на тему:

«Проектирование и исследование механизмов поршневого детандера»



Вариант №15(в)








Студент:______________() Группа

Консультант проекта:_______________(Костиков Ю.В.)








Москва – 2011 г.



Содержание.


Реферат……………………………………………………………………………..……………………....2

Техническое задание ……………………………………………………………………………………...3

Исходные данные …………………………………………………………………………………………5

1. Проектирование основного механизма и определение закона движения машинного агрегата …….…………………………………………………………………..........................................7

    1. Определение размеров механизма ……………………………………………………………….7

    2. Построение индикаторной диаграммы ……...........….………………………………………….8

    3. Построение графика сил……..…………………………………………………………………....9

    4. Выбор динамической модели для расчета…………… ………………………………………..10

    5. Построение диаграммы передаточных функций………………………………………………11

    6. Построение графиков приведенных моментов инерции второй группы звеньев………………………………………………………………………………............................13

    7. Построение графика кинетической энергии второй группы звеньев………...........................13

    8. Определение суммарного приведенного момента внешних сил, приложенных к звеньям механизма ……………………………………………………………………......................................15

    9. Построение графика суммарной работы………………………………………..........................17

    10. Построение графика кинетической энергии первой группы звеньев……………………....17

    11. Определение необходимого момента инерции маховых масс первой группы звеньев…………………………………………………………………………………………………17

    12. Определение момента инерции дополнительной маховой массы (маховика)……………………………………………………………………………………………..18

    13. Определение габаритных размеров и массы маховика……………………………………...19

    14. Определение углового ускорения звена приведения………………………………………..19

  1. Силовой расчет механизма........................................……………………………..........................20

    1. Исходные данные………………………………………………………………………………...20

    2. Определение скоростей точек механизма……………………………………………………...20

    3. Определение ускорений точек механизма……………………………………………………...21

    4. Определение значений и направлений главных векторов и главных моментов сил инерции………………………………………………………………………………………………..22

    5. Силовой расчет…………………………………………………………………………………...22

  2. Проектирование зубчатой передачи и планетарного механизма…………………………….25

    1. Исходные данные………………………………………………………………………………...25

    2. Идентификаторы, обозначения и наименования результирующих величин..……………….27

    3. Расчет зубчатой передачи на ЭВМ……………………………………………………………...29

    4. Выбор коэффициентов смещения……………………………………………………………….32

3.5 Построение профиля зуба колеса, изготовляемого реечным инструментом, построение зубчатой передачи………………………………………………………………………………………..33

3.6Проектирование планетарного зубчатого механизма…………………………………………..33

  1. Проектирование кулачкового механизма…………………………………...………………….35

    1. Исходные данные……………………………………………………………………………...…35

    2. Построение кинематических диаграмм …………………..…………………………………....35

    3. Определение основных размеров кулачкового механизма…………………………………....38

    4. Построение профиля кулачка…………………………………………………………………...39

    5. Построение графика изменения угла давления……………………………………………...…40

Заключение……………………………………………………………………………………………….41

Список использованной литературы …………………………………………………………………..42



Реферат


В курсовом проекте выполнено проектирование и исследование механизмов поршневого детандера.


Проведено:


  • проектирование основного механизма и определение закона движения звена приведения;

  • силовой расчет кривошипно-ползунного механизма;

  • проектирование цилиндрической эвольвентной зубчатой передачи и двухрядного планетарного редуктора;

  • проектирование кулачкового механизма с поступательно движущимся толкателем.


Расчетно-пояснительная записка содержит 42 листа формата А4, 4 рисунков,

10 таблиц; курсовой проект выполнен на 4 листах формата А1.

























Техническое задание.



ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ

ПОРШНЕВОГО ДЕТАНДЕРА


Краткое описание установки «поршневой детандер ‑ генератор»


Детандерами называются машины, служащие для создания холода за счет внешней работы, совершаемой расширяющимся газом. Детандеры широко применяются в технике глубокого холода.






















рис. 151


Детандер высокого давления (рис. 151) ‑ вертикальная одноцилиндровая машина простого действия. Основным механизмом детандера является кривошипно-ползунный механизм, состоящий из коленчатого вала 1, шатуна 2 и поршня 8. Рабочее тело — воздух, сжатый до давления рmax, поступает в цилиндр детандера 4 через впускной клапан 8. При движении поршня вниз сжатый воздух расширяется, производя работу. Рабочий цикл детандера совершается за один оборот коленчатого пала. Изменение давления в цилиндре детандера в зависимости от положения поршня представлено индикаторной диаграммой (рис. 15‑2), данные для построения которой приведены в табл. 15‑2. Рабочее тело удаляется из цилиндра после расширения через выпускной клапан 11. Клапаны открываются принудительно посредством штоков-толкателей 7 и 10. Кулачки впуска 6 и выпуска 9 насажены на коленчатый вал детандера.

Схема кулачкового механизма привода впускного клапана изображена на рис. 15‑3, а закон изменения ускорения толкателя кулачкового механизма ‑ на рис. 15‑4.

Работа детандера воспринимается генератором электрического тока 14.

Маховик-шкив 12, насаженный на коленчатый вал, передает движение шкиву генератора с помощью клиноременной передачи 13. Коленчатый вал снабжен двумя противовесами 5.
































При проектировании и исследовании механизмов детандера считать известными параметры, приведенные в табл. 15‑1.

В установке «поршневой детандер ‑ генератор» отсутствует зубчатая передача и планетарный редуктор, проектирование которых провести по дополнительному заданию (Приложение III, рис. III-1, табл. III-1).



Исходные данные


Таблица 15-1.


Наименование параметра

Обозначение

Единица СИ

Численные значения для варианта

В

1

Средняя скорость поршня

(VB)CP

м/сек

1,80

2

Диаметр цилиндра

d

м

0,075

3

Отношение длины шатуна к длине кривошипа

lAB / lOA

-

4,65

4

Отношение расстояния от точки А до центра

тяжести шатуна к длине шатуна

lAS2 / lAB

-

0,24

5

Число оборотов коленчатого вала

n1

с-1

5,01

6

Коэффициент неравномерности вращения

коленчатого вала

--

1/28

7

Вес шатуна

G2

кг

26,5

8

Вес поршня

G3

кг

45,9

9

Момент инерции шатуна относительно оси,

проходящей через его центр тяжести

I2S

кг*м2

0,725

10

Максимальное давление воздуха в цилиндре

PMAX

Па

17*106

11

Момент инерции коленчатого вала (без маховика)

I 10

кг*м2

3,5

12

Угловая координата кривошипа для силового

расчета (рис.15-1)

град

45

13

Закон изменения ускорения

толкателя кулачкового механизма (рис. 15-4)

--

--

В

14

Ход толкателя кулачкового механизма

h

м

0.008

15

Угол рабочего профиля кулачка

РАБ

град

55

16

Максимально допустимый угол давления в

кулачковом механизме



град

36

























Таблица 15-2.


Значения давления в цилиндре детандера в долях максимального давления в зависимости от положения детандера

Путь поршня

(в долях хода H)

SB/H

0

0,05

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Давление воздуха

(в долях PMAX)

P/ PMAX

для хода поршня вниз



1,00

1,00

1,00

1,00

0,92

0,70

0,54

0,44

0,36

0,32

0,30

0,20

для хода поршня вверх



1,00

0,34

0,16

0,10

0,10

0,10

0,10

0,10

0,10

0,10

0,10

0,20



Таблица III‑1.


Наименование параметра

Обозначение

Единица СИ

Численные значения для варианта

Б

1

Передаточное отношение механизма

i16

--

17

2

Числа зубьев колес 5 и 6

Z5

--

13

Z6

--

18

3

Модуль зубчатых колес 5 и 6

m

мм

6

4

Угол наклона линии зуба колес 5 и 6

град

0

5

Число сателлитов в планетарном редукторе

K

--

3

6

Параметры исходного контура реечного инструмента

0

град

20

h*a

--

1

c*

--

0,25









1.Проектирование основного механизма и определение закона движения машинного агрегата.


    1. Определение размеров механизма.


Проектирование кривошипно-ползунного механизма ведется по средней скорости поршня (ползуна).

Дано:

средняя скорость поршня

частота вращения вала кривошипа

отношение длины шатуна к длине кривошипа

отношение расстояния от точки А до центра тяжести шатуна к длине шатуна

Решение:

lOA = VBср/(4n1 ) ≈ 0,0898м ;

lAB = 4,65lOA == 0,4176м ;

lAS2 = 0,24lAB = = 0.1002м.

Кинематическая схема механизма изображается на чертеже в положении, заданном в техническом задании, т.е. вертикально. Выбираем масштаб изображения.

Задается длина кривошипа OA = 60мм, тогда ход поршня H = 120мм.

Длина шатуна на чертеже определяется из пропорции AB = λOA, мм.

AB = 4,65∙60 = 279мм.

Масштаб изображения кинематической схемы

В масштабе μs вычерчивается схема механизма.















1.2. Построение индикаторной диаграммы.

Индикаторную диаграмму строят по данным таблицы 15-2.

Исходя из зависимости, где Sв-данное положение поршня, Н – его ход, Pi – давление на поршень в данный момент, Pmax – максимальное давление за весь цикл, находим зависимость Pi(S).

Составляют таблицу и на ее основании рисуем график.


SB,M

0,000

0.009

0,018

0,036

0,048

0,064

0,090

0,108

0,126

0,144

0,162

0,180

P,Мпа

17,00

17,00

17,00

17,00

15,64

11,90

9,18

7,48

6,12

5,44

5,10

3,40


Таблица 1


















1.3. Построение графика сил.

Индикаторная диаграмма перестраивается в график сил, действующих на поршень двигателя. При этом ординаты графика сил выбираются равными ординатам индикаторной диаграммы.

Площадь поршня

(d – диаметр цилиндра двигателя).

Чтобы получить зависимость F(Sв) пользуются формулой ,

P – давление на поршень, F – сила, действующая на порень, Sп – площадь поршня.

То есть умножаем каждое значение Р таблицы 1 на площадь поршня Sп. Получим таблицу 2.

Таблица 2

SB,M

0,000

0.009

0,018

0,036

0,048

0,064

0,090

0,108

0,126

0,144

0,162

0,180

F, кН

75,07

75,07

67,12

35,77

24,29

18,10

13,69

-11,04

-7,95

-7,95

-8,83

-31,79



На оси абсцисс отмечаются положения точки “B” поршня, соответствующие положениям точки “A” кривошипа. Траектория кривошипа разбивается на 12 равных частей. Нулевое положение выбирается на пересечении линии OB с траекторией точки “A” кривошипа (траекторией точки “A” является окружность радиуса OA) – т.е. от мертвой точки поршня с момента начала процесса расширения в цилинре двигателя. Затем от нулевой точки в сторону вращения кривошипа на окружности радиуса OA отмечаются точки 1, 2, 3,…, 12. Из каждой из указанных точек проводится дуга радиуса AB (длина кривошипа, отложенная в масштабе

μl, мм/м) до пересечения с линией OB. Получают точки 0-12, 1-11, 2-10, 3-9, 4-8, 5-7, 6 – положения точки “B” поршня.

График сил строится с учетом знака силы. Сила считается положительной, если совершает положительную работу, т.е. если направление силы совпадает с направлением движения звена, к которому данная сила приложена. При расширении сила, приложенная к поршню, положительна, а при такте сжатия – отрицательна.

График сил строится также в пределах хода поршня H. По оси ординат в масштабе μF откладывается сила F, действующая на поршень, а по оси абсцисс – перемещение поршня S в метрах. Масштаб по оси S равен линейному масштабу μl. Таким образом, при движении точки “A” кривошипа в направлении угловой скорости ω1 (по часовой стрелке) от позиции 0 к позиции 6 в цилинре происходит процесс расширения, поэтому на графике сил кривая, снятая с индикаторной диаграммы, строится с положительным знаком в позициях 0, 1, 2,…, 6. В позициях 6, 7, 8,…, 12 знак силы отрицательный и кривая графика сил в указанных позициях строится со знаком минус.






1.4 Выбор динамической модели для расчета.


Для механизма с одной степенью свободы достаточно определить закон движения одного звена, а законы движения остальных звеньев всегда можно определить с помощью кинематических методов. Заменим механизм одномассовой динамической моделью механизма . Вращающиеся звено модели движется так, что его координата в любой момент времени совпадает с координатой начального звена . К звену модели приложен суммарный приведенный момент , а ее момент инерции относительно оси вращения равен суммарному приведенному моменту инерции .




1.5 Построение диаграммы передаточных функций.

Определим кинематические параметры механизма: передаточные функции , (аналог линейных скоростей подвижных точек механизма), передаточное отношение .