Московский Государственный Технический Университет имени 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

поршневого детандера».

Вариант 15В.







Студент____________(Постников А.А.) Группа Э6-51


Руководитель проекта______________(Костиков Ю.В.)






Москва - 2011


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 ……...........….………………………….7

    3. Построение графика сил……..…………………………………………………....8

    4. Выбор динамической модели для расчета…………… ………………………....9

    5. Построение диаграммы передаточных функций……………………………..…9

    6. Построение графиков приведенных моментов инерции второй группы звеньев………………………………………………………………………………...10

    7. Построение графика кинетической энергии второй группы звеньев………....10

    8. Определение суммарного приведенного момента внешних сил, приложенных к звеньям механизма ……………………………………………………………………11

    9. Построение графика суммарной работы………………………………………...12

    10. Построение графика кинетической энергии первой группы звеньев………..12





















Реферат


В курсовом проекте выполнено проектирование и исследование механизмов поршневого детандера.







































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

Н

26,5

8

Вес поршня

G3

Н

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/(4* n1 ) ≈ 0,0898м ;

lAB = 4,65*lOA =4,65*0,0898 = 0,4176м ;

lAS2 = 0,24*lAB = 0,24*0,4176 = 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 = λ*OA, мм.

AB = 4,65∙60 = 279мм.

Масштаб изображения кинематической схемы

В масштабе μs вычерчивается схема механизма.


1.2. Построение индикаторной диаграммы.

В пределах отрезка H – хода поршня – строится индикаторная диаграмма по данным таблицы 1. Для этого длина отрезка H разбивается на 10 равных частей. Каждая часть отмечается долей 0.1, 0.2, 0.3,…, 1.0. Ось абсцисс является одновременно линией атмосферного давления. По оси ординат откладывается изменение давления в цилиндре поршневой машины. Однако изменение давления задано в техническом задании в виде отношения текущего давления Pi к максимальному Pmax. Поэтому на чертеже выбирается отрезок Yp max = 100мм, через точки 0.1, 0.2, 0.3,…, 1.0 проводятся отрезки, параллельные оси ординат; на каждом из них последовательно откладываются ординаты , мм.

Pmax = 17 МПа.

Yp max = 100 мм.

YP = Yp max∙ Pотн


Полученные точки соединяются плавной кривой.

Масштаб индикаторной диаграммы μp, мм/МПа :


μp = 10 (мм/МПа )

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).

Тогда масштаб графика сил по оси ординат равен:

μF=100 (мм/Н)

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. В позициях 0-12 кривая на графике сил будет иметь разрывы.



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 .

Графики передаточной функции и передаточного отношения строятся по значениям, полученным в результате расчета в программе Mathcad.


Значения кинематических параметров механизма приведены в таблице № 1.5(а, б).


Таблица № 1.5 а)


поз.

0, 12

1

2

3

4

5

град

0,360

30

60

90

120

150

М

0

0.036

0.069

0.09

0.086

0.053

-

0.22

0.192

0.112

0

-0.112

-0.192




Таблица № 1.5 б)


поз.

6

7

8

9

10

11

град

180

210

240

270

300

330

м

0

-0.053

-0.086

-0.09

-0.069

-0.036

-

-0.22

-0.192

-0.112

0

0.112

0.192


По оси ординат все кривые строим в одинаковом масштабе, по оси абсцисс масштаб определим как отношение базы графика b = 180 мм к мм / рад.

μφ1=20(мм/рад)


μvq=300 (мм/м)

1.6. Построение графиков приведенных моментов

инерции звеньев II группы.


В эту группу входят звенья 2 и 3. Графики моментов инерции и суммарного приведенного момента инерции строятся по значениям, полученным в результате расчета в программе Mathcad (таблица 1.5а, б). Масштаб по оси ординат , выбираем из удобства построения.

Μj=300 (мм/кг м2)

Таблица № 1.6 а)


поз.

0, 12

1

2

3

4

5

град

0, 360

30

60

90

120

150

кгм2

0.034

0.025

0.0087

0

0.0087

0.025

кгм2

0,03509

0,0267

0,009

0

0,009

0,026

кгм2

0

0,058

0,214

0,364

0,332

0,126

кгм2

0,162

0,239

0,420

0,575

0,521

0,295


Таблица № 1.6 б)


поз.

6

7

8

9

10

11

град

180

210

240

270

300

330

кгм2

0,127

0,142

0,179

0,210

0,196

0,154

кгм2

0,035

0,026

0,009

0

0,009

0,0267

кгм2

0

0,126

0,332

0,364

0,214

0,058