Методика конструирования узлов и деталей винтового подъемника

Методика  конструирования  узлов и деталей винтового  подъемника

 

Введение

Актуальность выбранной темы.

Важную роль на уроках труда, черчения и др. предметов, в школе играют наглядные средства обучения.

Они служат для более полного  представления о предмете, способствуют развитию образного и пространственного  мышления.

Виды наглядных средств обучения разнообразны. Здесь плакаты, диафильмы, сюда входят и тяжелые макеты из различных материалов, детали. Узлы, всевозможных механизмов.

Для того чтобы на занятиях учащимся была видна та или иная часть демонстрируемых  узлов или деталей сельскохозяйственной машины, учителю приходится нередко  поднимать их и поворачивать нужной стороной.

Вес таких деталей обычно значительный.

Учителю приходится нести двойную  нагрузку: умственную, связанную с  педагогической деятельностью; физическую, связанную с  тяжелой работой, поднятием тяжестей.

Такая нагрузка на учителя может  неблагоприятно повлиять на его на здоровье, тем более если педагог женщина. Используя для подъема и демонстрации различных подставок – не лучшее решение проблемы.

Считаю нужным отметить значимость наглядного представления изучаемых  предметов.

Демонстрация является важным средством  реализации принципа наглядности в  обучении.

Представленный механизм поможет  решению таких задач наглядных  средств обучения как:

• закрепление, обобщение и расширение знаний и умений, полученных учащимися на уроках труда;
• включение учащихся на уроках труда;
• расширение представлений об основах современного производства.

На занятиях в учебных мастерских демонстрация является не только средством  наглядного обучения, но и источником знаний, объектом изучения школьниками.

Нельзя, например, изучить устройство  тисков,  двигателя, станка и многих других узлов и деталей, без рассмотрения самих объектов.

Демонстрации дают возможность  и другим рецепторам участвовать  в их восприятии.

Они способствуют созданию чувственной  основы приобретаемых знаний, благодаря  чему у учащихся формируется правильные представления об изучаемых объектах техники.

На занятиях в учебных мастерских используются различные виды демонстрации.

Как в школьном, так и в лабораторном оборудовании не используется подъемники и  их аналогии.

Нет приспособлений и механизмов для  подъема тяжелых деталей и  в учебных мастерских.

Знакомясь с подъемными устройствами используемых в производстве и исследуя изобретения, следует отметить большие  габариты подъемных устройств, трудность  сборки и дороговизну.

Примером может послужить пневмогидроподъемники Г.И. Павлова.

Изобретение относится к грузоподъемным устройствам. На рисунке 1 изображен пневмогидроподъемник.

На опорной плите 1 смонтирован  цилиндр 2. C цилиндром 2 соединены телескопические цилиндры 3 и 4. На цилиндре 4 имеется стопорное кольцо 5, а на обоих цилиндрах 3 и 4 имеются кольцевые выступы 6. Внутри цилиндра 4 расположен шток 7. На верхней части штока 7 установлена полная грузовая площадка 8, а в нижней части внутреннего штока 7 расположен перепускной дроссель 9.

Рисунок 1

 

Полости внутри штока 7 и грузовой площадкой 8 образуют единой объем, повышающий рабочий объем телескопических  цилиндров 2-4 в выдвинутом положении  и заполнены рабочей жидкостью.

В верхней части грузовой площадки расположен канал 11 для подачи сжатого  воздуха.

Работа подъемника заключается  в следующем. Сжатый воздух, поступающий  из канала 11 в плоскость грузовой площадки 8, вытесняет жидкость 10 через  отверстия дросселя 9 в полость  цилиндра 2.

При этом цилиндры 3 и 4 и грузовая площадка 8 поднимается вверх. При опускании  груза сжатый воздух стравливается  в атмосферу, внутренний шток 7 опускается под действием груза, жидкость 10 из полости цилиндра 2 через отверстие дросселя 9 поступает в полость внутреннего штока 7 и грузовой площадки 8 и цилиндры 3 и 4 входят друг в друга. Стопорное кольцо 5 удерживает цилиндр 4 от провала, взаимодействуя с торцом цилиндра 3.

Скорость подъема и опускания  груза регулируется изменением сечения  отверстия дросселя 9.

Следующие грузоподъемное устройство изображено на рисунке 2.Устройство предназначено  для подъема плоских деталей  и может использоваться  в различных  отраслях промышленности.

Рисунок 2

 

 

Цель изобретения  - повышение  надежности фиксации поднимаемых деталей.

Механизм состоит винтового  подъемника имеющего винт 1 с поршнем 2, привод 3 винта и гайку 4 с закрепленной на ней гильзой 5, в верхней части  которой закреплена платформа 6 с расположенным на ней эластичным кольцом 7. На платформе расположена деталь 8.

Еще одно изобретение относится  к подъемникам.

Рисунок 3

 

 

На рисунке 3 изображен подъемник  с гидравлическим приводом. На рисунке 4 – поперечный разрез по узлу подвижного полипласта.

Подъемник имеет корпус, состоящий  из нижней корытообразной части 1 и  верхней части 2 такой же формы, скрепленных планками 3 на расстоянии, образующим между их краями паз 4.

Внутри полости установлен мультипликатор, состоящий из неподвижной 5 и подвижной 6 обоим полипласта, через которые пройдет канат 7, один конец которого закреплен, а второй огибает отклоняющий блок 8 и служит для крепления грузозахватывающего приспособления.

На концах 9 неподвижной обоймы 5 и оси 10 подвижной обоймы 6 установлены  силовые цилиндры 11, а между ними и подвижной обоймой 6 на оси 10 имеются  ползуны 12, входящие в направляющий паз 4.

Для крепления самого подъемника в  верхней части корпуса имеется  ушки 12. при движении штоков 12 по пазу 4, и в свободной конец каната 7 огибая отклоняющий блок 8 и обоймы 5 и 6, втягивается поднимая груз.

Рисунок 4

 

Проектирование механизма  привода

Схема привода.

Рисунок 1.1

 

 

1 – двигатель

2 – муфта

3 – конический редактор

4 – гайка

6 – стол

7 – муфта

Устройство и работа привода

Привод винтового подъемника для  наглядных пособий состоит из двигателя 1, вал которого с помощью  глухой втулочной муфты 2 соединен валом  – шестирнёй конического редуктора 3. Вращение с вала электродвигателя посредством конической зубчатой передачи передается на винт и приводит его в движение.

Перемещаясь по винту, гайка поднимет трубчатый шток.

В последнем установлен вращающийся  стержень, к которому приварен стол.

Обратное действие устройства осуществляется путем реверсивного переключения электродвигателя.

Подъемник монтируется в нише стола  учителя, а на поверхности находится  лишь подставка для демонстрируемых  узлов и деталей.

 

Расчет винтового механизма

Определение допускаемых напряжений на сжатие материала винта.

Для винта принимаем Ст3. По учебнику Левятова Д.С. «Расчеты и конструирование деталей машин –М1985 – с249 – таблица П2».

Предел текучести sт  » 240 МПа. Предел прочности sВ  » 470 МПа.

Допускаемое напряжение на сжатие:

; (1.1)

где n1 – коэффициент, зависящий  от точности производимого расчета

(n1=1);

n2 - коэффициент, зависящий от  степени пластичности материала  (n2=1,5);

n3 - коэффициент дополнительного  запаса прочности (n3=1,5).

Определяем пониженное значение допускаемого напряжения на сжатие (для учета  влияния скручивания). 

[s/ст ] = 0,6[sст ] = 0,6×107 = 64МПа.

Определение наружного диаметра резьбы винта

Наружный диаметр резбы винта найдем из условия прочности на сжатие:

,

где Q – осевая нагрузка на винт (Q = G = 200 Н);

= 2,23 мм.

Принимаем винт с трапециидальной резьбой номинальным диаметром       d = 12 и шагом р = 4 мм (ГОСТ 11738-84).

Определение внутреннего диаметра резьбы винта:

;

d1 = d - 2t = 12 - 2 × 1 = 10 мм.

Определение среднего диаметра резьбы:

Проверка условий самоторможения:

 (2.4)

По условию самоторможения:

,

где 0,1 - коэффициент трения стального  винта по бронзовой гайке.

Угол трения .

Самоторможение обеспечено, т. к.

<

Определение рабочей длины винта

Рекомендуемая высота подъема Lпод = (8 - 10)d, но по конструктивным соображениям принимаем Lпод = 450 мм.

Проверка винта на устойчивость (продольный изгиб).

Гибкость винта определяется по формуле:

, (2.5)

где S - коэффициент уменьшения основного  напряжения;

 m  = 0,7 - коэффициент, учитывающий условия закрепления.

где i - радиус инерции.

j = 0,45[1;78].

 Проверяем винт на устойчивость:

 (2.6)

j[s/]cт = 0,45×64 = 28МПа;

2,54 МПа < 28МПа.

Устойчивость винта обеспечена.

Определение количества витков гайки  из условия ее износостойкости.

Принимаем среднее удельное давление между витками стального винта  и гайки : [g] = 10 МПа.

Из условия износостойкости  гайки:

 где z - количество витков.

Из конструктивных соображений  принимаем количество витков z = 5.

Определение высоты гайки:

H = p×z = 4×5 = 20 мм;

H = Lпод + H = 425 мм.

Определение высоты заплечника гайки:

H = (0,3¸0,5)H = 0,5×20 = 10 мм.

Определение наружного посадочного  диаметра гайки.

Из условия прочности и растяжения и для учета кручения принимаем:

Qрасч = 1,3×200 = 260 Н;

D = 1,13× ,

где D - наружный посадочный диаметр  гайки;

[s]р = 0,8[s]и = 0,8×50 = 40Мпа - допускаемые напряжения при растяжении.

D = 1,13× =15,2 мм.

Принимаем D = 16 мм.

Определяем диаметр буртика  из условия прочности на смятие:

D1 = 1,13× ,

где [D]см » 1,6[D]и = 1,6×50 = 80 МПа - допускаемое напряжение на смятие.

D1 = 1,13× = 17,07 мм.

Принимаем D1 = 18 мм.

 

Подбор электродвигателя

Определение крутящего момента  на винте

Крутящий момент на винте Мкр определим по формуле, [2с.507];

; (3.1)

= 0,75 » 1кН×м.

Требуемая мощность на выходе

Требуемая мощность на выходе Рвых определяется по формуле [3; c.6):

Рвых = Твых×w3,

где Твых = Мкр;

 

 

 

w3 = - частота вращения.

w3 = = 1,69 с - 1.

Рвых ³1×1,69 = б1,69 кВт.

Ввиду маленькой требуемой мощности, подбор двигателя осуществляется по передаточному числу [3;c.11].

Определение передаточного числа

Цепочка передачи мощности:

ДВ Þ Мф Þ IIВ(ППН) Þ КЗП Þ IIIв(ППК) Þ РО

Рекомендуемое передаточное число  для конических зубчатых передач:

u = 1…4[3;c9] таблица 1.1.

u =  (3.2)

В соответствии с единым рядом передаточных чисел принимаем для конической передачи u = 4 , смотрим [3;c.13].

nдв = u×n = 4×16 = 64 об/мин.

Принимаем в качестве двигателя  двухщеточный двухполюсный электродвигатель постоянного тока МЭ – 241.

 

Проектирование конической зубчатой передачи

Выбор материала зубчатых колес  и режима термической обработки

Выбираем для колеса и шестерни марку стали 40Х [3; c.25].

Термообработка - улучшение до твердости:

для колеса НВ235…262;

для шестерни НВ269…302.

Расчет допустимых напряжений для  материала шестерни и колеса

Мощность на ведущем валу Р1 определяется по формуле:

Р1 = Рдв ×hмф ×  hппк; (4.1)

Р1 = 0,25 × 0,98 × 0,99 = 0,024 кВт.

Мощность на ведомом валу Р2 определяется по формуле:

Р2 = Р1 ×hкзп (4.2)

Р2 = 0,024 × 0,96 = 0,023 кВт.

Угловая скорость ведомого вала w2 определяется по формуле:

w2 = = = 1,67 с - 1.

Крутящий момент на ведущем валу определяется по формуле:

T1 = ; (4.3)

T1 = = 8 Нм.

Крутящий момент на ведомом валу определяется по формуле:

T2 = ; (4.4)

T2 = = 29,92 Нм.

Режим работы - передача реверсивная, нагрузка постоянная. Продолжительность  включения - 8 часов 300 дней в году (эти  данные принимаем самостоятельно).

Расчет допускаемых напряжений

Расчет допускаемых контактных напряжений

Для шестерни :

[s]Н1 = [s]НО1 × КHL1 (4.5)

Для колеса:

[s]Н2 = [s]НО2 × КHL2 (4.6)

Т.к.. материал для шестерни и колеса одинаковый (сталь 40Н), то предельные значения допускаемых контактных напряжений одинаковы.

[s]НО1, [s]НО2 (по таблице 2.2 [3;c.31] составляют [s]НО = 1,8 НВ + 67. В качестве НВ принимаем НВср для шестерни  (из диапазона 269-302) НВср=285,5 МПа.

[s]НО1 = 1,8×258,5 + 67 = 581 МПа.

Для колеса (из диапазона 235 - 262)НВср = 248,5 МПа.

[s]НО2 = 1,8×258,5 + 67 = 581 МПа.

Коэффициенты долговечности по контактным напряжениям для шестерни и колеса соответственно:

КHL1 = ; (4.7)

КHL2 = ; (4.8).

Базовое число циклов перемены напряжений рисунок 2.3 в [3;c.32]:

для шестерни NHO1 = 16×106 циклов;

для колеса NHO2 = 12,5×106 циклов.

Число циклов нагружения контактными нагрузками:

-  для шестерни NH1 = Lh×h1×60Kрев;

для колеса NH2 = Lh×h2×60Kрев.

Моторесурс для шестерни и колеса:

Lh = Lгод × 365 × Кгод × 24 × Ксут × ПВ,

где Lгод = 5 - количество лет работы привода;

Кгод= (количество рабочих дней - коэффициент годового использования)/365;

Кгод = = 0,822.

Ксут= (число работыв сутки - коэффициент суточного использования)/24;

Ксут = = 0,667.

ПВ= (Число минут работы в час- коэффициент продолжительности  в течении часа)/60;

ПВ = = 0,833.

Lh = 5×365×0,822×24×0,677×0,833× = 2004 час.

Для реверсивного режима работы (стол должен иметь возможность как подъема, так и опускания) Крев = 0,5 - коэффициент реверсивности [3;c.33].

NH1 = 2004×64×60×1,5 = 23,44×106 циклов;

NH2 = 2004×16×60×1,5 = 9,6×106 циклов;

КHL1 = = 1;

КHL2 = = 1,045.

Тогда до пускаемые контактные напряжения для материала шестерни и колеса соответственно:

[s]Н1 = 581×1 = 581 МПа;

[s]Н2 = 514×1,04 = 537 МПа.

Расчет допускаемых напряжений изгиба

Предельные значения допускаемых  напряжений на изгиб найдем по формулам:

- для шестерни:

[s]F1 = [s]НО1 × КFL1× КFC;

- для колеса:

[s]F2 = [s]НО2 × КFL2× КFC ,

где КFL1, КFL2 - коэффициенты долговечности  по изгибным напряжениям.

[s]F01 = 1,03×НВср = 1,03×285,5 = 294 МПа;

[s]F02 = 1,03×НВср = 1,03×248,5 = 256 МПа.

Коэффициент долговечности определим  по формуле:

КFL1 = , (4.6)