Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ТИПОВЫХ МАШИН И АППАРАТОВ БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Редактор издательства О. Н. Царева Художественный редактор Л. К. Овчинникова Технический'редактор Т. С. Пронченкова Корректоры В. Б. Г р ачев а, О. И. Галанова
ИБ № 888
Сдано в набор 12.02.82.Сдано в набор 12.02.82.ПодписаноПодписаноФормат 60X9Q1/16. Бумага типографскаяФормат 60X9Q1/16. Бумага типографскаяВысокаяВысокаяпечать. Объем 20,5 п. л.печать. Объем 20,5 п. л.Уч.-изд. л. 20,92.Уч.-изд. л. 20,92.Т-11964.Т-11964.го с Уго с УНН АЛНН АЛв печать 28.07.82.в печать 28.07.82.№ 2. Литературная гарнитура.№ 2. Литературная гарнитура.Усл. п. л. 20,5. Усл. кр.-отт. 20,5.Усл. п. л. 20,5. Усл. кр.-отт. 20,5.Тираж 4700 экз. Заказ 266. Цена 95 коп.Тираж 4700 экз. Заказ 266. Цена 95 коп.Издательство «Легкая и пищевая п'Издательство «Легкая и пищевая п'1： 130t35L, Москва, M-3i5, 1-й Кадашевский!1： 130t35L, Москва, M-3i5, 1-й Кадашевский!Московская типография № 8 СоюзполилМосковская типография № 8 Союзполилпри Государственном комитете СССРпри Государственном комитете СССРиздательств, полиграфии и книжной тортми^». Хохловский пер., 7.издательств, полиграфии и книжной тортми^». Хохловский пер., 7.
Сдано в набор 12.02.82.
Сдано в набор 12.02.82.
Подписано
Подписано
Формат 60X9Q1/16. Бумага типографская
Формат 60X9Q1/16. Бумага типографская
Высокая
Высокая
печать. Объем 20,5 п. л.
печать. Объем 20,5 п. л.
Уч.-изд. л. 20,92.
Уч.-изд. л. 20,92.
Т-11964.
Т-11964.
го с У
го с У
НН АЛ
НН АЛ
в печать 28.07.82.
в печать 28.07.82.
№ 2. Литературная гарнитура.
№ 2. Литературная гарнитура.
Усл. п. л. 20,5. Усл. кр.-отт. 20,5.
Усл. п. л. 20,5. Усл. кр.-отт. 20,5.
Тираж 4700 экз. Заказ 266. Цена 95 коп.
Тираж 4700 экз. Заказ 266. Цена 95 коп.
Издательство «Легкая и пищевая п'
Издательство «Легкая и пищевая п'
1： 130t35L, Москва, M-3i5, 1-й Кадашевский!
1： 130t35L, Москва, M-3i5, 1-й Кадашевский!
Московская типография № 8 Союзполил
Московская типография № 8 Союзполил
при Государственном комитете СССР
при Государственном комитете СССР
издательств, полиграфии и книжной тортми^». Хохловский пер., 7.
издательств, полиграфии и книжной тортми^». Хохловский пер., 7.
© Издательство «Легкая и пищевая промышленность», 1982 г.
ВВЕДЕНИЕ
Непрерывное повышение жизненного уровня населения обуславливает огромный спрос на изделия личного пользования (одежду, обувь, трикотаж, галантерею и т. д.) и хозяйственного обихода (различную бытовую технику, машины, приборы и т. д.). Соответственно увеличивается производство этих изделий и потребность в, услугах (ремонт, обновление, чистка и др.) по восстановлению утраченных в процессе их использования отдельных свойств, а также в изготовлении отдельных видов изделий по заказам населения. В целях наиболее полного удовлетворения населения в указанных товарах в нашей стране неуклонно увеличивается их производство, расширяется ассортимент и повышается их качество. Одновременно осуществляются меры дальнейшего развития бытового обслуживания населения по расширению указанных видов услуг.
XXVI съезд КПСС поставил перед отраслью бытового обслуживания населения большие и сложные задачи по увеличению , объемов производства и повышению качества услуг, сокраще-' нию сроков их выполнения.
Развитие бытового обслуживания населения базируется на основе технического прогресса ——механизации и автоматизации технологических процессов. Механизация и автоматизация технологических операций (с помощью машин и аппаратов) позволяет повысить производительность труда, облегчить и оздоровить труд людей как на производстве, так и в быту.
Для успешного решения задач по механизации и автоматизации технологических процессов бытового обслуживания требуется мобилизация и развитие творческой инициативы машиностроителей, ученых, конструкторов и изобретателей, работников бытового обслуживания^ обобщение передового опыта новаторов, разработка теоретических положений в области проектирования, позволяющих -создавать новые, более совершенные машины, аппараты и другую технику бытового Назначения.
В связи с этим большое значение приобретает подготовка квалифицированных специалистов с зысшим образованием, владеющих современными методами расчета и конструирования машин и аппаратов и. на основе этого эффективными методами их
технической эксплуатации. Изучение и овладение научно обосно' ванными методами расчета и конструирования машин и, аппаратов бытового назначения и является предметом дисциплины «Расчет и конструирование типовых машин, автоматов и автоматических линий».
Общая методология поэтапной проектно-конструкторской ,разработки создаваемых машин и аппаратов содержит следующие направления:
прогнозирование конструкций машин и аппаратов;
проектирование (предпроектные исследования и разработка конструкторской документации на изготовление машин и аппаратов);
освоение серийного производства машин и аппаратов.
Прогнозирование конструкций базируется на трех направлениях, определяющих значимость новых открытий и изобретений, цель и техническую стратегию, перспективный технический уровень конструкции машин.
Процесс разработки конструкторской документации представляет собой постепенное уточнение проекта машины, аппарата и приближение его к разрабатываемой рабочей документации, по которой изготовляют изделие.
Техническая подготовка производства к выпуску новых конструкций машин охватывает широкий круг задач по техническому оснащению машиностроительного производства.
Главной частью технической подготовки производства является проектирование технологических процессов изготовления машин (аппаратов) и конструирование технологической оснастки.
При освоении производства новых моделей машин решают задачи, связанные с достижением объема выпуска машин в соответствии с проектной мощностью машиностроительного предприятия, требуемого качества и экономически целесообразной трудоемкостью изготовления.
В соответствии с программой изучаемого курса в данной книге рассматриваются вопросы, относящиеся прежде всего к основной части проектно-конструкторских работ — проектирова- нию на стадии разработки конструкторской документации, т. е. к синтезу конструкций машин и аппаратов и их элементов на основе различных видов расчетов, подтверждающих рациональность выбранного варианта и работоспособность в процессе эксплуатации.
В первом -разделе книги рассматриваются общие вопросы расчета и методологии конструирования типовых машин и аппаратов бытового назначения; во втором ——методы расчета и конструирования исполнительна» механизмов и сборочных единиц этих машин.
Раздел первыйРаздел первыйОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАСЧЕТА
Раздел первый
Раздел первый
И МЕТОДОЛОГИИ КОНСТРУИРОВАНИЯ
МАШИН И АППАРАТОВ БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Глава I
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ И ИХ КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ПАРК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Основные виды производственного процесса бытового обслуживания населения связаны с профилактикой, восстановлением утраченных свойств, изготовлением по заказам населения предметов первой необходимости： одежды, обуви, голов- Hbix уборов, трикотажных изделий, предметов хозяйственного обихода. Их обработка осуществляется с помощью механических, физических, химических и других способов.
Процессы обработки предметов труда называют технолог гич ескими процессами, целью которых является получение определенных качественных и количественных изменений обрабатываемых объектов (изменение формы, размеров, свойств).*
Каждый технологический процесс совершается за счет затра- ты и преобразования энергии, поступающей от источника энергии технологического оборудования (машин и аппаратов) или за счет мускульной силы рабочего.
Значение технологического оборудования, как средства производства, заключается в том, что оно облегчает труд, уменьшав qt время на производство единицы продукции, позволяет достигнуть высокой концентрации мощности, обеспечивает совмещение обработки сразу нескольких изделий, создает условия Для более экономичного использования сырья и рациональной организации производства.
^Технологическое оборудование бытового назначения чрезвычайно разнообразно по номенклатуре, назначению, рабочим процессам, кинематическим и динамическим параметрам, технологическим и конструктивным характеристикам, приводным устройствам и т. п. Общий парк технологического оборудования сферы бытового обслуживания по производственному признаку подразделяется на следующие характерные группы:”
применяемое на предприятиях бытового обслуживания;
нахоп#!цеес兄 в личном пользовании у населения (т. е. -применяемое в домашнем хозяйстве).
По функционально-технологическому признаку это оборудование разделяется для следующих операций:
ремонт и изгорвлеиие одежды；
ремонт и изготовление обуви；
чистка одежды и стирка белья;
хранение продуктов питания;
приготовление пиши;
личная гигиена;
уход за жильем.
По количеству возможно выполняемых операций основное Iехнологнческое оборудование в зависимости от назначения разделяется на универсальное (общего назначения), специализированное (для одной операции с различными их модификациями), специальное (для выполнения одной операции).
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН И АППАРАТОВ
Общие характерные свойства, отражающие принципиальные особенности отдельных групп технологического обо- рудованл% позволяют положить их в основу групповой классификации.
В зависимости от вида затрачиваемой и преобразуемой энергии в сановных технологических процессах отдельные виды технологического оборудования могут быть отнесены либо к группе машин, либо к группе аппаратов,
С помощью машин осуществляется механическая обработка объектов путем воздействия на них рабочих органов, характеризующаяся затратой и преобразованием кинетической энергии в работу.
С помощью аппаратов осуществляется немеханическая обработка объектов путем воздействия на них тепловой, химической, электрической энергии, а также энергии, обусловленной физическими явлениями движения- жидкостей, газов и др.
Типизацию технологических машин и аппаратов бытового назначения целесообразно провести на основе классификации парка технологического оборудования по физическому содержанию выполняемых им операций, так как такая классификация соответственно определяет и его конструктивное построение, применяемые методы проектирования и расчета.
По физическому содержанию технологических процессов, лежащих в основе выполняемых операций, технологическое оборудование бытового назначения можно разделить на группы и подгруппы, которые в конечном итоге и определяют типовые их представители, положенные в основу изучения методов, основ проектирования и расчета (схема 1)：
，Так как многие специальные вопросы, а также основы расчета и методов проектирования типовых машин “ и аппаратов.
赋 HH0so-d-o，§七之己 QGRJ之XQJ ~2片戸±宅 паау£ ^^^ё^^ I rtsoxo赋 HH0so-d-o，§七之己 QGRJ之XQJ ~2片戸±宅 паау£ ^^^ё^^ I rtsoxo
赋 HH0so-d-o，§七之己 QGRJ之XQJ ~2片戸±宅 паау£ ^^^ё^^ I rtsoxo
赋 HH0so-d-o，§七之己 QGRJ之XQJ ~2片戸±宅 паау£ ^^^ё^^ I rtsoxo
；,>.бытового йазначения для отдельных подгрупп и их представи- ^ гтЬлеЙ являются общими, эти вопросы рассмотрены в первом раз- 'деле данной книги, а узко специальные вопросы — во втором.
ПРИНЦИПИАЛЬНОЕ И КОНСТРУКТИВНОЕ ПОСТРОЕНИЕ ТИПОВЫХ МАШИН И АППАРАТОВ
Принципиальное, а также структурное построение типовых машин и аппаратов бытового назначения определяется применяемым способом обработки материалов и изделий, физической сущностью процесса обработки, а также техническими требованиями, предъявляемыми к работе конструкций машин и аппаратов.
Основная роль машины и аппарата при осуществлении технологического процесса заключается в передаче энергии соответствующего вида в этот процесс.
Поэтому^ всякая технологическая машина (аппарат) состоит из двигателя (источника энергии), передаточных и и с- полнительных механизмов и рабочих органов (рабочих устройств или инструментов, предназначенных для непосредственной обработки) и различного рода других устройств, применяемых для подачи и удержания обрабатываемых объектов во время обработки, для транспортирования объектов внутри машины (или аппарата) и после обработки.
Для ускорения протекания основных процессов технологические аппараты могут снабжаться, кроме основного рабочего устройства немеханического принципа действия, дополнительными механизмами и вспомогательными рабочими устройствами для механических, гидромеханических и других процессов.
Двигатель и передаточный механизм объединяют под общим названием «привод».
Систему двигатель — машина называют машинным агрегатом, а основную часть этой системы—машину — рабочей машиной.
Технологический процесс, выполняемый машиной или аппаратом, складывается из ряда операций. Различают основные или обработочные операции, вспомогательные, где производят загрузку (установку) и съем обрабатываемых объектов, их перемещение внутри машины, аппарата и контрольные операции, где проверяют размеры и другие геометрические и физические параметры обрабатываемых объектов.
Важную роль в технологическом процессе играют рабочие (исполнительные) органы машин и рабочие (исполнительные) устройства аппаратов, непосредственно участвующие в этом процессе. Рабочие органы, получают движение от исполнительных механизмов. Рабочие устройства аппаратов, как правнпб неподвижны; иногда аппараты включают подвижные устройст-
ва для транспортирования обрабатываемых объектов, интенсификации процессов и др.
В технологическом машинном (аппаратном) процессе перерабатываются взаимосвязанные материальные (в виде сырья, материалов, полуфабрикатов), энергетические и информационные потоки управления и регулирования процессами.
Рабочие органы машины при осуществлении технологического процесса действуют в соответствии с определенными законами движения, преодолевая соответствующие технологические усилия (полезные сопротивления), приложенные к ним со стороны обрабатываемого объекта. Для этого рабочие органы должны иметь самостоятельные исполнительные механизмы, которые получают движение от привода машины.
Наличие механизмов в машине (или аппарате) для выполнения вспомогательных операций характеризует уровень механизации процесса обработки машиной.
Прогресс в развитии современных машин и аппаратов состоит в том, что все большее число физических и умственных, т. е. логических и вычислительных, функций человека передается техническим средствам, благодаря чему человек освобождается от непосредственного участия в технологическом процессе.
Если основные и вспомогательные операции в машине выполняются механизмами без вмешательства рабочего, такая технологическая машина называется автоматической, или а в- томатом.
Независимо от назначения и_ устройства все машины-автоматы имеют общие структурные элементы, объединенные системой управления циклом. У автоматов можно выделить несколь- г ко основных групп структурных элементов: двигатели, передаточные механизмы, исполнительные механизмы, рабочие органы, вспомогательные механизмы, механизмы контроля, механизмы регулирования и управления.
В машинах полуавтоматического действия (полуавтоматах) все основные технологические и некоторые вспомогательные операции, например транспортные 41 контрольные, выполняются автоматически. На долю операций, выполняемых вручную, остаются загрузка, некоторые транспортные, контрольные и другие вспомогательные операции.
Соединение нескольких взаимодействующих технологических машин (аппаратов) называют производственным м а- шинным агрегатом. В классическом исполнении машинный агрегат включает соединение трех указанных выше частей: двигательную, передаточную и рабочую характеризующихся определенными энергетическими закономерностями.
Система машин, аппаратов и механизированных устройств, в которой процесс обработки осуществляется в заданной последовательности, называется поточио-механизированной линией.
• Автоматической линией называется система взаимо- ' связанных автоматических технологических машин и устройств, обрабатывающих вещества (или изделия) в заданной последовательности.
Рассмотрим кратко принцип устройства и работы, обусловливающий конструктивное построение типовых подгрупп машин и аппаратов бытового назначения и особенности их проектирования.
Машины химической чистки и стиральные предназначены для гидромеханической обработки изделий в специальных жидких рабочих средах. Основной процесс обработки изделий ——физико-химический, но для его интенсификации используют гидромеханический фактор, создаваемый движением изделий в рабочем барабане и относительным движением жидкости (в барабане либо в баке бытовой стиральной машины).
Рабочие органы машин представляют собой перфорированный барабан с внутренними гребнями или с активаторами-мешалками в бытовых стиральных машинах.
Машины химической чистки конструктивно выполняют в виде системы агрегатов, обеспечивающих технологические переходы по заданной 'программе ——мойка, центробежный отжим и сушка в одном барабане ('без перегрузки изделий). Характерные особенности работы машин химической чистки требуют специальных конструктивных решений: принципиальную схему устройства и работы барабана, систему привода для осуществления технологических режимов по заданной программе, регенерацию растворителей и их паров, уравновешивание вращающихся масс.
Сушильные машины барабанного типа по устройству рабочего органа (барабана) близки к моечным барабанам машин химической чистки и стиральных машин. Белье в сушильных машинах сушится подогретым воздухом, подаваемым вентилятором через калорифер и далее через перфорационные отверстия барабана к обрабатываемым изделиям.
Основным направлением совершенствования сушильных машин является интенсификация процесса сушки и повышение их теплового КПД.
Центрифуги в качестве рабочего органа имеют быстро вращающийся перфорированный ротор, в который загружается белье для отжима под действием поля центробежных сил. Привод осуществляется от электродвигателя к валу ротора через клиноременную передачу и разгонную муфту. Для уменьшения влияния динамической неуравновешенности, возникающей из-за неравномерной раскладки белья по внутреннему контуру ротора в центрифугах, применяются различные устройства (амортизаторы, упругие и скользящие опоры и др.).
Калковне машины (механизмы) применяют обычно для подсушки и глажения прямого белья ——простыней, полоте-
нец и т. д. (сушильно-гладильные вакуумные катки), а валковые отжимные машины—для отжима влаги из мокрого белья.
В качестве подающих механизмов двоильных, швейных и других машин используют валковые или роликовые устройства.
Технологический эффект обработки достигается за счет деформаций валками обрабатываемого материала, а в некоторых случаях за счет сил трения при относительном движении валков и обрабатываемого материала (смесительные вальцы).
Основными направлениями конструктивного усовершенствования этих машин являются: создание эффективных упругих покрытий и обеспечение требуемой жесткости валков при изгибе, разработка рациональных систем обогрева и теплообмена в рабочих валках и др.
Швейнне машины для одежды и обуви — распространенная группа машин, предназначенная для ниточного скрепления материалов одежды и обуви способом челночного и цепного переплетения. Типовым представителем этой подгруппы машин является универсальная челночная швейная машина, материалы которой скрепляются при взаимодействии рабочих органов: иглы, челнока, нитепритягивателя и подающего механизма, работающих по жесткому кинематическому циклу в процессе образования стежка.
Конструктивные разработки машин св兄занн с проектированием (синтезом) рациональных исполнительных механизмов в соответствии с требуемым видом стежка и качеством строчки, расширением технологических возможностей, повышением на- дежности и др.
Машины скрепления деталей обуви металлическими крепителями работают по жесткому кинематическому циклу несколькими рабочими органами, предназначенными для подачи крепителей к месту скрепления, осуществления ударной нагрузки на крепитель и загибания крепителя. В некоторых машинах крепители изготовляются из бухты подаваемой навинтованной проволоки. -
Основное внимание при конструировании уделяют проектированию ударных механизмов, механизмов опорного устройства, подающих механизмов крепителей.
Г л а дил ьн ые прессы применяют для влажно-тепловой обработки в швейном производстве и производстве химической чистки одежды и стирки белья. В качестве рабочих органов служат верхняя (обычно жесткая с гладкой поверхностью) и нижняя (обычно мягкая упругая) подушки (плиты). Работают по нежесткому и жесткому (с применением программоносителя) кинематическому циклам. Гладильные прессы в разных случаях оснащают различными видами приводов: электромеханическим, гидравлическим или пневматическим.
Основными нагрузками механизмов прессов являются технологические нагрузки при прессовании.
'Наряду с механическими расчетами прессы требуют тепловых расчетов, связанных с обогревом верхней плиты, а также технологических расчетов процессов тепловлажностной обработки. ,
Клеевые и вулканизационные п р ес сы — машины^ предназначенные для обработки давлением деталей обуви с помощью рабочих органов: металлической колодки и пневмокамеры, колодки и матрицы. Применяются при склеивании и вулканизации деталей (например, резиновой подошвы к валяной обуви) .Работают по нежесткому и жесткому кинематическим циклам. В клеевых прессах применяют пневматический и гидравлический приводы, в вулканизационных ——электромеханический и гидравлический.
Основными нагрузками прессов являются нагрузки, вызван- * ные технологическим процессом обработки.
При проектировании вулканизационных прессов наряду с прочностными расчетами делают тепловые расчеты по электрообогреву рабочего органа — матрицы.
Затяжные машины и манекены — технологическое оборудование, применяемое для формования растяжением соответственно верха обуви и одежды.
В ремонтно-обувном производстве верх обуви формуют на оборудовании с рабочими органами клещевого типа. Формование производят на колодке (пуансоне). Край верха обуви прикрепляют к стельке тексами подающими механизмами. Ударная нагрузка в процессе крепления исходит от механизма ударника. Так как конструкция существующей затяжной машины сложная, то перед конструкторами стоит задача упрощения ее кинематики. 、
Манекены представляют собой устройства, оснащенные расширителями, на которые надевают обрабатываемую одежду. Через внутреннюю полость расширителей пропускают периодически увлажняющий и подсушивающий воздух. Основными расчетами при проектировании являются расчеты, связанные с приготовлением и подачей рабочей среды ——воздуха, а также с затратами энергии.
Машины для обработки материалов деталей обуви и одежды резанием в качестве основных имеют соответствующей формы нож, работающий в различных режимах в зависимости от применяемого способа обработки. Режим обработки соответственно определяет и нагрузки на рабочий орган и исполнительные механизмы. В вырубочных обувных прессах в процессе резания образуется динамическая нагрузка, соз- даваемая от электромеханического, "'либо от гидравлического привода.
В двоильно-ленточных обувных и раскройно-ленточных ма- шинах (швейного и обувного производства) в качестве рабочего органа применяется движущийся бесконечный ленточный
нож, при помощи которого обрабатывают контуры выкраиваемых деталей.
В двоильных машинах в качестве рабочих органов применяют неподвижный нож и подающий валковый механизм для подачи материала.
Типовым представителем механизмов резания, применяемых в бытовой технике, являются электробритвы, работающие по принципу ножниц.
При проектировании машин данной подгруппы особое место занимает проектирование исполнительных механизмов и режущих инструментов, повышение их надежности и производительности машин.
Щеточные машины применяются в химчистке и в швейном производстве (механическая чистка одежды), в обувном производстве (полирование обуви) и в быту (натирание полов).. При проектировании этих машин решают задачи обеспечения производительности и требуемого качества обработки, определяющихся технологическим эффектом взаимодействия рабочих органов с обрабатываемым материалом.
Аппараты для хранения жидкостей и газов находят применение в различных системах специального технологического оборудования (химических станциях, устройствах для соответствующей обработки изделий распыливающей струей жидкости), а также в составе другого технологического оборудования (машинах химической чистки, стиральных машинах, гладильных прессах с паровым обогревом и др.). В основе проектировочных расчетов этих аппаратов лежат конструктивные и прочностные расчеты.:
Аппараты для обработки изделий струей жидкости и во здуха применяют в составе оборудования для обработки ковровых изделий^ одежды (пятновыводные станки, пылесосы), обуви (окрасочные камеры). При проектировании этих аппаратов большое внимание уделяется расчету гидродинамики струй, обеспечивающей требуемые режимы обработки.
Аппараты для охлаждения применяют в составе машин химчистки (для охлаждения паров растворителей, других теплообменных аппаратов), стиральных машин (теплообменные аппараты), бытовых холодильников.
При проектировании основным вопросом является обеспечение эффективного теплообмена на основе тепловых и конструктивных расчетов.
Ап п а р аты для нагревания применяют в различных производствах для приготовления жидких и газообразных рабочих сред, для обогрева рабочих органов машин, в быту ——для приготовления пищи и других целей.
Основными вопросами при проектировании этих аппаратов являются те же, что и при проектировании аппаратов для охлаждения.
Глава II
СИСТЕМА ИНЖЕНЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН (АППАРАТОВ)
ЗАДАЧИ ИНЖЕНЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В процессе проектирования машин и аппаратов основной технологической задачей является обеспечение высококачественного, производительного, безопасного и экономичного выполнения технологической операции..
Целесообразность создания новых конструкций оборудования определяется прежде всего тем, насколько вновь создаваем мые машина или аппарат отвечают требованиям развития социалистической экономики в данной отрасли народного хозяйства.
Так, перед отраслью бытового обслуживания населения стоят экономические задачи увеличения объемов производства бытовых услуг, улучшения их качества, повышения производительности труда, облегчения условий труда, рационального использования сырья и материалов и их максимальной экономики.
Эти задачи решают проектированием принципиально нового оборудования для вновь создаваемого и существующего прогрессивного технологического процесса,- модернизацией существующего оборудования с коренным изменением его конструкции, проектированием оборудования по имеющемуся образцу (прототипу) при некоторых изменениях в конструкции.
Проектирование технологического оборудования связано со следующими конструктивными решениями:
повышением уровня автоматизации рабочего процесса;
повышением непрерывности рабочего процесса;
увеличением основного времени рабочего процесса за счет сокращения вспомогательного времени;
расширением технологических возможностей машин и аппаратов;
совмещением разных технологических операций в процессе обработки в одном агрегате;
увеличением количества рабочих органов с целью повышения уровня механизации рабочего процесса;
увеличением рабочих размеров и скоростей рабочих органов, приходящихся на единицу установленной мощности;
повышением износостойкости деталей и узлов машин, устойчивости их работы в условиях агрессивных сред;
облегчением конструкций, их микроминиатюризацией;
повышением точности параметров обработки и самих процессов;
применением прогрессивных методов обработки (ультразвукового, электрогидравлического, токов высокой частоты и др.);
14
использованием в машинах и аппаратах прогрессивных средств автоматизации: электроники, полупроводниковой техники, пневматики, гидравлики и др.;
применением принципиально новых технологических методов обработки.
Совершенствование конструкций действующего оборудования производится в процессе его модернизации, которая позволяет без значительных затрат повысить технический уровень используемого оборудования и создает благоприятные условия для дальнейшего совершенствования технологии и организации производств.
В процессе модернизации обычно решают задачи расширения технологических возможностей, сокращения вспомогательного и машинного времени, повышения качества обработки, эксплуатационных качеств, улучшения условий труда и повышения безопасности работы.
Важнейшим критерием модернизации является технико-экономическая эффективность ее проведения.
МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Методология проектирования машин (аппаратов) содержит прогнозирование конструкции машин, разработку конструкторской документации, подготовку производства и его освоение.
Прогнозирование базируется на трех направлениях, определяющих значимость новых открытий и изобретений, цель и техническую стратегию, перспективный уровень конструкции машин.
Процесс разработки конструкторской документации представляет собой постепенное уточнение проекта и приближение к разработке рабочей документации, по которой изготовляют изделие.
Техническая подготовка производства к выпуску новых конструкций машин охватывает задачи полного технологического оснащения машиностроительного предприятия документацией не только конструкторской, но и технологической.
При освоении производства новых моделей машин решают следующие основные задачи:
достижение объема выпуска в соответствии с проектной мощностью предприятия;
обеспечение требуемого стабильного качества изделий;
достижение проектной трудоемкости изготовления на всех стадиях производства.
Процесс создания машины (аппарата)—сложный творческий процесс, сочетающий мышление и обработку информации (описательной, числовой и геометрической), преобразуемый в технические образы будущего изделия—машины (аппарата).
В процессе создания изделия различают понятия проектирования и конструирования.
Под проектированием подразумевают процесс разработки (синтез) общей принципиальной схемы конструкции, т. е. принципиальную часть разработки изделия.
Спроектированное изделие должно соответствовать своему назначению и удовлетворять предъявляемым требованиям. Как правило, в процессе проекта ров ани я рассматривают несколько вариантов и выбирают тот, который обеспечивает требуемые показатели работы при наименьшей затрате средств и труда, т. е. наибольшую экономическую эффективность*
Процесс проектирования ведется на основе технических расчетов, конструктивной, технологической и эксплуатационной проработки и опыта и требует экспериментальной проверки работоспособности некоторых деталей, сборочных единиц и машины в целом.
Теоретическую базу проектирования машин и аппаратов составляет теория их производительности и технологического процесса.
Под конструированием понимают процесс инженерной разработки (синтез) конструкции изделия, т. е. техническую часть разработки машины, аппарата.
Теоретическую базу конструирования составляют технические расчеты конструкции, синтез схемных и конструктивных решений.
Т ехнически й расчет представляет собой упорядоченную последовательность выполнения вычислительных актов, направленную на проверку имеющихся конструктивных решений отдельных деталей или сборочных единиц либо на обоснование предлагаемых с учетом характеристик применяемых материалов и технологий изготовления деталей, сборочных единиц и изделий в целом.
Таким образом, в процессе создания машины, аппарата решают задачи их принципиального устройства и работы, а также задачи воплощения принципиальных решений в реальную конструкцию.
Принципиальные решения обычно выливаются в отдельные схемы, а конструктивные решения — в чертежи конструкции.
Конструирование осуществляется в определенной последовательности выполнения ряда работ по стадиям разработки технической документации (рис. 1).
Документация, получаемая при проектировании и затем при конструировании, носит единое наименование — проект.
Проектирование машин (аппаратов) не является механической суммой проектирования, конструирования и технического расчета. Оно выступает в качестве единого взаимосвязанного творческого процесса. Сложность функций машин и аппаратов требует глубокой проработки их конструкций с позиций произ-
водственного использования, эргономики, технологии производства, технической эстетики, экономики и других требований.
Большое число определенных физических эффектов в работе конструкций, учет которых необходим при анализе и синтезе конструкций, вызывает необходимость применения разнообраз-
XKruagmn s^s^^^^saxQ氏JxaQayJXKruagmn s^s^^^^saxQ氏JxaQayJag£-sQrodu a &044aNag£-sQrodu a &044aN908H20du~qHHau908H20du~qHHauТехническое заданиеУточнение служебного назначения м(шиА ны (аппарата^ 〃 вы^ор ее исни&ньм параметровТехническое заданиеУточнение служебного назначения м(шиА ны (аппарата^ 〃 вы^ор ее исни&ньм параметровОпределение технических характеристикОпределение технических характеристикРазработка кинематической схемыРазработка кинематической схемыВыбор компоновкиВыбор компоновкиконструиродиниг с5оричных единицконструиродиниг с5оричных единиц[рабочие чертежи детпапей. спецификации[рабочие чертежи детпапей. спецификации[Технологическая подгогподка произ8йдсгп8а[Технологическая подгогподка произ8йдсгп8аИзгагпо8пени.е 〃 испытание опытного образца.Изгагпо8пени.е 〃 испытание опытного образца.Выпуск серииВыпуск сериизпна买ougadu зохзатнззпна买ougadu зохзатнзEx30dcJTlNDahm-XBlEx30dcJTlNDahm-XBlExaodu Tplh-ddExaodu Tplh-ddunTUEHawhx-BaH2do£xAdEUHOXunTUEHawhx-BaH2do£xAdEUHOXЗаказ на заготовки-Заказ на заготовки-Заявки на комппекгпующи.е изделиеЗаявки на комппекгпующи.е изделие
XKruagmn s^s^^^^saxQ氏JxaQayJ
XKruagmn s^s^^^^saxQ氏JxaQayJ
ag£-sQrodu a &044aN
ag£-sQrodu a &044aN
908H20du~qHHau
908H20du~qHHau
Техническое задание
Уточнение служебного назначения м(шиА ны (аппарата^ 〃 вы^ор ее исни&ньм параметров
Техническое задание
Уточнение служебного назначения м(шиА ны (аппарата^ 〃 вы^ор ее исни&ньм параметров
Определение технических характеристик
Определение технических характеристик
Разработка кинематической схемы
Разработка кинематической схемы
Выбор компоновки
Выбор компоновки
конструиродиниг с5оричных единиц
конструиродиниг с5оричных единиц
[рабочие чертежи детпапей. спецификации
[рабочие чертежи детпапей. спецификации
[Технологическая подгогподка произ8йдсгп8а
[Технологическая подгогподка произ8йдсгп8а
Изгагпо8пени.е 〃 испытание опытного образца.
Изгагпо8пени.е 〃 испытание опытного образца.
Выпуск серии
Выпуск серии
зпна买ougadu зохзатнз
зпна买ougadu зохзатнз
Ex30dcJTlNDahm-XBl
Ex30dcJTlNDahm-XBl
Exaodu Tplh-dd
Exaodu Tplh-dd
unTUEHawhx-BaH2do£xAdEUHOX
unTUEHawhx-BaH2do£xAdEUHOX
Заказ на заготовки-
Заказ на заготовки-
Заявки на комппекгпующи.е изделие
Заявки на комппекгпующи.е изделие
Рис. 1. Схема процесса конструктивной разработки изделия
ных методов анализа и их синтеза. Чаще всего в основе анализа и синтеза лежит задача оптимизации (по минимуму или максимуму) обобщенной целевой функции, отражающая в конструкции надежность, стоимость, габаритные размеры, массу, энергозатраты и т. п., либо задача исследования процессов методами математической физики (при расчете тепловых режимов, динамических и других характеристик), увязанных с обобщенными функциями конструкций.
Во всех этих случаях в качестве исходных могут быть ис
пользованы параметры, полученные чисто практическим путем,
объединение которых выполняется с помощью различных практических .методик, физическими или статистическими способами. Для упрощения задачи анали^а-и.，хннтеза конструкций используют физические теории про^&сов и вы§ирд^)т рациональ-
17
ные исходные (определяющие) конструктивные параметры, базирующиеся на методологии общей теории алгебраических систем и теории подобия и моделирования.
Главным эффектом работы технологических машин и аппаратов является эффект преобразования энергии двигателя в энергию, необходимую для выполнения полезной работы или на передачу других форм энергии в технологический процесс. Поэтому обобщенными функциями машин и аппаратов являются функции активного преобразования или передачи энергии. На основе теории подобия и моделирования можно получить выражения и критерии, связывающие активные- и пассивные энергетические, вещественные и другие параметры нзделнн, что позволяет получить объективные критерии оценки конструк-, пий (например, плотность компоновки, коэффициент надежности, массу и др.).
Задачи синтеза конструкций значительно сложнее и они менее разработаны, чем задачи анализа. Поэтому задачу синтеза решают методом последовательных приближений по стадиям проектирования.
Синтез конструкций осуществляется на основе компоновочной схемы, выполненной в определенном масштабе. Построению такой схемы предшествуют определенные стадии разработки, например анализ работы принципиальной (функциональной) схемы, проектирование и анализ кинематической схемы, определение габаритных размеров элементов и др.
На основе проведенного анализа и синтеза схемных решений определяется главная линия синтеза конструкции (компоновки ее элементов). “
Любой предмет производства, подлежащий изготовлению на предприятии, называется в машиностроении изделием.
Согласно ГОСТ 2.101——68 устанавливаются следующие виды изделий: детали, сборочные единицы, комплексы и комплекты.
Деталь нрепстаал兄ет собой изделие, изготовленное яз однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций (вал, хромированный винт, биметаллический лист, детали с применением местной сварки и т. д.).
Характерный признак детали — отсутствие в ней разъемных и неразъемных соединений.
К сборочной единице относится изделие, составные час™ которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе посредством сборочных операций (сварной корпус, маховичок из пластмассы с металлической арматурой, редуктор, холодильник и т. д.).
Характерным признаком составной части изделия с точки зрения технологии является возможность ее сборки обособленно от других элементов изделия.-
К комплексам относятся изделия, не соединенные на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназ- 18
каченные для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных «функций (например, линия для отделочных операций белья).
Комплектом называется два и более изделий, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющих собой набор изделий общего эксплуатационного назначения вспомогательного характера (комплект запасных деталей, комплект частей врезного замка, наладочный прибор в комплекте с запасными деталями, комплект монтажного инструмента и т. д.).
На структурной схеме конструируемых изделий машиностроения показано основное проектируемое изделие и входящие в него элементы, а также изделия, предназначенные для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций (схема 2).
■Схема 2. Структурная схема конструируемых изделий
По функционально-структурному признаку машина представляет собой динамическую систему, расчленяемую на составные части: механизмы, звенья и кинематические пары.
Структурное деление изделий на составные части является важным организационно-техническим мероприятием. Оно не только повышает качество разработки конструкций изделий, но ускоряет процесс конструирована兄 изделий, способствует применению прогрессивных методов изготовления и сборки (например, поточно-массовая сборка), а также расширению конструктивной преемственности, удобству эксплуатации.
СТАДИИ РАЗРАБОТКИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
Наиболее удобная поэтапная последовательность проектирования и конструирования закреплена в Единой системе конструкторской документации — ЕСКД (ГОСТ 2.103-—68).
Составление технического задания на проект. В этом документе четко формулируется комплекс следующих вопросов: цель создания машины (механизация новых или существующих технологических процессов или операций, замена морально устаревших машин и т. д.); параметры, режимы и условия работы машины, увязка параметров с типажом; данные об экспериментальных работах; сравнительная оценка технического уровня машины; указания по принципиальному устройству машины и принципу ее действия； степень механизации и автоматизации машины; особые условия эксплуатации машины; перечень машин, которые будут работать на смежных операциях; сроки выполнения проекта; серийность выпуска; указания о заводе-изготовителе; технические требования к машине и проекту. ”
Разработка технического предложения. Техническое предложение представляет собой совокупность конструкторских документов, отражающих новизну технического направления, принятого в проекте. Техническое предложение должно содержать указания и обоснования о принципиальном устройстве машины, целесообразности использования в ее конструкции тех или иных технических решений с учетом конструктивных и эксплуатацион^ них особенностей. В техническом предложении должны быть приведены сведения по технико-экономической оценке принятых решений, их надежности, необходимости полной или частичной экспериментальной проверки и т. д., а также объем и стадийность разработки проекта.
Разработка эскизного проекта. Эскизный проект обычно разрабатывается в нескольких вариантах и сопровождается обстоятельным технико-экономическим анализом, в результате которого отбирается оптимальный вариант для последующей разработки.
При разработке эскизного проекта окончательно отрабатывают принципиальную схему, принцип действия, типы и расположение основных сборочных единиц.
Затем разрабатывают кинематическую схему и проводят кинематическое и силовое исследование механизмов (машины).
После этого приступают к конструктивной разработке основных узлов, предварительно наметив форму, материал и вид заготовок, составив расчетные схемы и вычислив наиболее важные размеры сборочных единиц и основных деталей.
При выполнении эскизного проекта основными чертежами являются эскизные компоновки машины и основных сборочных единиц.
Разработка технического проекта. На этом этапе окончательно отрабатывают и подготовляют к деталированию общие виды механизмов и сборочных единиц. С помощью уточненных расчетов корректируют предварительно намеченные размеры, форму и материал всех деталей, назначают допуски и посадки; намечают защитные и декоративные покрытия; составляют специ- 20
фикации, технические требования и характеристики сборочных единиц, а также производят все основные расчеты на прочность^ стремясь уменьшить габаритные размеры изделий и согласовать размеры и форму деталей с технологией изготовления, условиями монтажа и эксплуатацией изделий.
Все основные размеры обосновывают расчетами, составляют ведомости заказа материалов, комплектующих, крепежных деталей и др.
Параллельно с выполнением технического проекта должны быть закончены все исследования, предпринятые для обоснования новых расчетных, технологических и других положений, использованных в проекте.
Разработка рабочих чертежей ——заключительный этап. Отт включает создание чертежей общих видов, чертежей сборочнык единиц и деталей, составление спецификаций, технических условий и других документов, необходимых для изготовления всех ненормализованных деталей. В это же время вносят уточнения и дополнения в документацию технического проекта. Параллельно с разработкой рабочих чертежей целесообразно составлять технологическую документацию (технологические карты) на изготовление деталей, сборку и монтаж изделия.
На этом же этапе выпускаются инструкции по испытанию 江 эксплуатации новой конструкции и ее сборочных единиц.
Не менее важными задачами конструктора 兄bji兄юте兄 участие в испытании опытного образца вновь созданной конструкции, ее доводке, освоении в серийном производстве и систематическом наблюдении за работой в эксплуатации в целях дальнейшего совершенствования.
ОСНОВНЫЕ виды конструкторской ДОКУМЕНТАЦИИ
В соответствии с ГОСТ 2.102—68 конструкторская документация в зависимости от стадии разработки подразделяется на документы, входяшие в комплект проектной документации, и на документы, входящие в комплект рабочей документации.
Комплект проектной документации включает документы, разработанные в результате выполнения следующих стадий разработки： технического задания, технического предложения, эскизного и технического проектов. В комплект проектной документации входит чертеж общего вида, определяющийг конструкцию изделия и взаимодействие его основных составных частей* а также объясняющий принцип работы изделия. Таким образом комплект проектной документации дает исчерпывающие сведения о проектируемом изделии.
Изготовление же, контроль, приемка, монтаж и ремонт изделия осуществляются на основании комплекта рабочей доку-
ментации, разработанного на базе комплекта проектной документации.
Комплект рабочей документации включает следующие конструкторские документы:
чертежи деталей, сборочные чертежи, спецификации для непосредственного изготовления и приемки машины, аппарата органами технического контроля предприятий;
ведомости покупных изделий, спецификаций, ссылочных до- жументов для организации производства;
технические описания, инструкции по эксплуатации, габарит- гнне чертежи, монтажные чертежи, чертежи общих видов и т. д. Для монтажа, эксплуатации и ремонта машины (аппарата);
технические условия для поставки потребителю и приемки им машины (аппарата).
При определении комплектности конструкторских документов основными являются: для деталей —чертеж деталей, для сборочных единиц, комплексов и комплектов ——спецификация. Чертежи деталей и сборочных единиц являются основными документами, по которым изготовляются и собираются составные ^асти изделия и к оформлению которых предъявляется, ряд важных требований.
Рассмотрим некоторые конструкторские документы графической части проекта изделия.
Рабочий чертеж детали представляет собой ее графическое изображение, выполненное в таком количестве проекций, видов, разрезов и сечений, которое обеспечивает полное представление в конструкции всех ее элементов.
Чертеж сборЬчной единицы — является производственным техническим документом, на основании данных которого осуществляются полная сборка и необходимая регулировка этой -единицы. '
Чертеж сборочной единицы должен быть выполнен в таком количестве проекций, разрезов, видов и сечений, чтобы устройство сборочной единицы и конструкция каждой его детали, а также координация и взаимодействие деталей были совершенно ясны.
Чертеж общего вида изделия изображает изделие в состоянии окончательной готовности.
При проектировании машин (аппаратов) расчеты являются важным инженерным инструментом, позволяющим находить необходимые параметры машин (аппаратов) и их элементов (сборочных единиц), определяющие их работоспособность и качество обработки изделий в зависимости от ряда других параметров конструкции.
Расчеты производят на основе предварительно составленной расчетной (принципиальной) схемы, соответствующей проектируемому объекту и оформляют в расчетно-пояснительной записке.
Расчетно-пояснительн а я записка является одним: из основных конструкторских документов, в котором отражается обоснование принимаемых технических решений.
Технические решения осуществляются на основе принципиальных решений, которые завершаются разработкой соответствующей схемы.
Схема ——принцитгиальное изображение символами отдельных элементов и связей между ними. Схемы отражают основной принцип построения работы или действия разрабатываемой конструкции (объекта). Правильно спроектированная схема имеет большое значение для разрабатываемой конструкции.
Схемы в составе конструкторской документации различаются по видам (электрическая, гидравлическая, пневматическая, кинематическая и комбинированная) и типам (структурная,, функциональная, принципиальная, соединений, подключения,.. общая, расположения, т. е. компоновки). Структурная схема определяет основные функциональные часта изделия, их назначение и взаимосвязи; функциональная ——необходима для разъ* яснения процессов в функциональных цепях или изделии в целом; принципиальная―определяет полный состав элементов изделия и связей между ними и дает, как правило, детальное* представление о принципах работы изделия. В схеме соединений даются соединения всех составных частей изделия проводами, жгутами, кабелями, трубопроводами и т. п. В схеме подключений даются сведения о внешних подключениях изделия.
Общая схема определяет составные части комплекса и соединения их на месте эксплуатации. Схема расположения устанавливает относительное расположение составных частей изделия^ а также (при необходимости) расположение соединений.
Схемы выполняют без соблюдения масштаба, однако размеры однотипных изображений элементов на одной схеме должны быть одинаковы, а их взаимное расположение должно1 при|ближен'но соответствовать реальному расположению, что существенно упрощает задачи компоновки реальных механических, гидравлических, электрических, пневматических и тому подобных элементов.
К схемам предъявляются требования прежде всего правильности отображения принципа построения или принципа действия конструкции, а также наглядности, четкости и удобства для прослеживания на схемах механических, гидравлических, пневматических, электрических или иных целей, посредством которых передается движение, энергия или информация и обусловливается взаимодействие между отдельными элементами и принцип действия машины в целом.
Глава HI—
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ПУТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА РАЗРАБАТЫВАЕМОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА КОНСТРУКЦИЙ
Техническая целесообразность проектирования кон- •струкций оборудования определяется рядом технико-экономических показателей, относящихся к определенной группе' качественных характеристик.
Все характеристики качественной оценки конструкций можно разбить на три группы.
Характеристики первой группы призваны оценить кон- -струкцию как объект эксплуатации. К ним относятся следующие основные показатели: производительность, степень автоматизации и непрерывность осуществляемого технологического процесса, мощность, коэффициент полезного действия, габаритные размеры, надежность и долговечность, удобство обслуживания и простота переналадки, эстетическое оформление и Др.
Характеристики второй группы оценивают конструкцию как объект производства <—это общая трудоемкость (в нор- мо-q), масса, материалоемкость, технологичность и конструктивная преемственность, стоимость (отпускная цена).
Характеристики третьей группы определяют степень экономической целесообразности производства и использования машины или аппарата, а также эффективность капитальных затрат, связанных с их приобретением и установкой.
Экономическая целесообразность производства и использования машины (аппарата) определяется экономическим эффектом за счет снижения себестоимости продукции вследствие улучшения соответствующих технико-экономических показателей.-
Эффективность капитальных затрат определяется обоснованным выбором наилучшего варианта конструкции.
Следовательно, уровень качества изделия U является функцией его характеристик по соответствующим показателям： х, у, z,…，w, так что можно записать:
U=f (招协2，5),
Качественные показатели изделия на стадии проектирования существуют в форме возможной их реализации. Рассмотрим некоторые из основных технико-экономических показателей проектируемого оборудования.
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, МОЩНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ И КПД МАШИН (АППАРАТОВ)
Важнейшим показателем оборудования является ег© производительность. Производительность машины (а п п а р а т а) определяется количеством готовой продукции^ выдаваемой ею в единицу времени, т. е. м3/ч, л/с, м/мин, кг/чг 1/ч.,
Рассмотрим основные положения теории производительности оборудования, разработанной пр оф. Г. А. Шаумяном [22].
При работе технологической машины (аппарата) длительность ее цикла 丁口 складывается из рабочих ходов тр, связанных с процессом обработки, и холостых (вспомогательных) ходои tx, необходимых для полного осуществления цикла (загрузка и съем обрабатываемого изделия, перемещение его с позиции на позицию, подвод и отвод рабочих органов и т. д.).
Зная длительность (период) цикла 丁口, можно легко о пр еде- лить частоту повторения рабочего цикла 7р, т. е. цикловую производительность машины, равную количеству циклов, которые машина может выполнить в единицу времени.
Qu=l/Tu=l/Tp=l(Tp+G(3.1)
Пример. Определить цикловую Произволительнсть швейной машины для обметывания краев, если известно время технологических переходов: пуск машины Т]； обметывание кромок — г2； наложение закрепок — Тз； прорубание петли —т4; обрезка нити — т5； удаление изделия у.
Цикловая производительность машины, шт./с
Qa = 1/(勺 + ^2 + Тз + ”5 + «)*
Примечание. Время технологического перехода т4 не учитывается^ так как петля прорубается в период ее обметывания.
Идеальную (теоретическую) /производительность (при отсутствии холостых ходов) определяют по формуле
QH=1/Tp.
Коэффициент производительности К〃 представляет собой соотношение:
Кп = Qu/Qh = Тр/(Тр + Рх丿•
С учетом коэффициента Кц цикловая производительность
Qu=KhQ(3.2)
Величина Кп характеризует степень непрерывности рабочего процесса, а следовательно, и степень совершенства машины. Примером холостых ходов может служить открывание и закрывание гладильного пресса, разгон и торможение центрифуги, включение и выключение привода швейной машины.
Время холостых ходов может быть уменьшено путем применения непрерывных процессов, автоматизированного выполнения вспомогательных переходов технологической операции, усо- вер шенствов ан и я конструкций исполнительных механизмов, сокращающих время холостого хода. Эффективным путем снижения времени холостых ходов является рациональная компоновка технограммы и циклограммы машины, совмещение вспомогательных переходов с рабочими, а также фаз холостых ходов с рабочими.
Время обработки тр может быть уменьшено с помощью новых прогрессивных методов обработки, новых высокопроизводительных режимов, уменьшения трудоемкости обработки изделия.
Большое влияние на снижение времени тр оказывают факторы режима работы, позволяющие ускорить технологический процесс, а следовательно, и повысить производительность, что вытекает из анализа формулы кинетики процесса обработки. Следовательно, производительность можно представить в следующей кинетической зависимости процесса обработки
Qh^Kc.uA,
тде Кс.п — коэффициент скорости процесса обработки; А — движущая сила процесса, обусловливающая скорость протекания процесса и определяющаяся, например, разностью давлений, температур сред, участвующих в процессе.
К основным факторам режима обработки, способствующим сокращению времени обработки, относятся:
повышение скорости воздействия рабочих органов и устройств (частоты вращения, скорости резания, скорости сушки И т. д.) ； ~
увеличение глубины резания, скорости подачи;
ускорение процессов обработки вследствие применения физико-химических, электрических и других воздействий；
применение метода параллельной обработки.
Из уравнения производительности (3.1) следует, что выпуск продукции машиной не пропорционален уменьшению рабочего времени. Для идеальной машины, где тх=0, график произво， дительности представляется линейной зависимостью. Цикловая :же производи! ельность интенсивно растет лишь до определенного предела изменения тр (или частоты вращения главного вала) .Это значит, что повышать производительность машины путем увеличения скорости ее работы можно лишь в определенных пределах, после чего повышение скорости эффекта не дает. Повысить производительность в данном случае можно уменьшением времени внутр1иц;икловых потерь, т. е. времени холостых ходов.
Вообще же, стремясь повысить производительность, нужно одновременно с уменьшением времени тр уменьшать время тх за счет внедрения новой техники, автоматизации и механизации 26
процессов, улучшения условий труда и организации производ
ства.Фактическую формулества.Фактическую формулепроизводительность машиныСф1^ 1/Тц:= l/(Tp+q + T3),производительность машиныСф1^ 1/Тц:= l/(Tp+q + T3),определяют поопределяют по(3.3)(3.3)
ства.
Фактическую формуле
ства.
Фактическую формуле
производительность машины
Сф1^ 1/Тц:= l/(Tp+q + T3),
производительность машины
Сф1^ 1/Тц:= l/(Tp+q + T3),
определяют по
определяют по
(3.3)
(3.3)
где Тц — время производственного цикла; тз—-время иа внецикловые затраты.
Отношение KhlQMQ^ называют коэффициентом технического использования машины, который показывает, в какой степени при работе используется запроектированная в машине производительность.
Уменьшить внецикловые потери можно также, механизировав и автоматизировав заправку и обслуживание машин и устранив простои путем повышения надежности и долговечности машин, применения передовых методов эксплуатации и ремонта машин.
При определении производительности машины следует учитывать также и некондиционность продукции, т. е. потери, обусловленные браком. Производительность с учетом брака определяют по формуле
Qkohx = (Q(t)— Qep) — Qg(I —*
где (1—Qsp/Q®) =Кк — коэффициент качества выпущенной продукции. Таким образом:
Qkoha^^ ^t.h^kQu*
Цикловую производительность аппарата периодического действия для партии изделий определяют по формуле
Ql1/Tp=1/&+%.b)，(3.4)
где Тр —время рабочего цикла; т3.в ——время загрузки, выгрузки.
Если масса загружаемой партии т3 (кг) или объем партии (?з (м3), то цикловая производительность Q^ (кг/с; м3/с) равна
Qn=皿貝口 = т/Тр,(3.5)
или
Qu=qQu=©3/7 р.(3.6}
Теоретическую (идеальную) производительность аппарата непрерывного действия (трубчатые и другие теплообменники, фильтры и г. д.) определяют по формуле
Qh = U/s,(3.7)
где V — объем обработанного материала за время работы аппарата тр.
Из формулы (3.7) следует, что аппараты непрерывного действия являются наиболее совершенными, так как имеют наименьшую длительность рабочего цикла Тр=%р・
Рассмотренные выше пути повышения производительности для машин относятся также и для аппаратов с учетом формулы (3.4).
Мощность электродвигателя характеризуется общей установленной мощностью электродвигателей или других источников энергии. Ее рассчитывают на максимальное потребление энергии машиной, аппаратом.
Потребляемая мощность может быть меньше установленной вследствие разных затрат энергии в переходных и установившихся процессах работы оборудования.
Установленная мощность электродвигателя учитывает также компенсацию потерь ее, которая не используется в технологическом процессе вследствие наличия вредных сопротивлений и потерь энергии в окружающую среду. С точки зрения народного хозяйства установленная мощность должна максимально соответствовать потребляемой мощности в технологическом процессе, а эта мощность в свою очередь должна быть минимальной, т. е. сам технологический процесс должен быть предельно совершенным.
Под коэффициентом полезного действия (КПД) технологической машины (аппарата) понимают отношение полезной работы (полезно затраченной энергии) ко всей затраченной работе (энергии). Следовательно, коэффициент полезного действия характеризует величину потерь и величину полезно затраченной энергии и в этом смысле является одним из критериев определения степени совершенства машины (ап- парата).
УНИВЕРСАЛЬНОСТЬ И СТЕПЕНЬ АВТОМАТИЗАЦИИ МАШИН (АППАРАТОВ)
Универсальность технологического оборудования в значительной мере определяет технологические возможности н целесообразность его использования при изменяющихся условиях производства или в условиях различного количества видов обрабатываемых изделий.
Универсальность характеризуется диапазоном обрабатываемых изделий и переналаживаемостью; это важный показатель оборудования общего назначения, используемого в условиях мелкосерийного производства на предприятиях бытового обслуживания.
Специальное оборудование применяют для обработки одного определенного изделия, а также нескольких однотипных изделий.
Специализированное оборудование занимает промежуточное положение между оборудованием общего назначения и специальным оборудованием.
Оборудование, компонуемое из стандартных и нормализован-
нмх элементов, а также системы программного управления его. работой позволяют повысить степень универсальности и «гиб- кости》.
Для каждых конкретных условий производства целесообразно использовать оборудование с оптимальным уровнем универсальности и переналаживаемости.
Степень автоматизации определяет, в какой мере изделие обрабатывается на машине автоматически, без участия рабочего и обслуживающего персонала. Оценка степени автоматизации может быть осуществлена на основе отношения суммарного времени автоматических операций из z, равного £ 弋авт ко всему времени обработки изделия на машине (в аппарате) 7T
т авт/7Т■
■ 1
Комплексность автоматизации обработки изделия оценивают с учетом того, что под временем Тт подразумевают весь цикл нахождения изделия в обработке (время технологического цик- ла), а под £% —сумму времени всех автоматических опера- ций, включая все операции обработки, манипулирования и контроля,
В условиях мелкосерийного производства высокая степень автоматизации возможна при использовании многооперационно- ю оборудования с автоматизацией управления контроля, переналадки. и других вспомогательных операций.
Степень автоматизации зависит от способа организации технологического процесса обработки на оборудовании (периодического или непрерывного действия).
Непрерывные процессы дают возможность . не только повысить производительность оборудования, но и упростить автоматическое регулирование, повысить степень автоматизации и качество обработки.
В мелкосерийном производстве с разнообразным ассортиментом обрабатываемых изделий применение периодических процессов и оборудования оправдывается тем, что оно позволяет достичь большой гибкости в использовании оборудования при меньших капитальных затратах на сравнительно сложное оборудование непрерывного принципа действия.
§ 4. НАДЕЖНОСТЬ МАШИН (АППАРАТОВ)
Перед конструкторами и технологами стоит задача——обеспечить в производственных условиях безотказную работу проектируемых и изготовленных машин и аппаратов на
.протяжении заданного времени, т. е. обеспечить надежность работы проектируемых объектов.
Неисправная работа и выход из строя любого из составных элементов может привести к остановке объекта, что влечет за собой потерю рабочего времени, затраты на запасные части, ремонтное оборудование, содержание технического персонала и" другие убытки.
Надежность — сложное свойство, заключающее в себе следующие частные свойства изделия:
безотказность^—работоспособность изделия в течение- некоторой наработки без вынужденных перерывов;
ремонтопригодность ——приспособленность изделия к предотвращению, обнаружению и устранению отказов и неис^ правностбй путем проведения технического обслуживания и ре- МОНТОВ；
сохраняемость-——свойство изделия сохранять обусловленные эксплуатационные показатели в течение срока хранения и транспортирования, установленного в технической документации, и после него;
、 долговечность'— работоспособность изделия до прёдель^ ного состояния с необходимыми перерывами для техн1ическог(> обслуж1ивания и ремонтов.
Надежность определяется конструктивными, технологическими и эксплуатационными факторами, причем на долю конструктивных факторов приходится около 50%.
Машины (аппараты) могут выйти из строя по многим причинам, зависящим от их конструкции, качества изготовления и монтажа и условий эксплуатации..
При работе оборудования необратимые процессы ——изнашивание, усталость, коррозия, ползучесть—являются причиной выхода деталей из строя.
Надежность оборудования в целом обеспечивается прежде всего соблюдением со стороны конструктора ряда общих требований:-
рациональным выбором схемных решений;
рациональным выбором элементов, материалов и режимов их работы;
выбором оптимальных конструктивных решений;
учетом условий работы и опыта эксплуатации аналогичного изделия;
разработкой мер по удобству технического обслуживания и эксплуатации;
учетом возможностей оператора и требований эргономики.
В сфере производства надежность оборудования обеспечивается качеством изготовления и контроля продукции, управлением ходом технологического процесса, применением технологических методов повышения сроков службы изделия.:
От степени надежности оборудования зависит и количество случайных отказов в работе изделия. В зависимости от вида отказа (например, вследствие недостаточной прочности, износа и др.) и закономерностей, определяющих его появление, существуют различные законы распределения отказов как случайных величин (нормальный,- экспоненциальный, Вейбулла, гамма).
Безотказная работа и отказ ——явления противоположные, образующие полную группу случайных событий, поэтому сумма вероятностей Р(т) безотказной работы и отказа g(t) равна
尸⑴+g(t) = L
Величину P(t) получают из статистических данных наблюдений:
P{^[z — zQ^zQ.
где г一一число изделий, находящихся под наблюдением; го ——число отказавших деталей за время т.
Показатели надежности. Для оценки частных свойств надежности применяют соответствующие показатели, которые дают количественные выражения надежности (ее составляющих) объекта, например:
показатели безотказности вевосстанавливаемый объект
вероятность безотказной работы;
интенсивность отказов;
средняя наработка до отказа;
восстанавливаемый объект
вероятность безотказной работы;
параметр потока отказов;
средняя наработка на отказ.
Основной количественной характеристикой для отказа являются следующие величины:
интенсивность (п оток) отказо в
入(：) = 2{)/%рАк(3.8)
где Wcp — среднее число изделий, нормально работающих в интервале вре- люни Дт;
наработка на отказ
工 孔(3.9)
где ЕТм ——суммарное время работы машины; /г ——число отказов; Тг — продолжительность времени между соседними отказами.
Связь интенсивности отказов Z(t) с вероятностью безотказной работы выражается в виде экспоненциального закона
характеризующегося тем, что в условиях нормальной эксплуатации интенсивность отказов всех элементов постоянна (т. е. лг- = const).Типичная кривая зависимости вероятности (интенсивности) отказов от времени эксплуатации, характеризующая динамику эксплуатационной надежности изделия, приведена на рис. 2.Интервал времени от нуля до Тп называется периодом приработки. Он характеризуется повышенными значениями А(т). Отказы в этот период возникают главным образом в виде скрытых дефектов изделий из-за ошибок конструкторов, несовершенства производ- гтва, а также из-зд ошибок обслуживающего -персонала при освоении машины.Второй период (от g до 砲) соответствует нормальной эксплуатации, отказы в этот .пехарактеризующегося тем, что в условиях нормальной эксплуатации интенсивность отказов всех элементов постоянна (т. е. лг- = const).Типичная кривая зависимости вероятности (интенсивности) отказов от времени эксплуатации, характеризующая динамику эксплуатационной надежности изделия, приведена на рис. 2.Интервал времени от нуля до Тп называется периодом приработки. Он характеризуется повышенными значениями А(т). Отказы в этот период возникают главным образом в виде скрытых дефектов изделий из-за ошибок конструкторов, несовершенства производ- гтва, а также из-зд ошибок обслуживающего -персонала при освоении машины.Второй период (от g до 砲) соответствует нормальной эксплуатации, отказы в этот .пеОбкаткаОбкаткаНормальный, износНормальный, износЗероятность отказаПриработка qЗероятность отказаПриработка qНадежность (вероятность безотказной, работы)Надежность (вероятность безотказной, работы)Интенсивный износИнтенсивный износРис. 2. Типичная кривая зависимости вероятности отказов от времени эксплуатации оборудованияРис. 2. Типичная кривая зависимости вероятности отказов от времени эксплуатации оборудования
характеризующегося тем, что в условиях нормальной эксплуатации интенсивность отказов всех элементов постоянна (т. е. лг- = const).
Типичная кривая зависимости вероятности (интенсивности) отказов от времени эксплуатации, характеризующая динамику эксплуатационной надежности изделия, приведена на рис. 2.
Интервал времени от нуля до Тп называется периодом приработки. Он характеризуется повышенными значениями А(т). Отказы в этот период возникают главным образом в виде скрытых дефектов изделий из-за ошибок конструкторов, несовершенства производ- гтва, а также из-зд ошибок обслуживающего -персонала при освоении машины.
Второй период (от g до 砲) соответствует нормальной эксплуатации, отказы в этот .пе
характеризующегося тем, что в условиях нормальной эксплуатации интенсивность отказов всех элементов постоянна (т. е. лг- = const).
Типичная кривая зависимости вероятности (интенсивности) отказов от времени эксплуатации, характеризующая динамику эксплуатационной надежности изделия, приведена на рис. 2.
Интервал времени от нуля до Тп называется периодом приработки. Он характеризуется повышенными значениями А(т). Отказы в этот период возникают главным образом в виде скрытых дефектов изделий из-за ошибок конструкторов, несовершенства производ- гтва, а также из-зд ошибок обслуживающего -персонала при освоении машины.
Второй период (от g до 砲) соответствует нормальной эксплуатации, отказы в этот .пе
Обкатка
Обкатка
Нормальный, износ
Нормальный, износ
Зероятность отказа
Приработка q
Зероятность отказа
Приработка q
Надежность (вероятность безотказной, работы)
Надежность (вероятность безотказной, работы)
Интенсивный износ
Интенсивный износ
Рис. 2. Типичная кривая зависимости вероятности отказов от времени эксплуатации оборудования
Рис. 2. Типичная кривая зависимости вероятности отказов от времени эксплуатации оборудования
риод эксплуатации изделия носят случайный внезапный характер.
Для этого периода А(т)=А и「(，) = £—” а среднее время безотказной работы (наработка на отказ)
(3・ 10)(3・ 10)
(3・ 10)
(3・ 10)
Вероятность безотказной работы
d(3.11) р(с)=е ср ,
т. е. описывается экспоненциальным законом.
Прогнозируемая вероятность безотказной работы для экспоненциального закона может быть определена по формуле
р(T,%)=6一入「。+Т)/6一入%=6-3(3.12)
где То — известное время работы системы без отказа; т — задаваемое время безотказной работы.
Пример. Изделие имеет ресурс 1000 ч и интенсивность отказов 九=0,1乂
XlO-з i/q (среднее время наработки на отказ Тср= 10000 ч).
Определить вероятность безотказной работы за первые 10 ч и за весь ресурс при экспоненциальном законе надежности.
Решение. Вероятность безотказной работы за первые 10 ч
Р(10)= е-0,1'10~3'10« 0,999.
Вероятность безотказной работы за весь ресурс
尸(1000) = 6一°」」厂3/2 = о д。.
В третий период (с момента времени Т2)интенсивность отказов язделий увел'ичивается вследствие износа, накопления усталостных повреждений, старения материалов.
Показатели долговечности. К ним относятся:
Невосстанавл1иваемый объект
средний срок службы;
средний срок службы до списания； гамма-процентный срок службы; назначенный ресурс и др.
Восстанавливаемый объект средний срок службы;,
средний срок службы до списания; гамма->процентный срок службы;
средний срок службы до среднего (капитального) ремонта и др.
Долговечность машины (аппарата) зависит от ряда факторов, основными из которых являются физические, моральные и технико-экономические.
Физическая долговечность машины (аппарата) регламентируется долговечностью базовых и других деталей, а также сборочных единиц, восстановление которых вследствие износа и старения вызывает значительные затраты труда и времени (например, остов, станина машины).
Главным последствием морального старения оборудования является снижение роста производительности труда на единицу рабочей силы, являющегося основным показателем экономического процесса.
Технико-экономическая долговечность оборудования определяется длительностью его работы до такого предельного состояния, когда дальнейшая эксплуатация оборудования становится неэффективной из-за общего его износа. “
Численным параметром, определяющим долговечность всей машины (аппарата), служит коэффициент долговечности Кд.м» который представляет отношение суммарного времени нормальной работы машины 2ТН.Р к суммарному времени работы (ресурсу) машины и времени простоев по причине ремонта
Ка.м = £7н.р/(£7н.р + £7р)・
Показатели ремонтопригодности. Ремонтопригодность машины (аппарата) выражает их свойство, заключающееся в ремонтной технологичности.
Показатели ремонтопригодности:
вероятность восстановления в заданное время;
среднее время восстановления；
коэффициент ремонтопригодности:
Кр=Х ЛЛХ Гн.р+Х 几)=1 -Кг，
где £Тв ——среднее время на восстановление; ХТн.р一время нормальной ра* боты; ^г ―： коэффициент готовности.'
2 Зак. № 26633
К комплексным показателям надежности ремонтируемых изделий, характеризующим безотказность и ремонтопригодность изделий, относятся: коэффициент готовности Н, коэффициент технического использования Кт.и и др.
Коэффициент готовности
Кг=Е7н.р/(£7н.р+£7)
Большое практическое значение для технологического оборудования имеет коэффициент технического использования Кт,н, учитывающий потери времени на плановые простои оборудования для проведения профилактических мероприятий технического обслуживания, предусмотренных подналадок, осмотров, планово-предупредительных ремонтов. Этот коэффициент характеризует степень нормальной работы конструкции, обусловленную ее надежностью. Поэтому коэффициент технического использования конструкции с учетом потерь, связанных только с отказа- .ми ее механизмов, называют коэффициентом надежности Кнад и определяют по формуле
Кна 尸 Ql/Qu=£ 7н.р/(2 Л.р+2Л+2^р)>
где Q$z — фактическая производительность оборудования с учетом потерь. Связанных только с отказами его механизмов; Q4 — цикловая производительность при абсолютной надежности всех сборочных единиц; 2ТВ+2ГР-- время простоев оборудования из-за отказов его механизмов; STP — время на ремонт оборудования.
Коэффициент технического использования 7<т.и, например, швейной машины, отражающий внецикловые затраты времени на регламентированные потери и отказы по п параметрам, оп- + ределяют по формуле,
” 1/(1+聿胃)，(3.13)
где Nt——частный коэффициент технического использования по параметру г.
В общем виде частный коэффициент технического использования швейной машины определяют по формуле
M=1/(WQh2M，(3. 14)
где Qr ——идеальная производительность (шт./с); ти.в ； — внецикловые потери времени i-го параметра (время на смену и регулировку игл, игловодителей, челноков, нитепритягнвателей); время иа профилактический ремонт и подналадку всех прочих сборочных единиц, механизмов и устройств; время на заправку машины нитками и пуговицами; время иа техническое обслуживание (чистка, уборка, смазка).
Если влияние технологических^факторов на теоретическую производительность машины учесть в виде размерного коэффициента 爲，отражающего время единицы длины строчки, то затраты времени на выполнение собственно рабочих операций составят
Cp=KtQh/^Кн.с 〃‘
где s—шаг стежка; Кн.с — коэффициент использования проектной скорости (для универсальных швейных машин Ки.с = 0,4——0,5); п — частота вращения главного вала.
При предварительных сопоставительных расчетах оборудования обпгий коэффициент технического использования приближенно определяют по формуле
■ 户+ (3.15)\Аорг Л над /
В последнем выражении частный коэффициент использования Корг характеризующий внецикловые потери времени из-за организационных причин, принимается по аналогии с существующими типами оборудования, по данным испытания опытных образцов машин и т. п. Коэффициент надежности /СНад находят по уравнениям
где 九$ ——интенсивность (поток) отказов i-ro элемента; ^^ — количество однотипных элементов; k — количество типов элементов; тв/——среднее время восстановлеиия случайного отказа элемента; тн；——среднее время наработки на отказ t-го элемента.
Сущность расчета надежности сводится к определению основных показателей надежности машин (аппаратов) по известным показателям надежности их элементов. Соответствующие показатели ком пл ектующи х элементов берут из справочных данных или из результатов эксплуатации и специально планируемых экспериментов.
В качестве примера ниже приведены ориентировочные значения Zi потока отказов элементов машин и аппаратов [17] за 106 ч работы, т. е %-106 [23].
Основание литое (станина)
0,175
Корпус редуктора и т. п.
Муфтапредохр анительная
0,20
фрикционная
Муфта включения механиче
0,30
ская
Муфта включения электрочаг-
1,60
ннтная
0,60
Кулачок
0,02
Ось
Подшипник качения шарико
0,35
вый'
0,875
Элементы машинЭлементы машинМеханическиеМеханическиеЭлементы *машин
Элементы машин
Элементы машин
Механические
Механические
2 5 0 2 7 0 ю ю о 217 5289 7 352Q82 5 0 2 7 0 ю ю о 217 5289 7 352Q8Подшипник качения роликовый Подшипник скольжения Передача ременная Передача зубчатая
2 5 0 2 7 0 ю ю о 217 5289 7 352Q8
2 5 0 2 7 0 ю ю о 217 5289 7 352Q8
Уплотнение вращающихся деталей
Уплотнение скользящих деталей
Шарнирное соединение Пружина калиброванная Пружина простая, возвратная Вибрационный механизм
Пневматические
Электрические
Вентилятор
2,40
Электродвигатель
0,3&
Цилиндр пневматический
Регулятор расхода сжатого
0,004
Реле электромагнитное общего назначении
0,25
воздуха
6,2
Элемент нагревательный
0,02
Гидравлические
Соленоид
0,05
Г идродвигатель
4,30
Контактор
0,25
Гидронасос
Цилиндр гидравлический
14,0
0,008
Пускатель
10,0
Шланг
0 025
Счетчик электрический
5,77
Клапан гидравлический
5,0
Трансформатор силовой
2,08
Резервуар малый высокого
Переключатель кнопочный
3,06
давления
Регулятор расхода или давле
0,14
Переключатель поворотный
0,17
ния жидкости
5,10
Элементы машин.
Элементы машин
Для расчета безотказности объект необходимо представить в виде расчетной схемы. Независимо от сложности объекта и реальных связей комплектующих его элементов расчетная схема может быть представлена в виде последовательного соединения тех же элементов. Такая схема оценивает роль каждого элемента в потере работоспособности объектом.
Существуют разные методы расчета надежности. Рассмотрим наиболее распространенные из них: расчет по интенсивности отказов и коэффициентный метод.
Расчет по интенсивности отказов проводят в определенной последовательности:
согласно принцип(иальной схеме и спецификации на нее все элементы объекта разбивают на группы, имеющие приблизительно одинаковые интенсивности Отказов. Подсчитывают количество элементов в каждой группе М;
для используемых элементов по справочным данным находят максимальные и минимальные значения интенсивности отказов -入f и а ;
*max ^mm7
определяют максимальные и минимальные групповые интенсивности отказов N、 и N& [^i определяют по формуле (3-14)]; 期 з
определяют общую интенсивность отказов из выражения
Р (т) = ^—Хт =Р (т) = ^—Хт =(3. 17)
Р (т) = ^—Хт =
Р (т) = ^—Хт =
%= 1/入；А = Е*『入 i；
используя выражение (3.17), определяют вероятность безотказной работы и среднее время наработки до отказа (расчет ведется для значений 入и ^mm)-
Коэффициентный метод предусматривает наличие достаточно полных данных о коэффициентах надежности применяемых элементов.
Коэффициент надежности представляют в виде отношения интенсивности отказов элементов i-й группы 九夕 при данных условиях эксплуатации к интенсивности отказов некоторого основного элемента (Хо), количественные характеристики которого в достаточно близких условиях эксплуатации достоверно извест^ ны, т. е.
тг=^гАо.
Используя это выражение, можно записать
入=%£М® (3.18)
Для механизмов проектируемого оборудования находят наивыгоднейшее соотношение между вероятностью отказа g (т) и средним временем* восстановления одного отказа ^., исполь， зуя при этом соотношения
%产р=7凸；〃i/Zp=g(t), (3. 19)
где тп. —среднее время простоя t-го механизма; гР——число рабочих циклов оборудования, соответствующее тПр тв ^—время восстановления t-го элементу; Wj — число отказов iro элемента.
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ конструкции И СТОИМОСТЬ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Основным и принципиально важным направлением в снижении стоимости машины (аппарата) является технологичность конструкции.
Технологичной называется конструкция, которая может быть изготовлена с наименьшей затратой живого и овеществленного труда при условии освоения ее производства в минимальное время.
Технологичность конструкции зависит и от степени соответствия ее технологическим возможностям производства, степени использования стандартаых, нормализованных и унифицирован^ ных деталей и сборочных единиц. '
Под' стандартизацией понимается обобщение конструктивных решений, зафиксированных в государственных стандартах.
Нормализация ——обобщение конструктивных решений в виде внутризаводских и ведомственных нормалей.
Унификация ——обобщение конструктивных решений без оформления специальной документации.
Все мероприятия конструктивной унификации (унификация
сборочных единиц, стандартизация и нормализация деталей, требования Государственных стандартов) позволяют для различного типа, размера и рода машин (аппаратов) использовать аналогичные элементы конструкции, а следовательно, изготовлять их в больших количествах, что, естественно, приводит к их удешевлению, так как позволяет изготовлять их в специальных приспособлениях, на специальных станках и использовать труд невысокой квалификации.
Конструктивная унификация возможна на базе создания конструктивных рядов, основанных на базовых машинах, аппаратах. Каждый конструктивный ряд имеет в своей основе базовую модель. Во всех остальных конструкциях используются детали и сборочные единицы этой базовой конструкции.
Конструктивная унификация позволяет применять типовое проектирование, что обеспечивает^сдачу в производство чертежей только хорошо отработанных/
Очень важной для качественной оценки конструкций является группа показателей, обычно называемых «показателями технологичности конструкций». К ним относятся: коэффициент конструктивной преемственное™ деталей, характеризуемый отношением количества деталей, заимствованных из ранее освоенных заводом конструкций, к общему числу деталей в проектируемом объекте и коэффициент конструктивной повторяемости, устанавливающий степень использования в конструкции повторяемых (унифицированных) сборочных единиц и нормализованных деталей. Этот показатель определяется отношением числа унифицированных и нормализованных деталей к общему числу деталей в объекте.
Очень важным являются массовые показатели конструкций и прежде всего общая материалоемкость объекта, показывающая массу Необходимых на его изготовление материалов и определяемая сложением масс образующих ее деталей. Структурную материалоемкость устанавливают по отдельным сортам и макетам материалов.
Технологичность конструкций во многом зависит от простоты кинематической схемы машины, общей компоновки объекта, позволяющей свести к минимуму число образующих объект деталей.
Одним из важнейших показателей качественной оценки объекта является его стоимость (отпускная цена), определяемая по формуле
&=〃+〃+3u+Qc.c+Xp+〃，
где М — стоимость материала; Д ——стоимость покупных деталей и изделий; Зи — заработная плата (основная и дополнительная) основных производственных рабочих; Qc.c — отчисления на социальное страхование (определяется процентным соотношением от основной и дополнительной зарплаты Зп); "р — накладные цеховые и общезаводские расходы (определяются про- 38
центным отношением к основной заработной плате производственных рабочих); П — прибыль.
При определении стоимости машины (аппарата) на стадии проектирования, когда еще не разработана технология и нет многих данных для расчета, прибегают к укрупненным методам расчета
&=Км%&,
где ^м — коэффициенты массы машины, т/кВт; N — мощность привода, кВт; & — стоимость одной тонны массы аналогичных машин, руб.; ^м^=т — масса машины, т.
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЕКТИРУЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ
К основным путям повышения экономической эффективности проектируемого оборудования относятся:
снижение удельных капитальных затрат за счет сокращения собственно капитальных затрат на проектируемое оборудование и повышение его производительности;、
определение целесообразной производительности оборудования в соответствии с его стоимостью;
сокращение количества обслуживающего и ремонтного персонала;
увеличение выхода годовой продукции;
снижение энергетических расходов на единицу продукции；
сокращение прочих расходов при эксплуатации оборудования в результате повышения надежности и работоспособности, снижения расходов на содержание и ремонт оборудования.
Экономическую эффективность производства и использования машин (аппаратов) определяют -сравнением основных показателей проектируемого варианта с исходным.
Наиболее экономичный вариант сравнивают с действующими новейшими конструкциями машин и аппаратов подобного назначения.
Сравнительный расчет экономической эффективности проводят по следующим основным показателям.
Годовой экономический эффект от внедрения новой техники、
Э- (81一殳)％,
где В】и В? — приведенные затраты на единицу продукции до и после внедрения; Л2——годовой объем производимой продукции после внедрения новой техники в натуральных единицах.\
Приведенные затраты определяют по формуле
3=「+£/,
где Г ——себестоимость единицы продукции; £н——нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (Ен = 0,15);左一удельные капитальные
вложения.
Срок окупаемости капитальных влОжен-ий, планируемых на внедрение новой техники и дополнительных капитальных вложений,
7=局//7; 7,=Ад0Н/Д/7 (при 局＞自)，
где Т и Т‘一сроки окупаемости планируемых и дополнительных капитальных вложений, лет; П и А77 ——планируемая и дополнительная прибыль от реализации годового объема новой техники на планируемый год производства, руб.;左I,在2 и feHon ——соответственно капигальиые вложения в базовую и новую технику и дополнительные капитальные вложения, руб.
Таиим образом, технико-экономический анализ позволяет сделать вывод ?—удовлетворяет или не удовлетворяет проектируемая техника требованиям наиболее рационального и экономного использования общественного труда.
Глава IV
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИННЫХ И АППАРАТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПРОЕКТИРУЕМОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Основной задачей проектирования технологического процесса является разработка наиболее экономичного осуществления данного процесса, отвечающего техническим требованиям на обработку объекта.
Проектирование технологического процесса содержит взаимосвязанные и выполняемые в определенной последовательности этапы. К ним относятся: ознакомление с функциональным на- значением обрабатываемого объекта; изучение и критический анализ технологического и технического заданий, на проектирование машины, аппарата; изыскание способа обработки на основе адекватных способов обработки; выбор оптимального варианта способа и принципиальной схемы рабочих органов (устройств) ;отработка и выбор режимов, определяющих качество обработки и производительность машины (аппарата) ； расчленение технологической операции на элементы с составлением плана обработки; разработка метода выполнения операции с составлением технограммы； разработка функциональной схемы регулирования технологического процесса; разработка технологической схемы и карты машины (аппарата), выбор основных технических характеристик проектируемого оборудования.
Технологический процесс производственной обработки объектов обычно выполняется пооперационно на определенном рабо-
чем месте. Операции могут быть машинными, аппаратными и ручными. Маш-инные и аппаратные технологические процессы осуществляют последовательное изменение отдельных . свойств обрабатываемых объектов на операциях, основанных на различных по своей сущности превращениях, например на процессах резания, сушки, теплообмена и т. д. С точки зрения организационной структуры технологические операции расчленяются на отдельные их элементы (переходы, ходы, установы).
Развитие технологических процессов с точки зрения повышения производительности обработки в настоящее время осуществляется в трех основных направлениях:
концентрация операций и их элементов;
переход к непрерывным процессам；
интенсификация (ускорение) выполнения операций и их элементов.
Концентрация опер аций (переходов) достигается путем совмещения их выполнения во времени. При этом многостадийные процессы превращаются в малостадийные, одностадийные. К таким операциям относятся операции, скомпонованные по методу параллельно-последовательной и параллельной обработки. При концентрации операций (переходов) сокращаются производственный цикл обработки, число единиц оборудования, производственные площади, численность производственных рабочих. ，
Проектирование операций по методу дифференциации (разделения) переходов преследует цель обеспечения большей гибкости производства при частой смене обрабатываемых изделий в условиях мелкосерийного и индивидуального производства.
С точки зрения организации и характера течения процесса во времени и пространстве технологические процессы делятся на непрерывные и периодические.
К непрерывным относятся процессы, в которых поступление объектов на обработку в машину (аппарат) и выпуск готовых изделий производятся одновременно и непрерывно (или систематически порциямй). Следовательно, непрерывный процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают одновременно, но разобщены в пространстве, т. е. осуществляются в разных частях машины (аппарата)——в месте загрузки и выгрузки. При непрерывных процессах повышается производительность, улучшаются условия механизации и автоматизации про- цесса за счет поточности; качество продукции при этом обычно улучшается. В качестве примера непрерывных процессов могут служить технологические процессы на следующих операциях:, обработка белья на сушильно-гладильном катке, двоение обувных материалов на двоильных машинах, отжим влага из изделий на машинах валкового типа, обеспыливание ковровых изде* лий на машинах проходного типа, непрерывная дистилляция загрязненных растворителей и др.
Периодический процесс характеризуется тем, что' все его стадии протекают в одном месте, но в разное время.
Примером периодических процессов могут служить: пооперационная обработка одежды в машинах химической чистки (мойка, отжим и сушка), обработка изделий на гладильных прессах, .стирка белья в стиральных машинах, обработка изделий в красильных барках и т. д.、
Исходными документами для разработки технологического процесса являются технологическое или техническое задание. Технологическое задание обычно разрабатывается для принци< пиально нового проектируемого технологического процесса.
Интенсивностью работы оборудования называется его производительность^ отнесенная к какой-либо величине, характеризующей рабочие размеры этого оборудования (ширина рабочего прохода, рабочий объем, рабочая поверхность теплообменного аппарата и т. п ).
Интенсификация работы оборудования достигается двумя путями: улучшением конструкций машин (аппаратов) и совершенствованием технологических процессов в машинах (аппаратах) данного вида. При этом предусматривается обеспечение максимальной Скорости процесса.
Технологические процессы в машинах (аппаратах) данного вида могут совершенствоваться благодаря применению более эффективных режимов обработки, неиспользовавшихся ранее видов и способов передачи энергии для процесса.
ВЫБОР СПОСОБА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ МАШИНЫ (АППАРАТА)
Одним из решающих факторов, определяющих эффективность проектируемой машины (аппарата) в производстве, является применяемый способ обработки изделия.
Основу способа технологической обработки определяет физическая сущность процесса взаимодействия рабочих органов (устройств) машины (аппарата) с обрабатываемым материалом.
Технологические процессы обработки характеризуются своими физическими закономерностями, которые свойственны каждой группе технологических процессов. Основные группы процессов следующие:
механические, описываемые в основном законами механики твердых деформируемых тел. К этой группе относятся процессы механического взаимодействия обрабатываемых материалов с рабочими органами машин;—
гидравлические, описываемые законами гидромеханики. Это обработка изделий в жидкой и газовой средах, перемещение жидкостей и газов через трубопроводы и аппараты,
разделение жидких и газовых неоднородных систем, перемешивание материалов и др.;
тепловые, описываемые законами теплообмена и включающие теплопередачу (теплоотдачу, теплопроводность и излучение), нагревание, охлаждение и конденсацию.
диффузионные. (|Массообменные), описываемые законами массообмена и включающие перегонку жидкостей, сушку материалов, сорбционные процессы;
ф и з и ко-хи м и ч еск и е, описываемые законами физико-химических взаимодействий. К этим процессам относятся: склеивание, вулканизация, мойка одежды в среде органических растворителей, крашение материалов, водоумягчение и др.
Способ обработки выбирают с учетом и на основе изучения закономерностей процессов, в частности кинетических.
Кинетические закономерности технологических процессов определяют скорость их протекания и могут быть сформул'иро- ваны в общем виде так: скорость протекания процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению. Величина, обратная сопротивлению, представ- ляет собой коэффициент скорости.
Кинетические закономерности для некоторых групп процессов следующие:
для передачи тепла в тепловых процессах dQ/Sdc=A〃Rt*c=К А厶
где dQ — приращение количества переданного тепла; S — поверхность теплопередачи; 2т — промежуток времени теплопередачи; At — движущая сила процесса — разность температур сред, участвующих в теплообмене; Rt.g — сумма термических сопротивлений; К — коэффициент теплопередачи;
для переноса вещества в массообменных или диффузионных процессах、
dM[SdF=Ac ]Rm=К
где dM — приращение количества перенесенной массы вещества; S — поверхность контакта масс; Ас — движущая сила процесса — разность концентраций переносимого компонента в средах; Rm — сопротивление массопередачи： Км — коэффициент массопередачи;
для движения потока жидкости (газа) при гидромеханических процессах через фильтрующую перегородку
dVlSdx=^plR^=K^P,
где dV — приращение количества жидкости, прошедшее через поверхность (сечение) за промежуток времени d* Др ~ движущая сила процесса — разность давлений по обе стороны поверхности перегородки;火承一сопротивление движению жидкости; Кж ——коэффициент скорости процесса.
Для механических процессов, характеризующихся, например, вращательным движением рабочих органов, кинетическое урав-
нение движения в соответствии со вторым законом Ньютона описывается следующим образом:
ИЛИИЛИ(Ml.HB— Mi.c)
ИЛИ
ИЛИ
где d(o — приращение угловой скорости; /п ——приведений момент инерции массы (7П== const); АМц=(Мц,дв—Мп.с)—движущая сила процесса — разность привёденных моментов соответственно движущего и сопротивлений.
Скорость процесса центробежного отжима влаги из ткани : характеризуется уравнением. 二！
adm=Pu — Pc*j
где a — ускорение движения жидкости в поле центробежных сил; d從一при- | ращение количества удаленной жидкости из ткани; Рц и Рс ——силы центробежная и сопротивления материала ткани при движении жидкости.j
Исследование кинетики процесса позволяет определить факторы, вл-ияющие на скорость протекания процесса, и дать ука- | зания для управления процессом с целью изыскания oптимaль-， ных условий его проведения н интенсификации, получения мак- 1 симально возможного технологического и экономического эффек- | та, определения рабочих размеров исполнительных органов. Чтобы запроектировать оптимальный технологический процесс, j необходимо глубоко (теоретически и экспериментально) изу- | чить свойства и поведение материалов по отношению к факто- j рам процесса, принципиальное построение исполнительных op- 1 ганов.j
При изучении поведения обрабатываемых материалов опре- 1 деляют рациональные режимы обработки (скорость, давление, j температуру рабочих органов и т.亢).Расход материалов, энер- 1 гии и мощность энергетических средств определяют с помощью ! основных законов физики и механики.1
При исследовании процессов используют кибернетические 1 методы их познания через модели, позволяющие отыскивать I оптимальные режимы проведения процессов и условия управле- 1 ния ими. О сущности моделирования процессов изложено в гл. 1 X, § 4.I
Основными материалами обрабатываемых объектов в хим- | чистке, прачечном, швейном, обувном и других производствах I являются полимерные материалы типа текстильных, кожевен- | ных, заменителей кожи, пластиков и др.1
У полимеров при постоянном напряжении по (то7) одновре- ] менно возникают деформации трех видов: мгновенно упругая 1 (ем.у — растяжение и ум.у — сдвиг), высокоэластическая (еэ и I Уз) и пластическая (еПл и 丫口叮),в то время как у металлов -в | пределах закона пропорциональности имеется только упругая I деформация.1
44I
Изменение во времени относительной деформации растяже-^ яия у полимерного материала прн действии напряжения а0. и после снятия его показано на рис. 3.
В зависимости от температуры полимерные материалы (рис. 4) могут находиться в стеклообразном (/), высокоэластическом (〃)и вязкотекучем (III) состоянии.
『卜42§关叁『卜42§关叁66互互ссоо少%/少%/Время действиянапр^ени^ б。Время действиянапр^ени^ б。Рис. 4. Термомеханическая кривая полимерного материала:Рис. 4. Термомеханическая кривая полимерного материала:Рис. 3. График изменения во времени относительной деформации для растяжения полимерного материала при действии постоянного напряжения и после его снятия (I — область напряжения, II ——область снятия напряжения)Рис. 3. График изменения во времени относительной деформации для растяжения полимерного материала при действии постоянного напряжения и после его снятия (I — область напряжения, II ——область снятия напряжения)Тс — температура стеклования； 7『— температура текучестиТс — температура стеклования； 7『— температура текучести
『卜4
2§关叁
『卜4
2§关叁
6
6
互
互
с
с
о
о
少%/
少%/
Время действиянапр^ени^ б。
Время действиянапр^ени^ б。
Рис. 4. Термомеханическая кривая полимерного материала:
Рис. 4. Термомеханическая кривая полимерного материала:
Рис. 3. График изменения во времени относительной деформации для растяжения полимерного материала при действии постоянного напряжения и после его снятия (I — область напряжения, II ——область снятия напряжения)
Рис. 3. График изменения во времени относительной деформации для растяжения полимерного материала при действии постоянного напряжения и после его снятия (I — область напряжения, II ——область снятия напряжения)
Тс — температура стеклования； 7『— температура текучести
Тс — температура стеклования； 7『— температура текучести
Способность гашения механической энергии полимерными материалами характеризуется гистерезисными явлениями, связанными с невозвратимой работой, равной площади фигуры ACDE (рис. 5) при разгрузке материалов, идущей на сообщение внутренней энергии материалу.
Следовательно, изучение физической сущности процесса обработки полимерного материала весьма важно, так как дает возможность качественно и количественно определить технологические усилия скорости, давления, температуры и т. п., вн之 брать оптимальные формы рабочих органов и их материалы и т. д.
Чтобы получить, например, представление о технологическом лроцессе, рассмотрим взаимодействие между обрабатывающим инструментом (рабочим органом резальных машин ——ножом) и обрабатываемым материалом (обвектбм). Продесс резания полимерных материалов может совершаться только при следующих условиях: если инструмент выполнен в виде клина из материала более прочного, чем обрабатываемый материал; если
между инструментом и о бр а б атыв аем ы м материалом имеется относительное движение; если сила резания направленаТпо острию клина, т. е. лежит в заданной плоскости резания режущим инструментом, параметры которого определяют силовое взаимодействие и степень концентрации распределенных сил в зоне резания, обусловливающих процесс ориентированного разрушения материала.
Физическая сущность аппаратного процесса, например искусственного охлаждения, схематически представляется в следующем виде: за счет работы А (рис. 6) внешних сил газ (ра-
Удлинение
с'
Рис. 6. Принципиальная схема про цесса охлаждения
Рис* 5. Кривая гистерезиса тяжении резины
при рас-
bbqee тело, хладагент) при расширении отаимает от холодного тела с температурой Т^. количество теплоты Q2 и передает горячему телу с температурой Л количество теплоты Qi. Процесс осуществляется в соответствии с энергетическим балансом
A+Qz^Qi или j4+ (1 — n)QiQi,
где rj ——КПД при осуществлении процесса.
Получение холода осуществляется по циклу, в котором процесс отнятия тепла от холодного тела сопровождается периодическим компенсирующим подводом энергии (например, за счет работы А сжатия газа в компрессоре).
При выборе оптимального варианта способа обработки следует учитывать направление развития технологии, роль новой прогрессивной технологии, основанной на процессах вакуума, новых принципов охл аж дени я, токов высокой частоты, лазерной обработки, магнитного поля, электрогидравлического эффекта^ ультразвука, вибрационной обработки и т. д.
При экономической оценке выбранного варианта технологического процесса важным критерием оптимизации является-себестоимость обработки, которая может、быть определена как сумма составляющих затрат (заработная плата производствен-* 46
ных рабочих; затраты на электроэнергию; затраты на амортй- зацнон^е отчисления оборудования； затраты, связанные с эксплуатацией технологической оснастки), отнесенных к одному изделию.
Технологическая себестоимость обработки по выбранному варианту должна быть меньше или равна себестоимости по сравниваемому варианту.
ВЫБОР МЕТОДА ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ.
Выбор и разработка метода выполнения технологической операции на машине (аппарате) определяется возможностью и целесообразностью осуществления концентрации (совмещения) или дифференциации (разобщения) выполнения технологических переходов (на однооперационной машине) или операций (на многооперационной, многопозиционной машине). Оптимальную степень концентрации или дифференциации устанавливают в зависимости от рациональной структуры переходов или операций, обеспечивающих наилучшие технико-экон омические показатели работы оборудования (прежде всего производительность) .Существующие методы выполнения цикличных технологических операций разделяются на последовательный, параллельный и параллельно-последовательный.
При последовательной обработке на примере работы швейной машины в соответствии с технограммой (рис. 7, а) фактическая производительность
Q产 1/{2[% + 0-1网+4 + 竭，(4.1):
где z, i ——количество одинаковых обрабатываемых участков и стежков (пе-
Рнс. 7. Тёхйограммы Обработки изделия:
•а — последовательно立；б ——параллельной; 8 — параллельно-последовательной
реходов); тр и т — время скрепления одним стежком и интервалов Х<еждУ : стежками; тп — время потерь./*
В соответствии с теорией линейных размерных цепей предельное отклонение Дп.о линейного размера замыкающего звена : в процессе обработки (из-за накопления ошибки в размере обработки на каждом переходе — стежке) при симметричном расположении отклонений 6f от номинального размера обработка ' равно
Ап.°=±1/丽■
Следовательно, возникающая при этом способе накогглешгауг ， технологическая ошибка не позволит точно увязать длину обра-， ботки изделия с требуемым числом оборотов главного вала ма- Y шины или с числом циклов обработки.
Таким образом, метод последовательной обработки характе-: ризуется малой производительностью, высокими режимами об*.」 работки с целью повышения производительности, понижением точности обработки и вследствие этого затруднением автоматиза- ? ции подачи изделия.- •
По сравнению с параллельной и параллельно-последователь-； ной обработкой последовательная связана с большим количеством применяемых рабочих органов.
Технограмма параллельной обработки изделия^ 1 (например, на гладильном прессе при обработке за один прием) | приведена на рис. 7,6. Здесь у изделия обрабатываются одно- 1 временно а участков и каждые f-переходов выполняются парал- з лельно, т. е. также одновременно. При этом время рабочего цикла обработки будет равно；
где, Ттах — время выполнения наиболее длительного перехода； тв — вспомо- ] гательное время на установку н снятие изделия.]
Фактическую производительность определяют по формуле
Q(I)= 1/(tma笈+Тв + тп) ,(4・2》、
где тп — время внецикловых потерь.'
Отсюда можно сделать вывод, что по сравнетию с последо- j нательной обработкой при параллельной резко увеличивается J производительность. Несмотря на то что при одной и той же заданной производительности рабочая скорость машины (аппарата) прн этом способе обработки будет меньше, чем при последовательной обработке, цикловые и внецикловые потери времени тв и тп при прочих равных условиях будут иметь большую» долю в общей продолжительности обработки.^
Для повышения производительности оборудования при параллельном способе обработки необходимо либо совместить ма- 48、：
Шй1^ные и ручные переходы, чтобы они перекрывали друг друга, 施6о соответственно сократить время рабочего процесса (за счет формирования режимов обработки) или вспомогательное время (за счет механизации выполнения вспомогательных переходов) .
Создание гладильных прессов для совмещенной обработки двух разных деталей (манжет и воротничков сорочек), создание двух- и многоигольных швейных машин, а также швейных машин с совмещением скрепления и обрезки кромки изделия позволило решить эту задачу. ■ 1
Примером совмещения различных вспомогательных переходов за счет применения многопозиционных машин являются машины химической чистки, у которых переходы по загрузке и： выгрузке изделий для всех технологических операций осущест-^ вляются только один раз за время цикла обработки в машине.
Совмещение нескольких переходов (например, в машине длж срезания краев деталей обуви) резко сократило трудоемкость выполнения операций, значительно упростило автоматизацшо обработки и дало экономию дефицитных кожевенных материалов.
При параллельной обработке отпала необходимость транс- портировки изделий во время их Обработки, благодаря чему- отпала надобность и в сложных транспортирующих механизмах; все эго повышает надежность оборудования и упрощает его автоматизацию.
При параллельно-посл едовател ьной обработке например, на многоигольных швейных машинах (рис. 7,в),, время обработки одного изделия равно
2п・У L^n.n Х^п.п / J 〈 2ц.у /
где 2о.у ——количество одинаковых участков; 2п.у — число параллельно обра> батываемых участков изделий; i ——число переходов; Zn.n — число параллельно выполняемых переходов; тп — время выполнения перехода; т一время интервала между переходами; т0 — время, затрачиваемое на переход от обработки одного участка к другому.
Фактическая производительность машины при 乞口卫=1 будет равна
Q产 [^ 「 / 一(4 ③
Zo・y -~% - 一 1 田 + “(Zo.y— 1) 4-Te 4-Tn L*n.n \*n.II / J
При 2ц.у=1 и 2ibii=l производительность будет соответсгвонать- слособу последовательной обработки для z0.y участков с учетом времени т0; при 之口尸次尸 и 2nm=l будем иметь способ параллельной обработки.
Совмещение переходов или позиций, выполняемых одним рабочим органом при параллельной обработке, сокращает коли*
49》
чество рабочих органов, а следовательно, упрощает конструкцию машины, хотя и сопровождается в некоторых случаях увеличением стоимости рабочего органа из-за усложнения ； кон-z струкции, например, игла швейной машины прокалывает, материал, протаскивает нитку, участвует в п етл ео бр а зов ан йи и утяжке нитки; в рабочем барабана машины химической чистки осуществляется обработка мойки, отжима и сушки изделий.
При последовательном выполнении всех переходов одним
-универсальным рабочим органом требуются более сложная относительная траектория этого рабочего органа и механизма подачи изделия и увеличенное время обработки по сравнению с обработкой несколькими рабочими органами.
При параллельном выполнении переходов большой эффект в снижении числа исполнительных механизмов дает применение комбинированных рабочих органов, выполняющих однородные переходы (например, две иглы в двужгольной швейной машине, фасонный штамп-резак в вырубочных прессах, фасонный базовый вал двоильно-ленточной машины и машины для срезания кромки деталей верха обуви и др.).
При последовательной обработке увеливдвается количество одновременно работающих исполнительных органов, но для инструментов, например, повышается их относительная стойкость.
Таким образом, на основе анализа принятого метода выполнения операции определяют количество рабочих органов, их конструкцию, материал, точность изготовления и другие важные конструктивные и эксплуатационные параметры. Методы выполнения операций необходимо согласовывать с организа- 一 ционными условиями и характером производственного процесса (единичное, серийное, поточное и т. д.).
Технологический процесс в единичном производстве имеет уплотненный характер： на одной машине (аппарате) выполняются несколько операций и часто обрабатываются изделия разнообразных конструкций и из различных материалов. В таком производстве применяют обычно универсальное оборудование, позволяющее производить обработку по принципу дифференциации переходов.
В серийном производстве технологическое оборудование применяется обычно разнообразных видов: общего назначения (универсальное, с различными методами выполнения операций), спец(иавизированное, специальное, агрегатное. Оборудование специализируется в такой мере, чтобы был возможен переход от производства одной серии изделий к другой. В таком оборудовании применяются различные методы выполнения операций.
При массовом и крупносерийном производстве технологический процесс строится по принципу дифференциации или по принципу концентрации переходов. В первом случае оборудование применяется специализированное и узкоспециализированное, во втором ^― агрегатное, многопозиционное.
\Выбор того или иного варианта метода тех но логи ч>еско й обработки производится на основе сравнения технико-экономических показателей с учетом производительности л условий трудаг качества обработки, характера и организации производства^ конструкции и размеров обрабатываемых изделий.
КОМПЛЕКСНАЯ МЕХАНИЗАЦИЯ'
И АГРЕГАТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ОПЕРАЦИЙ
Комплексная механизация и автоматизация являются основным направлением развития механизации производственных процессов и повышения производительности труда.
В отличие от механизации, под которой понимается применение различных машин и механизмов, заменяющих и облегчаю* щих труд, комплексная механизация заключается в применении систем агрегатированных машин, механизмов и других техни* ческих средств. Агрегатированные машины увязаны между со- бой по производительности и обеспечивают выполнение технологических и других производственных операций по всему цик* лу производственного процесса без применения ручного труд^ на основных операциях, за исключением операций управления -машинами и механизмами, регулирования и наладки.
Комплексная механизация способствует повышению производительности труда, поднятиюг уровня механизации и создает ус* ловия для перехода к высшей ступени механизации — автоматизации, предусматривающей применение машин, аппаратов и других средств, позволяющих осуществлять производственные процессы автоматически.'
На предприятиях бытового обслуживания широко внедряют* ся различные средства механизации и автоматизации, и на их основе создаются поточно-механизированные участки и линииг участки комплексной механизации (поточно-механизированные линии и участки в швейном, обувном и прачечном производстве и в химической чистке). На таких участках и линиях технологические операции выполняются системой агрегата машин (аппаратов) ,производительность которых зависит от принятой организационной формы компоновки оборудования. Агрегатирование может осуществляться по схеме последовательной, параллельной и параллельно-последовательной обработки при круговом и линейном расположении позиций и параллельном расположении потоков.尸
При последовательном агрегатировании весь 、объем работы дифференцируют на операции с одинаковой или мало отличающейся продолжительностью обработки. Изделия в агрегате последовательно проходят через все позиции и обрабатываются различными группами инструментов. Этот принцип применяют в случае трудоемких и сложных работ. Продолжи-
51
тельность рабочего цикла обработки агрегата с последоват^ь- ным агрегатированием машин определяют по формуле '
7'р=Тр+тх>
где Тр — рабочее время (максимальное) -обработки на позиции; Тх — время холостых ходов агрегата.
Производительность поточного агрегата (линии) определяют по формуле
Qa=l/(tp+Tx+Wa),(4.4)
где 2тп—суммарные внецикловые затраты времени (для случая одинаковых ло времени выполнения позиций 2тп=2пти, 2ц—количество позиций).
Оптимальное значение Q%^ при 2亚驻(считая, что 2тп=2птп) можно получить, определив c?Qa/dzn=0.
Параллельное агрегатирование используют при нецелесообразности дробления технологического процесса на операции или их элементы. В этом случае машину или группу машин в линии оснащают несколькими группами одинаковых рабочих органов, при помощи которых осуществляется обработка, например: полуавтоматы для склеивания деталей одежды, агрегаты для горячей вулканизации обуви, прессы-агрегаты для при- зслеивания подошв, прессы-агрегаты для обработки деталей головных уборов.
Продолжительность рабочего цикла агрегата определяют по формуле
玛=(%+%)/爲，-(4.5)
где m—количество потоков.
Параллельно-последовательное агрегатирование является промежуточным. Число объединяемых в агрегат машин, обеспечивающее оптимальную производительность^ определяют с учетом дифференциации технологического процесса, потерь (простоев), возникающих при работе, и общих организационно-технических предпосылок, влияющих на производительность агрегата.
Мероприятия по устранению лростоев: разделение линии на участки, создание межоперационных заделов, применение автоматических устройств для смены инструмента, контроля и управления машин, введение запасных сборочных единиц и машин, применение передовых методов эксплуатации машин.
Продолжительность рабочего цикла агрегата
Тр=(%тах + °в)/”п・(4・ 6)
Этот способ применяют в швейном и обувном производстве при парном выпуске изделий.
52
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ И ВЫБОР ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЕКТИРУЕМОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Технологическая схема и технологическая карта машины (аппарата) дают исчерпывающее представление о последовательности обработки, о положении обрабатываемых объектов в машине (аппарате) в 'периоды воздействия на них рабочих органов, их движения, о системе подачи объектов обработки, о распределении переходов между позициями и т. п.
Технологической схемой называется графическое изображение технологического процесса в порядке последовательности выполнения элементов операции при соответствующем положении рабочих органов. Технологические схемы характеризуют технологические методы, принципы и сущность обработки. Эти схемы содержат следующие условные изображения: обрабатываемого изделия (или собираемого изделия и его компонентов) в соответствующих основных фазах (стадиях) изменения его положения и формы (т. е. фазах формообразования), изменения геометрических и физико-механических и иных параметров (фазах сборки, контроля, установки и т. д.); изменения положений и траекторий перемещения основных рабочих органов машины, которые соответствуют определенным фазам обработки или сборки и особенно характерны для выполнения собственно рабочих и цикловых вспомогательных операций данного технологического лроцесса; материальных или энергетических потоков, циркулирующих в машине или аппарате.
Технологической картой называется таблица, в ко-, торой указаны технологические и вспомогательные операции,* элементы этих операций, рабочие органы, их обозначения по технологической схеме и позиции, где выполняются элементы или совокупности элементов операций.
Разработка технологической схемы и технологической карты—первая и наиболее ответственная задача при проектировании машины (аппарата), так как они определяют основные параметры проектируемого технологического оборудования, его структуру, кинематику, конструкцию рабочих органов, последовательность и синхронность выполнения операций, условия эксплуатации, технико-экономические показатели и т. п. '
При составлении технологической схемы и технологической карты весь технологический процесс расчленяют на элементы •операций так, чтобы каждый отдельный элемент операции в машине, аппарате выполнялся одним , рабочим органом, т. е. чтобы расчленение технологического процесса было увязано с механикой машины или исполнительного механизма аппарата. После этого выполняют отдельные схемы (кадры) взаимного расположения обрабатываемого объекта и рабочих органов во время их взаимодействия.
При разработке технологической схемы отдельные схемы взаимного расположения обрабатываемого объекта и рабочего органа для цикловых машин можно выполнять в зависимости от выбранной величины угла поворота ведущего звена (главного или распределительно-управляющего вала) машины. Количество поворотов вала ведущего звена каждый раз на выбранный угол до полного его оборота будет определять количество кадров одной операции или всего процесса.
В качестве примера на рис. 8,4 приведена технологическая схема швейной машины 1022 кл., а в табл. 1—технологическая карта.
Рис. 8. Технологические схемы: А —Рис. 8. Технологические схемы: А —швейной машины челночного стежка;5 — бытового холодильникашвейной машины челночного стежка;5 — бытового холодильника
Рис. 8. Технологические схемы: А —
Рис. 8. Технологические схемы: А —
швейной машины челночного стежка;
5 — бытового холодильника
швейной машины челночного стежка;
5 — бытового холодильника
.、触办，以 年%、52 /.、触办，以 年%、52 /Хладагент 夕 фазах: низнокип^ица?! жадностьХладагент 夕 фазах: низнокип^ица?! жадностьОсновными рабочими органами этой машины являются: игла / (прокалывает материал, проводит через него нитки)； челнок 3 (содержит запас нижней нитки); образует переплетение ниток); нитепритягиватель 2, подающий
.、触办，以 年%、52 /
.、触办，以 年%、52 /
Хладагент 夕 фазах: низнокип^ица?! жадность
Хладагент 夕 фазах: низнокип^ица?! жадность
верхнюю нитку и затягивающий стежок; зубчатая рейка 4, подающая материал на один шаг стежка и участвующая в его затягивании; прижимная лапка 5, прижимающая материал к зубчатой рейке.
Образование челноч- «ого стежкаОбразование челноч- «ого стежкаПрокол материала, подача и проведение верхней нитки через материал, образование петли напуска и ее захват Расширение петли напуска. Подача верхней ниткиСброс петли и образование переплетения ииток Затягивание места переплетения ниток к середине сшиваемых тканей, подача тканейОкончание затягивания места переплетения ниток и подачи тканейПрокол материала, подача и проведение верхней нитки через материал, образование петли напуска и ее захват Расширение петли напуска. Подача верхней ниткиСброс петли и образование переплетения ииток Затягивание места переплетения ниток к середине сшиваемых тканей, подача тканейОкончание затягивания места переплетения ниток и подачи тканейИгла, нитепритягиватель, челнокИгла, нитепритягиватель, челнокЧелнок, нитепритя- гивательЧелнок, нитепри- тягиватель Нитепритягийа- тель, рейка и лапкаНитепритягива- тель, рейка и лап- На 'Челнок, нитепритя- гивательЧелнок, нитепри- тягиватель Нитепритягийа- тель, рейка и лапкаНитепритягива- тель, рейка и лап- На '/23 32 32245 245/23 32 32245 2456в2 06в2 0Таблица 1. Гехнологическая карта швейной машины 1022 кл.
Образование челноч- «ого стежка
Образование челноч- «ого стежка
Прокол материала, подача и проведение верхней нитки через материал, образование петли напуска и ее захват Расширение петли напуска. Подача верхней нитки
Сброс петли и образование переплетения ииток Затягивание места переплетения ниток к середине сшиваемых тканей, подача тканей
Окончание затягивания места переплетения ниток и подачи тканей
Прокол материала, подача и проведение верхней нитки через материал, образование петли напуска и ее захват Расширение петли напуска. Подача верхней нитки
Сброс петли и образование переплетения ииток Затягивание места переплетения ниток к середине сшиваемых тканей, подача тканей
Окончание затягивания места переплетения ниток и подачи тканей
Игла, нитепритягиватель, челнок
Игла, нитепритягиватель, челнок
Челнок, нитепритя- гиватель
Челнок, нитепри- тягиватель Нитепритягийа- тель, рейка и лапка
Нитепритягива- тель, рейка и лап- На '
Челнок, нитепритя- гиватель
Челнок, нитепри- тягиватель Нитепритягийа- тель, рейка и лапка
Нитепритягива- тель, рейка и лап- На '
/23 32 32245 245
/23 32 32245 245
6в2 0
6в2 0
Основная технологическая операция-
Первичная технологическая н вспомогательная операции
Рабочий орган, выполняющий операцию
Номер рабочего органа
рис.
Номер позиции
,д
Таблица 2. Гехнологическая карта машины химической чистки одежды ^Специма~25»
Операции
Масса партии, кг
Модуль ванны, л/кг
Температура, ℃
Продолжительность, мин
Растворитель
Способ обработки
Залив растворителя—— Не выше 1——2 ПХЭ или Вручную*
25ТХЭ
Загрузка изделий25,0 1/9 То же1,0 То же》
Мойка——»6—7» Автома
тический：
Слив растворителя———1,0»»
Отжим———4,0»»
Сушка—— Не выше 20—25»»
40
Проветривание и нагруз-
ка一—6,0>»
Так как температура кипения жидкостей То зависит от давления насыщенных паров и с понижением давления жидкость кнннт при более низких температурах, в испарителе создается- пониженное давление р0.
Для последующего использования хладагент в холодильнике вновь переводят из парообразного состояния в жидкое, т. холодильный цикл повторяется.
Построение технологической схемы машины тесно связано и построением диаграммы, характеризующей протекание технологического процесса и взаимодействие рабочих органов во времени за период цикла работы машины (аппарата). Такой диаграммой является технологическая диаграмма (те х- нограмма).
Технограммой называется графическое изображение технологического процесса как совокупности действий и переходов； машины и вспомогательных ручных переходов, периодически повторяющихся при обработке единицы изделия за время технологического цикла Тт.
Технограммы могут изображаться в виде графиков в прямоугольных координатах (рис. 9) или в виде круга, разбиваемого на секторы.‘
Тех но грамм а непрерывного процесса обработки приведена на рис. 10.
Для сложных разветвленных технологических процессов： (операции сборки, рассортировки и т. п.) используют сетевые графики.
Режимы обработки в машинном технологическом процессе. Рабочие органы машины, получая приращейие кинетической
энергии dE^, производят полезную механическую работу </АПол» определяющуюся следующим энергетическим балансом
dE^—dA^—dAnoa — dAB^(4・7)
где %4дв и f/Дв^с —приращение работ соответственно сил движущих и вредных сопротивлений.
Полезная работа
<Р=<РК$Q$k
Апол= f М(叫"中；Аю“=『 Pn(s)d$,(р=0*s=0
me Л^п(ф) и Рп (s)—приведенные к рабочему органу момент и сила полезных сопротивлений при вращательном и поступательном движении рабочего органа;屮 и s — угол поворота и путь, совершаемые рабочим органом при осуществлении технологического процесса.
Из уравнения (4.7) следует, что полезная работа в техно- логическом процессе, характеризуемая соответствующими силовыми и кинематическими режимами, определяется закономер
ностями движения рабочих органов, т. е.
*=屮（吸S = S（t）； 加"=加“（叫，鼻=鼻⑶.*=屮（吸S = S（t）； 加"=加“（叫，鼻=鼻⑶.Поскольку кинематические факторы 屮=<р (т) и s=s(т) функционально связаны с их производными, то законы движения рабочих органов представляют также в вмде зависимостей от скоростей и ускорений, являющихся производными от указанных кинематических факторов..Поэтому при проектировании машин решение задачи по обеспечению требуемых кинематических и силовых параметров процесса взаимодействия рабочих органов с обрабатываемым объектом является одной из важных. Эта задача решается правильным выбором (синтезом) законовПоскольку кинематические факторы 屮=<р (т) и s=s(т) функционально связаны с их производными, то законы движения рабочих органов представляют также в вмде зависимостей от скоростей и ускорений, являющихся производными от указанных кинематических факторов..Поэтому при проектировании машин решение задачи по обеспечению требуемых кинематических и силовых параметров процесса взаимодействия рабочих органов с обрабатываемым объектом является одной из важных. Эта задача решается правильным выбором (синтезом) законов7 - 2 - J7 - 2 - JТтТтРис. 9. Технограмма однопозициойной машины:Рис. 9. Технограмма однопозициойной машины:Ту и тс — время на установку и съем изделия; Ть © и Тз — время выполнения технологических переходов (позиций) в машине; % — время, перекрываемое временем технологических переходовТу и тс — время на установку и съем изделия; Ть © и Тз — время выполнения технологических переходов (позиций) в машине; % — время, перекрываемое временем технологических переходовРис. 10. Технограмма непрерывного процесса обработкиРис. 10. Технограмма непрерывного процесса обработки
*=屮（吸S = S（t）； 加"=加“（叫，鼻=鼻⑶.
*=屮（吸S = S（t）； 加"=加“（叫，鼻=鼻⑶.
Поскольку кинематические факторы 屮=<р (т) и s=s(т) функционально связаны с их производными, то законы движения рабочих органов представляют также в вмде зависимостей от скоростей и ускорений, являющихся производными от указанных кинематических факторов..
Поэтому при проектировании машин решение задачи по обеспечению требуемых кинематических и силовых параметров процесса взаимодействия рабочих органов с обрабатываемым объектом является одной из важных. Эта задача решается правильным выбором (синтезом) законов
Поскольку кинематические факторы 屮=<р (т) и s=s(т) функционально связаны с их производными, то законы движения рабочих органов представляют также в вмде зависимостей от скоростей и ускорений, являющихся производными от указанных кинематических факторов..
Поэтому при проектировании машин решение задачи по обеспечению требуемых кинематических и силовых параметров процесса взаимодействия рабочих органов с обрабатываемым объектом является одной из важных. Эта задача решается правильным выбором (синтезом) законов
7 - 2 - J
7 - 2 - J
Тт
Тт
Рис. 9. Технограмма однопозициойной машины:
Рис. 9. Технограмма однопозициойной машины:
Ту и тс — время на установку и съем изделия; Ть © и Тз — время выполнения технологических переходов (позиций) в машине; % — время, перекрываемое временем технологических переходов
Ту и тс — время на установку и съем изделия; Ть © и Тз — время выполнения технологических переходов (позиций) в машине; % — время, перекрываемое временем технологических переходов
Рис. 10. Технограмма непрерывного процесса обработки
Рис. 10. Технограмма непрерывного процесса обработки
движения (кинематических функций) рабочих органов. Для этого необходимо ясно представить, в какой мере характер изменения кинематических функций предопределяет динамические- условия работы исполнительных органов при выполнении технологического процесса, а также характер воздействия инерционных нагрузок на звенья и другие элементы конструкции исполнительного механизма и влияние на производительность.
Закономерности движения в зависимости от фаз движения рабочих органов (в пределах кинематического цикла) разделяются на однофазные, двухфазные (прямой и обратный хоп)> трех- и четырехфазные и т. д., с выстоями.
Закономерности движения классифицируются, кроме того, в зависимости от характера изменения кривых ускорения, скорости за время (фазу) прямого или обратного хода рабочего ор* гана (рис. 11). 、
У симметричных закономерностей кривой изменения скорости ее пик находится в середине рассматриваемой фазы, а у асимметричных пик скорости смещен относительно середины этой фазы.
Закономерности изменения ускорения следующие:
однородные — в зонах положительных и отрицательных значений имеют одинаковый характер;
неоднородные ——в указанных зонах имеют неодинаковый характер;
модифицированные — общая закономерность дополняется переходными законбмерностями (в целях уменьшения динамических ударов,в отличие от комбинированных).
комбинированные — общая закономерность распадается на ряд участков простейших их видов.
3акономерность движения на участке, фазы, где осуществляется технологический процесс, определяется на основании изучения механики технологического процесса с учетом динамики используемого механизма.
Таким образом, выбор закономерности движения рабочих органов для периода рабочего хода диктуется главным образом требованиями осуществляемого технологического процесса； для периода холостого хода выбор закона движения определяется динамикой проектируемого механизма и производительностью машины.
Оптимизацию кинематических функций рабочих органов производят по силовым и энергетическим критериям. Например, налагаются ограничения на условия возбуждения колебаний, обеспечивается постоянство механических напряжений на поверхности кулачка, используются вариационные методы, связывающие ряд критериев с износом и долговечностью, достигается минимальная затрата энергии.
Стремясь снизить максимальные величины инерционных па- грузок, выбирают закономерности, обеспечивающие наименьшие
ускорения (например, параболические зависимости для перемещений) .
Чтобы исключить резкое воздействие инерционных нагрузок 'на упругие звенья и возможность возбуждения колебаний (при соизмерении времени нарастания нагрузки тнар с периодом собственных колебаний конструкции Тсобств (Тнар^ Гсобств), выбирают различные безударные закономерности движения звеньев (тНар^>Тсобств),.исключающие жесткие и мягкие удары, т. е. разрывы всех кинематических функций.
Одной из важных задач динамического синтеза механизмов является минимизация динамических искажений идеальных ускорений звеньев, например Да^0,1 ат^ вызываемых колебательными процессами в механической системе.
При учете податливости звеньев привода, связанного с ведущим звеном исполнительного механизма, оптимизацию кинематических функций ведомого звена рекомендуется вести путем минимизации максимальных значений так называемой кинематической мощности
7vHн=РИи 卜=maw* 7УИН =加通①=厶⑴.
Иначе говоря, при этом стремятся уменьшить максимальные значения .произведен'ия скорости и ускорения (линейных и угловых).
Все многообразие возможных з а коном ерностей движения удобнее сопоставлять, количественно сравнивать .и качественна оценивать не по значениям действительных функций (перемещений, скоростей и ускорений), а по их относительным, безразмерным выражениям, называемым инвариантами подо* бия (аналогами). Эти выражения представляют собой отношение текущего значения рассматриваемого параметра к постоянному модулю. В качестве модуля могут быть выбраны средние или максимальные значения соответствующих кинематических функций. Численные значения таких отношений измени* ются в небольших пределах. Эти безразмерные параметры являются позиционными инвариантами подобия, так как имеют одинаковые аначения для всех подобных систем. Они сохраняют те же, что и соответствующие функции, закономерно- сти изменения по относительному аргументу — 'безразмерному времени
jk *ri/T -—-(pi/ct,
где у и ф( — текущие значения времени и угла поворота ведущего звена; Г — время интервала (период) движения; а — фазовый угол, соответствующий движению.
Относительные функции позволяют при анализе и синтезе абстрагироваться от реальных скоростных режимов, которые различаются скоростями ведущих звеньев и периодами (фазовыми углами) движения и размеров перемещений ведомых звеньев.
Решение задачи синтеза оптимальных (по различным критериям) закономерностей движения рабочих органов и задач метрического синтеза схем механизмов значительно упрощается при использовании соответствующих таблиц и номограмм. При: разработке таких табличных материалов пользуются принципами теории подобия.
Критерии подобия представляют собой особого рода обобщенные переменные (комплексы инвариантов подобия характерны для рассматриваемой систему).
Следовательно, в результате сравнения критериев, включающих инварианты скоростей, ускорений и их производных мож- 60
но произвести объективную оценку и выбор закономерностей движения (или схемы механизмов), оптимальных для заданных условий работы машины.
Действительные кинематические функции и их позиционные инварианты подобия (см. рис. И) связаны следующими зависимостями: например, относительные перемещения (инвариант перемещения)
5н (^) = 5 (тУ5тах=/к=0<-т- 1, тогда
s(T)=sHsmax,
ГДе Smax=S = Const.
Производные инвариантов подобия можно получить дифференцированием по относительному аргументу k, т. е. относительная скорость (инвариант скорости)
wH (k=dsa/dk=w(x)/wcp=w^)lsT~1=bKi
так как叫p=s/T;
относительное ускорение (инвариант ускорения)
^и (^)= d2sK/dk2—ci (t)/sT—2=Ск"
При анализе и синтезе механизмов важной характеристикои являются экстремальные значения5—пики относительных кине*
Рис. 12. Графики типовых закономерностей движения рабочих органов машинРис. 12. Графики типовых закономерностей движения рабочих органов машинмагических параметров. Пики инвариантов скоростей, ускорений. и их производные могут служить критериями для сравнения и качественной оценки различных закономерностей движения.
Рис. 12. Графики типовых закономерностей движения рабочих органов машин
Рис. 12. Графики типовых закономерностей движения рабочих органов машин
Константа така инварианта скорости
6= [&|тах=1 叫 |тах=
=®тах/叫 р=Wmax/STT •
Константа пика инварианта ускорений
С=кк|тах = |«н|max= °max/sT 2,
Константа пика инварианта кинематической мощности О = |%Ск|тах= I 叫％тах= 1^и1тах/5^3.
На рис. 12 приведены графики часто применяемых закономерностей движения рабочих органов для ускорений при симметричном графике скоростей, а в табл. 3 приведены значения некоторых констант пиков для данных закономерностей дви
жения.
"Таблица 3. Константы пиков ускорении
№позициинарнс. 12№позициинарнс. 12Закономерность движенияЗакономерность движенияКонстанты пиковнивариактов ускоренияКонстанты пиковнивариактов ускоренияВ I С I DВ I С I D
№позициинарнс. 12
№позициинарнс. 12
Закономерность движения
Закономерность движения
Константы пиковнивариактов ускорения
Константы пиковнивариактов ускорения
В I С I D
В I С I D
/2345/23452 5 5 8 о 1111 4 8 0^0^0^-^-а^ 9 8 3 3 п^-0^.9^& 9 4 4 6 п^-п^отоэт」2 5 5 8 о 1111 4 8 0^0^0^-^-а^ 9 8 3 3 п^-0^.9^& 9 4 4 6 п^-п^отоэт」Постоянное ускорение
/2345
/2345
2 5 5 8 о 1111 4 8 0^0^0^-^-а^ 9 8 3 3 п^-0^.9^& 9 4 4 6 п^-п^отоэт
」
2 5 5 8 о 1111 4 8 0^0^0^-^-а^ 9 8 3 3 п^-0^.9^& 9 4 4 6 п^-п^отоэт
」
Ускорение по «модифицированной» трапеции
Синусоидальный закон ускорения
Ускорение по «модифицированной» синусоиде Косинусоидальный закон ускорения
Закономерности движения рабочих органов - типовых машин бытового назначения характеризуются следующими особенно* сгямн.
Л^ащины химической чистки и стиральные, работающие с реверсивным движением рабочего барабана, имеют закономерность движения для скорости барабана за полупериод цикла <о = const (рис. 13,а).
Для полотеров, а также других ррторных машин (различные щеточные машины, электробритвы с вращающимся ножевым блоком и т. д.) закономерность движения рабочих органов характеризуется скоростью(o=const (рис. 13,6) за период цикла и дополнительным движением относительно обрабатываемого объекта.
Центрифуги работают в установившемся периоде при тус <о=const (рис. 13,в), для них характерны переходные периоды Ti и Т2, относящиеся к разгону и торможению. 亠
На рис. 13, г показана закономерность движения верхней лодушки гладильного пресса. При синусоидальной закономерности изменения ускорения а удары верхней подушки с нижней б, момент их смыкания смягчаются.
- У швейных машин универсального типа закономерности движения рабочих органов выражаются кривыми /, 2, 3, 4 (рис. 13,(Э).
В машинах крепления деталей низа обуви металлическими крепителями закономерность движения ударника, получающего .движение от пружинного механизма, довольно сложна из-за различия закономерностей нагружения при движении ударника вниз и вверх, вследствие чего при этом различаются кинематические и динамические явления. Кроме того, движение ударника вниз состоит из двух периодов ― холостого и рабочего ходов. При холостом ходе скорость ударника изменяется примерно по закономерности эллипса, причем к моменту соприкосновения с крепителем она становится несколько меньше максимального ее значения. По окончании движения крепителя внутри материала ударник совершает движение с некоторой остаточ-
Рнс. 13. рабочихРнс. 13. рабочихГрафики закономерностей движение органов типовых машин бытового на-
Рнс. 13. рабочих
Рнс. 13. рабочих
■ значения:■ значения:а — машни химической чистки и стиральных машин;
■ значения:
■ значения:
6 — полотеров, электробритв и др.; 6 — центрифугу г — гладильных и других прессов; 8 — швейной машины челночного типа; е — скорости ударинка затяжной машины; ж — траектории движения клещей^ Гр — время рабочего цикла;
Xi и т2 — время переходных движений; Гк — кинематический цикл; 0—/—движение клещей к краю заготовки; 1—2 — затяжка; 2—3 — закрепление края заготовки; 3—0 — движение клещей в исходное положение; Оас' — график скорости ударника; совс — график скорости упора
ной скоростью, что обусловливает передачу импульса силы на изделие и основание машины.
Скорость движения ударника вниз и упора приведена на рис. 13； е. За счет интенсивного роста сопротивлений при рабо-
гем ходе скорость ударника изменяется от максимального значения 5тах (точка Я)ДО некоторой скорости Wo (точка Ь). Упор, .имея начальную скорость движения w0> после удара может двигаться с отрывом от ударника (линия Ьс) либо вместе с ним (линия Ьс').，
Затяжная машина марки ЗВ-1 имеет сложную траекторию рабочих клещей (рис. 13, ;»с), вследствие чего закономерность движения их на каждом участке этой траектории будет разной. Так, в период рабочего хода (участок /—2), когда материал растягивается по степенной зависимости изменения напряжения о от относительной деформации е [13],
。=值户(4.8)
тде Е — условный модуль упругости материала; т — показатель степени для з^того материала (траектория скорости перемещения клещей на данном участке должна соответствовать скорости развития деформации. При этом предельная величина относительной деформации ограничивается допускаемой величиной разрывного напряжения материала).'
Режимы обработки в аппаратном технологическом процессе ^машины химчистки, стиральные машины, теплообменные аппараты, центрифуги и т. д.). Хар актер истики режимов технологических процессов включают режимы температур теплоносителей (теплообмен), режимы температуры и влажности среды (сушка, увлажнение), влажность исходного и конечного продукта (центрифугирование, сушка), концентрацию начального л конечного продукта (дистилляция), давление среды (движение жидкостей и газов) и ряд других показателей.
Характеристики режимов процессов обработки получают ли-: бо по результатам испытания действующего оборудования, ког-: да для этого имеются необходимые условия, либо по результа- 2 там исследования кинетики процессов на опытной аппаратуре : и моделях, пользуясь теорией подобия модели и действующей : конструкции оборудования. При выборе рациональных режимов : процессов обработки следует учитывать условие обеспечения наибольшей оптимальной скорости физического процесса, лежащего в основе технологического лроцесса.
Основными способами увеличения скорости процесса является:
увеличение движущей силы процесса;.
увеличение абсолютных значений начальных факторов движущей силы (начальных значений температуры, давления, концентрации и т. д.);
увеличение коэффициента скорости процесса;
увеличение поверхности соприкосновения фаз.、
Выбранные режимы кладут в основу разработки всего тех-: дологического процесса, в котором по ним контролируют и на-;
правляют ход процесса, оценивают производительность оборудования, расход сырья, энергетических и иных средств, проверяют качество продукции.
Выбор технических параметров проектируемого оборудования. Целевое назначение машины (аппарата) и объем выполняемых ею функций должны быть определены в начале проектирования с наибольшей возможной точностью на основе всех предъявляемых к ней требований, характеризующих уровень качества и расчета ее экономической эффективности. .
Предъявляемые к машине (аппарату) эксплуатационные требования, оценивающиеся рядом технических характеристик (ширина рабочего прохода, загрузочная масса, производительность, мощность, скорость, точность, ресурс до капитального ремонта и т. д.), задаются обычно в техническом задании. Разрабатываемый технологический процесс обработки позволяет уточнить служебное назначение изделия и окончательно выбрать ряд основных технических характеристик, например ширину рабочего прохода, производительность, частоту вращения главного вала, потребную мощность привода, качество обработки и др.
Уточнение и выбор производят на основе изучения технологического процесса, технико-экономического анализа и оптимизации вариантов возможной обработки.
Выбранные технические показатели технологического оборудования являются осцовой дальнейшей разработки конструкторской документации. 一
Глава V
РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНЫХ СХЕМ МАШИН (АППАРАТОВ)
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА
На первой стадии проектирования машины (аппарата) необходимо выявить ее структуру, т. е. принципиально необходимые механизмы и сборочные единицы (устройства) и их взаимосвязь и представить это в виде структурной- схемы： Такая схема должна быть положена в основу разработки кинематической схемы машины или полной технологической схемы аппарата.
Структурная схема отражает сущность построения конструкции, не развертывая полностью ее конструктивных особенностей. Структурная схема наглядно показывает взаимосвязь между отдельными механизмами и устройствами и их управлением. Это позволяет при дальнейшей конструкторской разработке и при расчете цикловой диаграммы правильно установить требо-
65653 Зак. № 266
65
65
вання для совместной работы этих непосредственно связанных между собой элементов.
Структурная схема, кроме того, дает представление о распределении поступающей от источника энергии к элементам. Эту схему весьма удобно использовать при определении общего КПД машины (аппарата).
Структурная схема разрабатывается на основе принципиальной технологической схемы. Следовательно, степень сложности
Рис. 14. Развернутая структурная схема технологической машины:Рис. 14. Развернутая структурная схема технологической машины:/ — электродвигатель; 2 — ременная передача; 3 — вал приводной; 4 — зубчатая передача; 6 —вал главный;6 — ыехаиизыы исполнительные цикловые; 7 — передаточные устройства； 8 — ыеханизмы исполнительные яецикловые； 9 и 10 — устройства управляющие/ — электродвигатель; 2 — ременная передача; 3 — вал приводной; 4 — зубчатая передача; 6 —вал главный;6 — ыехаиизыы исполнительные цикловые; 7 — передаточные устройства； 8 — ыеханизмы исполнительные яецикловые； 9 и 10 — устройства управляющиемашины (аппарата)- и ее структурной схемы зависит от сложности технологического процесса, от того, какие устройства и механизмы входят в состав машины (аппарата), что видно на примере приведенной развернутой структурной схемы технологической машины (рис. 14). Ременная передача 2, приводной вал 3 и зубчатая передача 4 представляют собой редуктор машины, а соединение редуктора и электродвигателя 1 -— ее привод. От главного вала 5 получают движение и энергию цикловые исполнительные механизмы 6. От при-
Рис. 14. Развернутая структурная схема технологической машины:
Рис. 14. Развернутая структурная схема технологической машины:
/ — электродвигатель; 2 — ременная передача; 3 — вал приводной; 4 — зубчатая передача; 6 —вал главный;
6 — ыехаиизыы исполнительные цикловые; 7 — передаточные устройства； 8 — ыеханизмы исполнительные яецикловые； 9 и 10 — устройства управляющие
/ — электродвигатель; 2 — ременная передача; 3 — вал приводной; 4 — зубчатая передача; 6 —вал главный;
6 — ыехаиизыы исполнительные цикловые; 7 — передаточные устройства； 8 — ыеханизмы исполнительные яецикловые； 9 и 10 — устройства управляющие
водного вала 3 через передаточные устройства 7 получают движение и энергию нецикловые исполнительные механиз'мы 8 ма-
ш»ины. Устройство 9 управляет циклом работы машины, а устройство 10 осуществляет программное управление работой отдельных исполнительных
органов.
На состав структурных схем в значительной мере влияют принципы управления машиной (аппаратом), степень ее авто-, матизации, методы синхронизации функционирования рабочих органов (которая может быть централизованной, децентрализованной, частично централизованной), последовательность срабатывания рабочих органов.
Современная машина (аппарат) в каждом отдельном*случае состоит из следующих структурных элементов: питающего устройства, привода, исполнительных механизмов с рабочими органами (исполнительных устройств), механизмов регулирования, контроля, управления, защиты, блокировки и др.
Питающее устройство предназначено для непрерывной или периодической подачи объектов (сырья, материалЬв) в машину (аппарат), например, подающий механизм в швейной машине, подающий конвейер cynimibHO」r\naniLnbHoro катка.
В составе привода у машины имеется электродвигатель, часто редуктор, передачи гибкой связью, зубчатые и цепные передачи. Заканчивается привод рабочими или распределительно- управляющими валами. На распределительно-управляющем валу (например, главном валу швейной машины) укрепляются ведущие звенья наполнительных механизмов, на рабочем валу ——рабочий орган. Распределительно-управляющий вал может служить одновременно и промежуточным и рабочим, валом. Механизмы привода и приводных устройств (трансмиссионные) служат для передачи движения от двигателя к ведущим звеньям исполнительных механизмов или непосредственно к рабочим органам машины. Исполнительные механизмы служат для преобразования движения (энергии) ведущего звена и передачи его в преобразованном виде ведомому звену (рабочему органу или устройству). Исполнительные механизмы, как правило, являются механизмами циклического действия.
Передача различных материальных сред к рабочим устройствам осуществляется при помощи различных побудителей (насосов, вентиляторов), а передача энергии в процесс производится различными физическими способами (например, теплопроводностью, теплоотдачей, электропроводностью и т. д.).
Рабочие органы (устройства) бывают основными (обрабатывающими) и вспомогательными (например, удерживающими объект). Движение рабочих органов или передача энергии к рабочим устройствам осуществляется по определенным законам и в определенное заданное время.
Механизмы регулирования, контроля, управления, защиты, блокировки и другие устройства обычно состоят из исполнительного механизма циклического действия с вспомогательным рабочим органом. Ведущие звенья этих механизмов также могут закрепляться на распределительно- упр являющих валах машины (аппарата).
Таким примером могут служить механизмы поштучной подачи крепителей к основным рабочим органам обтяжно-затяжных машин.”
ВЫБОР СИСТЕМЫ И СРЕДСТВ МЕХАНИЗАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Прежде чем приступить к разработке структурной схемы машины (аппарата), необходимо ясно представить общую картину протекания технологического (рабочего) процесса и выбрать систему и средства его механизации и автоматизации, определяющие общую структуру будущей машины (аппарата). Технологические процессы протекают при условии передачи от рабочих органов энергии в процесс. Рабочие органы энергию получают от источника энергии или двигателя через различные передаточные устройства. Следовательно, вид передаваемой
энергии (кинетическая, тепловая, 'движения жидкости или газа, электрического тока и поля й др.) определяет и соответствующие применяемые средства, и системы механизации и автоматизаций технологических процессов.
При проектировании применяют различные системы и средства механизации основных и вспомогательных операций, а также различные системы и средства автоматизации технологических процессов на операциях контроля, управления и регулирования процессов. Используют механические, пневматические, гидравлические, электрические, электронные и полупроводниковые, акустические, оптические и др., а также комбинированные системы.
В процессе конструирования конструктор выбирает наиболее оптимальные системы механизации и автоматизации для каждой конкретной задачи. Правильный выбор систем может быть произведен лишь на основе глубокого изучения технологического процесса и определения исходных технологических параметров (технологических усилий, скоростей, давлений, температур и т- д.) для выполнения каждой технологической операции, знания конструктивных и других особенностей этих систем.
Наиболее распространенными системами механизации являются механические, которые обычно в технологических машинах представляют собой совокупность механизмов (включая механизм взаимодействия рабочих органов с обрабатываемыми объектами) с жесткими звеньями, соединенными кинематическими парами. Основными механизмами таких систем при передаче энергии от двигателя к рабочим органам являются： рычажношарнирные, рычажно-кулачковые, простые зубчатые, планетарные, рычажно-зубчатые, ременные, цепные и др.
В каждом таком механизме всегда имеется ведущее и ведомое звенья. К ведущему звену прикладывается движущая сила, получаемая от двигателя, а к ведомому, соединенному с исполнительным рабочим органом или обрабатываемым объектом, '―технологическое усилие (сила полезных сопротивлений).
Для получения требуемых закономерностей движения исполнительных органов необходимо заданное движение двигателя преобразовывать в требуемые движения ведомых звеньев механизмов. Двигателями машин, как правило, являются электродвигатели, роторы которых совершают вращательное движение. Движения же ведомых звеньев механизмов могут быть весьма раанообразными: вращательными, качательнымн, возвратно-поступательными и сложными плоскими и пространственными. Это является одним из достоинств механических систем. Наиболее правильный выбор того или иного механизма может быть произведен на основании знания их характеристик, рассматриваемых ниже.
Наряду с достоинствами механические системы имеют *н некоторые недостатки, к которым относятся:
сложность конструкции и трудность изготовления с заданной точностью отдельных механизмов;
громоздкость конструкций и большая их м ет а л лоем кость, особенно при передаче движений на достаточно большие расстояния;
воаникновение больших динамических нагрузок (сил инерции) ;
значительная инерционность механизмов, не обеспечивающая малое время срабатывания, что ограничивает иногда повышение производительности машин.
В гидравлических и пневматических системах передача движений и энергии от приводного двигателя к исполнительным органам осуществляется при помощи рабочих тел, заключенных в системе. В гидравлических системах рабочим телом являются капельные жидкости (минеральные масла, синтетические жидкости, водожировые эмульсии), в пневматических—сжатый или разреженный воздух.
Для работы гидравлических и пневматических систем необходимо рабочим телам сообщить потенциальную и кинетическую энергию, образующуюся в преобразователе энергии — насосе (компрессоре, вакуум-насосе и т. п.), соединенном с электродвигателем. Механическая работа, получаемая от электродвигателей, преобразуется в насосе в механическую энергию рабочего тела. Эта энергия представляет собой сумму потенциальной энергии сжатия и кинетической энергии перемещения рабочего тела. Принцип работы преобразователя зависит от того, какая энергия рабочего тела является основной.
По сравнению с механическими системами гидравлические и пневматические имеют следующие преимущества:
быстроту срабатывания;
возможность пердачи значительных мощностей по трубопроводам небольших диаметров и получения больших выходных усилий;
простота, компактность и малая металлоемкость конструкций систем;
возможность использования нормализованных сборочных единиц и деталей;
плавность хода рабочих органов (гидравлические системы);
простота управления работой механизмов и обеспечение бес-' ступенчатого регулирования скорости движения исполнительных органов；
возможность размещения систем как в машине и аппарате, так и за их пределами;
надежность и долговечность*
Недостатки данных систем:
невозможность точно координировать движение исполнительных органов вследствие утечек рабочих тел через уплотнения,
изменейня вязкости рабочих тел при колебании температур, наличия потерь на трение по длине трубопровода и местных потерь;
высокая точность изготовления отдельных сопряжений деталей систем и максимальное уплотнение в местах стыков соединенных деталей;
наличие неравномерного движения исполнительных органов при переменной внешней нагрузке у пневматических систем вследствие сжимаемости воздуха;
уменьшение КПД из-за утечек рабочего тела;
изменение температур воздуха при его расширении и сжатии, что может привести к выделению влаги или вспышке смазки;
вредное влияние рабочих жидкостей гидравлических систем на качество обрабатываемых изделий.
Электрические системы применяют при непосредственном выполнении операций технологических процессов (электро- импульсная обработка, обработка током высокой частоты, гальванические процессы и т. д.) ； как источник тепловой энергии, используемой для нагрева некоторых рабочих органов машин и аппаратов; в качестве основных элементов автоматических контрольных, управляющих и регулирующих устройств и систем.
Преимущества электрических систем:
компактность конструкций;
передача энергии на большие расстояния;
удобство распределения энергии в нужных направлениях;
легкость превращения электроэнергии в тепловую и другие виды энергии при высоком КПД;
легкость осуществления централизации управления процессами.
Недостатком электрических систем является малая надежность электрических контактов.
Электронные и полупроводниковые системы вследствие их малой мощности используют в основном, при автоматизации технологических процессов.
Оптические системы применяют как для механизации (например, раскрой текстильных материалов при помощи луча лазера и др.), так и для автоматизации технологических процессов.
Наилучших результатов при создании машин и аппаратов с учетом положительных свойств систем можно достичь при применении комбинированных систем для выполнения различных технологических операций (например, пневмогидравлических, электрогидравлических, пневмомеханических и др.).
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ
С точки зрения рабочего процесса структурное построение машин и аппаратов может по типу оборудования подразделяться на периодического (циклического) и непрерывного действия.
Структура рабочей м ашины определяется характером движения рабочих органов, задаваемым обычно при проектировании.
По характеру движения рабочих органов различают три группы машин: с изменяющимся, с постоянным и с циклическим движением рабочих органов.
К машинам с изменяющимся движением рабочих органов относятся, наиример, машины химической чистки и стиральные машины с программным управлением, универсальные отделочные станки, различные технологические механизмы с ручным приводом.
Структурные схемы таких машин должны содержать управляемые механизмы, посредством которых оператор или автоматическое устройство может изменять движение рабочих органов по величине или направлению.
Для машин с постоянным движением рабочих органов характерно соединение двигателя с рабочим органом либо непосредственно, либо через передаточный механизм (редуктор). По первой схеме работают, например, вентиляторы и центробежные насосы, установленные на валу ротора электродвигателя. По второй схеме работают стиральные машины с активатором, центрифуги, обувные отделочные станки и др. По своей структуре эти машины обычно проще, чем первые.
К машинам с циклическим движением рабочих органов относится значительная группа швейных и обувных машин, тех- нологи^еский процесс которых включает периодически повторяющиеся операции. Машины с циклическим движением рабочих органов могут быть с жестким, нежестким и переменным циклом. К первым относятся такие машины, у которых любому положению распределительного вала соответствуют вполне определенные положения всех рабочих органов. Сюда относятся машины в основном автоматического и полуавтоматического действия (полуавтоматы для пришивания пуговиц, гладильные й вырубочные прессы, агрегаты для горячей вулканизации низа обуви и др.).
Ко вторым относятся машины, у которых цикл происходит за один оборот распределительного вала, но от последнего не зависит движение некоторых рабочих органов. К таким машинам относятся, например, швейные петельные машины, снабженные механизмами для обрезки ниток (работа ножей этих механизмов не зависит от вращения главного вала, а производится при нажиме на педаль для подъема нажимателя ткани). Сю-
да также относятся швейные машины, у которых, например, прижимную лапку поднимает и опускает оператор.
В машинах с переменным циклом всегда сохраняется очередность движения рабочих органов, но время срабатывания каждого исполнительного механизма может быть различным. Такие машины выполняются либо без распределительного вала, либо с несколькими распределительными валами, поочередно работающими в разных режимах. К таким машинам относятся машины, у которых время цикла обработки изделий различное и определяется свойствами или размерами обрабатываемого изделия (клеевые прессы ремонтно-обувного производства； гладильные прессы, работающие по нежесткому циклу, меточные аппараты и др.)-
Структурные схемы аппаратов можно разделить на два вида: о
неподвижные (без специальных механических устройств);
подвижные (с устройствами для ускорения протекания технологических процессов — мешалками, барабанами и другими механическими побудителями).
Необходимость движения подвижных элементов аппаратов и характер самого движения вносит особенности в структурную схему адпарата. В состав подвижных аппаратов входят различные механические системы, при помощи которых осуществляется движение рабочих устройств и управление этим движением.
Проектирование структурных схем. Структурная схема определяется не только требованиями выполняемого технологического процесса, но и многими другими условиями: производительностью машины, допустимыми габаритными размерами, удобством эксплуатации, возможностью включения машины в поток и т. п.
По заданной производительности проектируемой машины (аппарата) определяют ее тип по отношению к позициям обра* ботки (одно- или многопозиционная).
Затем выбирают характер движения обрабатываемых изделий——непрерывное или периодическое. Выбор структурной схемы машины и схем исполнительных механизмов зависит от того, на какие элементы операции может быть разложен заданный технологический процесс и какие требования предъявляются отдельными элементами операций к законам движения рабочих органов, выполняющих эти операции.
Проектирование структурных схем включает выбор принципиально необходимых исполнительных и передаточных механизмов и устройств: тип двигателя, схему управления машиной и др., при которых обеспечиваются заданные режимы работы исполнительных органов при наибольшем КПД и^ других технико-экономических характеристиках проектируемой машины.
На основе технологического процесса для рабочих органов и движущегося изделия сначала строят предварительную цик-*
лограмму, отражающую взаимную увязку работы отдельных циклических механизмов, а затем уже на основе циклограммы строят синхронную диаграмму, в которой для каждого механизма вычерчивают график перемещения ведомого звена как функцию угла поворота главного вала.
Время перемещения транспортирующего устройства должно быть как можно меньшим и обычно назначается из условия обеспечения требуемого качества обработки.
Основным вопросом проектирования структурной схе曲ы машины циклического действия является обоснованный выбор одного из трех рассмотренных вариантов принципа ее работы. В процессе проектирования предварительно выделяют самостоятельные рабочие органы, т. е. такие, которые могут быть выполнены только с самостоятельным приводом. Для механизмов с такими рабочими органами приближенно оценивают разницу между максимальным и средневероятным временем срабатывания.
При выборе структурной схемы возможны два случая.
Машина имеет самостоятельные, независимые в движении рабочие органы. В этом случае возможны два варианта принципа ее работы — с постоянным или переменным циклом.
При постоянном цикле машина имеет один двигатель, работающий в установившемся режиме, но обладающий меньшей производительностью, так как при срабатьтвании механизмов неизбежны потери времени.
Сравнимая сложность машины при этих вариантах зависит от конкретных данных.
Машина не имеет самостоятельных, независимых в движении рабочих органов. В этом случае сначала сравнивают два варианта машины (с переменным и жестким циклом), так как эти варианты не имеют потерь времени и обеспечивают согласованное движение рабочих органов. Ориентировочно можно считать [12], что при малом числе рабочих органов (2—3) более простая конструкция машины получается с переменным циклом, а при большом количестве проще автоматы с жестким циклом. Окончательный выбор схемы производят при сравнении вариантов применительно к конкретным условиям.
На основании структурной схемы предварительно определяют основные размеры машины, осуществляют первое компо* навочное решение и разрабатывают кинематическую схему.
Общие требования к структурным и другим схемам изложены в гл. VI, § 4.
Структурные схемы содержат условные обозначения: устройств программы и устройств управления, рабочих органов, основных функциональных элементов (муфт, переключателей) контактов, клапанов и т. д.); прямых и обратных потоков центральной информации, потоков местной (блокировочной и др.) информации. Отдельные узлы и механизмы на структурной схе-
ме показывают изображениями в виде отдельных фигур с буквенными (см. рис. 15) либо цифровыми обозначениями (см. рис. 14). На структурной схеме указывают также мощность электро
двигателя, частоту вращения его вала и валов машины, передаточные числа промежуточных передач, порядковые номера валов (римскими цифрами), названия исполнительных механиз
аамов, а также названия рабочих органов, укрепленных непосредственно на валах.
а
а
Элементы и устройства гидравлических и пневматических передач изображают в виде прямоугольников. Линии взаимосвязи изображают СПЛОШНЫМ'И основными линиями. На линиях взаимо-
Рис. 15. Структурные схемы:
а——универсальной швейной машины; б—стиральной машины; J—нгла; 2—нн- тепритягиватель; 3—челнок; 4—зубчатая рейка; 5—папка; 6—обрабатываемый материал; 7—платформа; 8 и 9— верхняя и нижняя нити; /—V//—валы; Ф—фрикциони ая муфта; Рм — ременная передача; 3—зубчатая передача; /(—кулачковая передача; Р——рычажный механизм; Ш—шаговый механизм: "—механизм с поступательно движущимся звеном; О—оператор; Э—электродвигатель; РБ—рабочий барабан; ОМ—обгонная муфта
связи допускается указывать направление рабочей среды. Наименования, обозначения и технические данные вписывают в прямоугольники, изображающие элементы и устройства.
В качестве примера на рис. 15,а приведена структурная схема универсальной швейной машины, а на рис. 15,6^—структурная схема стиральной машины барабанного типа с торцовой загрузкой и выгрузкой. В машине устройство АЭМ автоматического действия включается в работу в период центробежного отжима, когда движение при большой частоте вращения передается рабочему (стиральному) барабану РБ. При этом обгонная муфта ОМ автоматически выключается. В период стирки при малой частоте вращения барабана передача вращения осуществляется через обгонную муфту ОМ.
Машинные процессы и определенная группа аппаратных процессов в большинстве случаев осуществляются периодически. Поэтому очень важно обеспечить в технологическом процессе взаимодействие рабочих органов и устройств с обрабатываемым объектом в определенной последовательности.
Циклы технологических машин и аппаратов. Принятые метод выполнения операции обработки и технологическая схема машины (аппарата) позволяют определить продолжительность цикла обработки изделия. Продолжительность цикла обработки на основании структурной схемы уточняется.
Периодичность обработки изделия и работы машины (аппарата) характеризуется следующими основными циклами： производственным, технологическим, рабочим, кинематическим (для машин).
Производственный цикл работы включает совокупность действий и операций машины (аппарата) и обслуживающего персонала, направленных на изготовление требуемого объема продукции. Продолжительность производственного цикла равна
Тц=Тм+Тви(5.1)
где Гм — время машинного (аппаратного) цикла, равное времени непосредственной обработки тр и цикловых потерь тх; тв.п一 время внецикловых потерь [время на обслуживание машины (аппарата)].
Технологический цикл работы машины (аппарата) включает совокупность операций машины (аппарата) и деист-- вий обслуживающего персонала, периодически повторяющихся при изготовлении каждой единицы готовой продукции. Продолжительность технологического цикла равна
Тт=Ту+т0Н-тИ1+тс,(5.2)
где Ту, То, Ти и Тс — время установки объектов обработки, интервалов меж- ду операциями (переходами) и съема объектов обработки.
Рабочий цикл включает совокупность всех операций и1 действий, производимых машиной (аппаратом) и обслуживаю' щим персоналом, необходимых при обработке всех объектов, находящихся в машине одновременно. Рабочий цикл характеризует темп выдачи изделий. Продолжительность рабочего цикла равна
тp=丁Т+T以皿(5.3)
где Тж.ц ——интервал времени между двумя технологическими циклами.
Кинематическим циклом является период времени при установившемся движении Тк, в течение которого протекает технологический процесс и взаимодействие рабочих органов машины. Кинематический цикл измеряется временем, при условии, что один оборот главного вала машины совершается за время
То= l/n=2n/(o,(5.4)
где п и ①——частота вращения н угловая скорость главного вала машины..
Технологический цикл может быть равен нескольким кинематическим циклам. Технологический, кинематический и рабочие циклы могут совпадать,
Разработка цикловых диаграмм исполнительных механизмов и машины. В технологических машинах (аппаратах) синхронное перемещение исполнительных органов и объектов обработки выполняется в соответствии с циклом, который определяется программой работы машины (аппарата)—циклограммой.
Цикл работы машимы (аппарата) может быть жестким или нежестким.
Жесткий цикл имеет постоянные по величинам и последовательности перемещения исполнительных органов, которые периодически повторяются и могут быть зафиксированы в форме неизменной программы.
Нежесткий цикл имеет величины и последовательность перемещения исполнительных органов, меняющиеся в процессе работы машины (аппарата) при изменении свойств и характеристик обрабатываемых объектов. Перемещение исполнительных органов при этом фиксируются в форме переменной программы.
Циклограмма машины включает циклограммы отдельных ее исполнительных механизмов, которые перемещают со-
ббРис. 16. Циклограммы машин:Рис. 16. Циклограммы машин:а и б—линейные; в и а—прямоугольные; d— круговая: А,反 С—фазовые углы поворота соответствующих рабочих органов; ту—время удаления рабочего органа; тв—время возвращения; Гк—время кинематического цикла; т—время перемещения рабочего органа
б
б
Рис. 16. Циклограммы машин:
Рис. 16. Циклограммы машин:
ответствующие рабочие органы, связанные с ведомыми звенья* ми этих механизмов.
Циклограммы бывают линейные, прямоугольные и круговые.
В линейных циклограммах а и б (рис. 16) каждому интервалу времени перемещения s рабочего органа, отмеренному по оси абсцисс (горизонтальная прямая), соответствует наклонная линия и каждому выстою-—горизонтальная линия.
В прямоугольных циклограммах 8 н а каждому интервалу пе« ремещения рабочего органа соответствует свой прямоугольник с основанием в определенном масштабе для угла поворота глав* но го вала машины и с высотой, выполненной без учета какого* либо масштаба. Угол поворота главного вала, соответствующий интервалу движения или остановки данного рабочего органа, называют фазовым углом соответствующего исполнительного механизма.
В круговых циклограммах д кинематическому циклу каждого механизма соответствует кольцевая полоска произвольной ширины.
При проектировании машины (аппарата) учитывают, с одной стороны, чтобы длительность технологического цикла была наименьшей, с другой — чтобы фазы движения рабочих органов были достаточно большими и обеспечивали допустимые скорости и ускорения звеньев механизма. Решение этих вопросов во многом зависит от компоновки циклограммы, которая может быть с последовательным (см. рис. 16, в) и с совмещенным (см. рис. 16,2)движением рабочих органов.
Тк 尸 j + ”+%，
где та, тв, тс—длительность выполнения технологических операций (переходов) соответствующими рабочими органами.
Длительность кинематического цикла для второй циклограммы
Тк*=% + 以+тс — тдв — хвс»
где Тав и твс — длительность совмещенных движений рабочих органов.
При одинаковых значениях та, тв и твс на циклограммах
Следовательно, совмещение операций способствует уменьшению времени технологического цикла.
Развернутые прямоугольные цикловые диаграммы для машин с распределительными валами строят по угловому перемещению распределительного вала, считая, что вал вращается равномерно. Один оборот вала совершается за время кинематического Цикла машины [см. формулу (5.4)], а фазовый угол соответствующего исполнительного механизма или рабочего органа определяется по формуле
где о=2ял-^угловая скорость (л —частота вращения); т — фазовое время.
Если вал вращается неравномерно, то неравномерность учитывается масштабами циклограммы для соответствующих промежутков времени. Построение циклограммы начинают с выбора определяющего рабочего органа, от работы которого в наибольшей степени зависит время действия других рабочих органов, положение которых в процессе наладки регулируют в зависимости от положения рабочего органа.
Нахождение фазы работы рабочих органов производят по графикам их движения, начиная с нахождения фазы работы определяющего рабочего органа, т. е. от того рабочего органа, который определяет время действия других рабочих органов (обычно допускающих регулирование фазы их действия).
Фазу работы, например иглы швейной машины (определяющего рабочего органа), определяют по графику закона ее движения y=f{^) (рис. 17).
По циклограмме нельзя определить положения, которые рабочие органы занимают в данный момент времени на своих траекториях. А это часто бывает необходимо, например, при совмещении движений рабочих органов, выполняющих совокупность технологических операций в последовательно-технологичен ском режиме с целью сокращения времени обработки объекта.
Рис. 17. Схема определения фазы работы иглы швейной машины:
Н—величина хода иглы; в—величина погружения иглы ниже уровня I—I игольной пластинки; q)i и фз■—углы поворота главного Bg- ла, соответствующие входу н выходу иглы нз ткани; Фр.х = ф2—<Pi — искомый угол новорота главного вала, соответствующий рабочему ходу иглы .
Для решения такой задачи служит синхро грамма рабочих органов― графики перемещений рабочих органов, совмещенные на одной оси времени и выполненные в масштабе.
Составление циклограмм для машин с нежестким циклом сводится к выявлению необходимой последовательности в движении рабочих органов. Если отдельные механизмы могут рабо^ тать не обязательно последовательно, то рекомендуется максимально совмещать операции во времени для увеличения производительности машины.
Циклограммы машин с жестким циклом должны отражать не только последовательность работы механизмов, но и фазовые углы всех рабочих органов, поэтому их разрабатывают более подробно, чем предыдущие.
Глава VIГлава VIПРОЕКТИРОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАШИН И УСТРОЙСТВ АППАРАТОВ
Глава VI
Глава VI
ПОНЯТИЕ О ФУНКЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ МЕХАНИЗМА И ЕЕ ПРОИЗВОДНОЙ
Выполняемая машиной работа непосредственно связана с работой исполнительных механизмов, от которых они получают необходимую кинетическую энергию. Поэтому при проектировании испол нительн ых механизмов весьма важно обеспечить выполняемую ими функцию по передаче энергии от ведомого звена механизма к рабочим органам в соответствии с требуемыми закономерностями преобразования движения.
При проектировании и анализе механизмов, особенно при составлении динамических моделей реальных конструкций механизмов, механизм сначала представляют в виде модели, отражающей его кинематическую сущность в функциональной зависимости звеньев. Данная математическая модель представ- ляет собой геометрическую зависимость, описывающую движение в виде угла поворота ф или же пути s точки К ведомого звена В в зависимости от характера движения ведущего звена Л (рис, 18), т. е.
Ъ=Ф(?А)；(б」)
Рис. 18. Схемы механизмов:а — с вращающимися ведущими и ведомыми звеньями; б — с вращающимися ведущим и поступательно движущимся ведомым звеньямиРис. 18. Схемы механизмов:а — с вращающимися ведущими и ведомыми звеньями; б — с вращающимися ведущим и поступательно движущимся ведомым звеньями«К=Ф(?А)» «к = Ф(«с)-(6・2)
Рис. 18. Схемы механизмов:
а — с вращающимися ведущими и ведомыми звеньями; б — с вращающимися ведущим и поступательно движущимся ведомым звеньями
Рис. 18. Схемы механизмов:
а — с вращающимися ведущими и ведомыми звеньями; б — с вращающимися ведущим и поступательно движущимся ведомым звеньями
Такие зависимости принято называть функциями положения, или аналогами перемещения, так как эти функции являются подобными для определенных типов механизмов. Функция положения зависит от структуры, схемы механизма и размеров его звеньев и не зависит от режима его движения, т. е. от абсолютных значений скоростей звеньев. Известны три способа вывода уравнений связи — функций положе-
ния различных механизмов: решением треугольников, образованных звеньями; проектированием размеров звеньев на оси прямоугольной системы координат; приравниванием относительных перемещений контактирующих элементов звеньев. Функции положения в аналитическом виде обычно выражаются сложными уравнениями. Значительно проще они получаются в графической форме с помощью разметки траектории точек ведущего и ведомого звеньев для соответствующих значений 屮 и (р. Откладывая эти углы в качестве ординат в прямоугольной системе осей *ф и ф, получают график, представляющий собой функцию положения <ф = Ф((р). Зная функцию положения, по из-
вестному закону движения ведущего звена можно закономерность движения ведомого, т. е.
屮2=0 回1©1，
SK=egA (叫，
а также скорость и ускорение его.
Скорость ведомого звена определяют по формуле
определить
(6.3) (6-4)
dP d^A d% ds
dp
dP d^A
=吸4,
(6.5)
力吟，
(6.6)
где'производную 0’ называют аналогом скорости.
Передаточные коэффициенты перемещения представляют собой зависимости
П ередаточным фициентом скоростей) ции положения, т. е.
北=屮日/0(屮儿
% = £«/⑦(屮а).，
отношением (передаточным коэф- называют первую производную от функ-
Если передаточное
6 = зв№а=1*
О, = ®к/(о&=i. отношение постоянно, то 屮j8= J ^^ {^jd~ ^А*
(6.7)
(6.8)
Пример. Выразить в аналитическом виде перемещение ведомого звена и одновременно функцию положения центрального кривошипно-ползунного ме* ханизма иглы швейной машины (см. рис. 96, а). Определить также передаточное отношение механизма.
Перемещение ползуна
s = ф(у) ■■ г (1 — cos у) + 方-sin2 у.
где <p=tt>x (со — угловая скорость кривошипа; т — время); г и 屮—соответ* ственно радиус и угол поворота кривошипа; /—； длина шатуна.
Передаточное отношение механизма выразится так
г = аФ/d^ =⑦‘ =г (sing +"^~ sin2g)=加日(§)/(й・(6. 9)
Это переменное отношение полностью определяет закономерность изменения скорости ползуна шв при постоянной угловой скорости кривошипа s.
Для оценки динамических свойств механизма определяют вторую производную ⑦",характеризующую изменение скорости.
Классификация элементарных механизмов по функциям положения звеньев. Учитывая, что функция положения или ее производная (передаточное отношение) является основной кинематической характеристикой механизма и что проектирование механизма ведется по требуемому передаточному отношению, элементарные механизмы разделяют на группы по конструктивным признакам и в зависимости от их передаточного отношения [17].
Так, механизмы с жесткими геометрическими (голономны- ми) связями по конструктивному устройству подразделяют на четыре типа: рычажные, зубчатые, кулачковые и шаговые (рис. 19). Такая классификация позволяет для механизмов каждого типа рассмотреть их кинематические и динамические свойства, методы расчета и синтеза, а также провести сравнительный анализ возможных схем.
По классу воспроизводимых функций положения или по передаточному отношению i элементарные механизмы разделены на три группы, учитывающие их конструктивный признак (тип).
В каждой из этих групп различают две разновидности механизмов: с неограниченным перемещением хотя бы одного звена (подгруппа 4) и с ограниченным перемещением всех звеньев (подгруппа Б).
ВЫБОР ТИПА И СТРУКТУРЫ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАШИН И РАБОЧИХ УСТРОЙСТВ АППАРАТОВ
При проектировании механизмов необходимо она* чала выбрать его тип. При выборе типа механизма рекомендуется р у ков одствов аться таблицей, приведенной на рис. 20. В ней для различных случаев движений ведущего и ведомого звеньев предлагаются соответствующие типы элементарных механизмов, которые определены по приведенной выше их классификации в соответствии с рис. 19.)
По своей структуре механизмы с точки зрения функции положения .бывают простыми и составными. Составные механизмы можно составлять из числа элементарных механизмов.
Нинематичесний признак
Конструнти.8ный (структурный) признак механизмов
0a8“ки 研晔屮必 положений при ] неограниченном ^одностороннем) перед мелении *。力，Л/ одного звена ，
рычажных
3y5qQEt>! X
купачноЗых
шаговь/х
Переда^ и"и忆々
Б
d
万
(6)
一
(斗
0
。。
Пульсаторы
"他從』
А
5
о3
Преобразователи "8"a8>0
4
6
А
5
Рис. 19. Классификация элементарных механизмов по кинематическому и конструктивному признакам
Движение ведущего з&вна
Движение ведомого звена
Одмост ороннее
ВозбратМое
Непрерывное
С
Прерывистое
Без длительных остановов
С длительными остановами
=а
Непрерывное
Зубчатый ^рычажный,)
ЛА шаговый
迎力 рычажный ^кулачнавый,)
НА Кулачновый.
Прерывистое
—
W4仅Q Зубчатый pbi^a^Hbiu. (шагоЗыа)
一
Ж А (Ж) рычажный ^нд^ачкобый)
Без длительных останоВод
SLA 一 рычажный
2rs тагобый,- -обгонный
工5质 рычажный зубчатый нулачковый
迎万 нулаяковый
•С длительными астанобами.
二。
таговый- -обгонный
15 рычажный зу^чать/й ^кулачковый)
Рис. 20. Выбор типа механизма для различных случаев движения ведущего и ведомого звеньев
Составные механизмы применяют в следующих двух основных случаях (см. рис. 19).
Если по воспроизводимым функциям заданы такие условия, которым не удовлетворяет ни один элементарный механизм из рис. 19, то решение следует искать с помощью составного механизма, который сочетает свойства нескольких элементарных механизмов, например рычажных и кулачковых.
Иногда бывает целесообразно по конструктивным причинам элементарный механизм одного типа заменить механизмом, составленным из механизмов разных типов: зубчато-кулачковых, зубчато-рычажных и др. Например при непрерывном вращении ведущего звена можно получить одностороннее прерывистое движение ведомого посредством элементарного шагового механизма. Но эту же задачу можно решить, применив последовательно два механизма: рычажным (кривошипно-коромысловым) механизмом вращательное движение преобразовать в возвратное, а обгонным (храповым) механизмом возвратное движение коромысла трансформировать в одностороннее прерывистое перемещение ведомого звена.
Выбор типа и структуры исполнительных механизмов предопределяют кинематические и силовые факторы движения ведомого звена, с которым кинематически связаны рабочие органы, а также конструктивные эксплуатационные и другие особенности механизмов и машины в целом.
При проектировании аппаратов выбор конструктивных типов рабочих устройств, обеспечивающих заданную производительность или интенсивность процесса, производят по параметрам, определяющим скорость тепловых и массообменных потоков, материальных потоков жидкостей и газов. Такими являются параметры, характеризующие движущие силы процессов и коэффициенты скоростей процессов. Рекомендации по выбору конструктивных типов рабочих устройств аппаратов приводятся в специальной литературе [3, 14, 15, 21].
§ 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ
Проектирование исполнительных механизмов состо-, ит из двух основных этапов:”
разработки структурной схемы механизма;
разработки кинематической схемы механизма.
Разработку структурной схемы механизма производят либо на основе выбранного типового механизма по виду функций положения из числа известных механизмов с последующим структурным анализом этого механизма, либо составляя сложную схему механизма по методу структурного синтеза.
Структурный синтез механизмов, т. е. составление новых их схем без определения размеров звеньев, базируется на учении о
кинематических парах и степенях свободы кинематических цепей. Так, для плоского механизма число степ ней свободы определяют по формуле Чебышева
gp=3z — 2Pl — p2, где z — число подвижных звеньев; pi — число пар первого рода; 小一число пар второго рода.
При соединении (последовательном, параллельном или смешанном) элементарных механизмов ведомое звено одного механизма жестко соединяется с ведущим звеном другого механизма и число степеней свободы определяется по формуле
晒СВ = ^св1 + 加叫 + 加叫 + … + ^свл — %， где zc — число соединений между механизмами.
В результате структурного синтеза схема механизма представляется либо в виде графического изображения с применением условных обозначений звеньев и кинематических пар (без указания размеров звеньев), либо аналитической зависимостью, допускающей применение ЭВМ.
Структурная схема сложного зубчатого механизма, применяемого в валковых исполнительных механизмах с регулируемым зазором между рабочими валками и передачей принудительного движения валкам, приведена на рис. 21.
Разработка кинем атическо й схемы механиз* м а относится к метрическому синтезу кинематической (функ- циональной) схемы. При метрическом &синтезе определяют основные размеры
звеньев механизма по заданной функции 5 BY^^^fjj^ с \ положения, определяющей закономер- 1 \^""|Н^^ j ность движения ведомого (исполнитель' /^^¥^\кого) звена, или по заданной траектории
Рис. 21. Структурная схема сложного зубчатого механизма:
^—неподвижное звено;丿一колесо зубчатое ведущее; 2— колесо зубчатое промежуточное; 3 и 4—колеса зубчатые ведомые; 5, 6 н 7—звенья кривошипно-ползунного механизма: 4 В, С, О — низшие кинематические пары
одной из его точек и ряду ограничивающих условий и качествен- ннх критериев.
Имеется два основных направления синтеза механизмов — аналитический и геометрический. В основе аналитического синтеза, например рычажных механизмов, лежат свойства траекторий точек кривых, приближающихся частично или на всем протяжении функции положения к прямым линиям или окружностям.
Геометрический синтез базируется на основах кинематической геометрии, т. е. сводится к нахождению параметров механизма, определяющихся линейными размерами и угловыми положениями звеньев. Синтез осуществляется на основе исследования и изучения закономерностей изменения основных параметров механизма.
Проектирование механизмов с низшими кинематическими парами по функциям положения в большинстве случаев может .быть осуществлено лишь приближенно, т. е. с допущениями.
Существует два метода синтеза:
путем оптимизации параметров механизма с применением электронных цифровых вычислительных машин;
путем приближения функций положения механизма.
Вопросам синтеза посвящены специальные работы по теории механизмов.
После определения на основе анализа или синтеза механизма и его параметров переходят к конструктивной разработке механизма в соответствии с требуемыми технико-экономическими показателями при изготовлении эксплуатации, ремонте и т. д. При этом учитывают конструктивные особенности проектируемых механизмов.
Выбор структурной схемы рычажного механизма производят на основе заданных или требуемых движений ведущего и ведомого звеньев. Эти движения различают по характеру (непрерывное, возвратное, с длительными остановками и т. п.) и по виду (вращательное, поступательное).
Все виды рычажных четырехзвенных механизмов по назначению разделяют на три группы:
для преобразования движения, например непрерывного в возвратное (^преобразователи движения);
для передачи непрерывного движения (передачи с неограниченным перемещением звеньев);7
для передачи качательного движения (передачи с ограниченным перемещением звеньев).
В состав рычажных механизмов входят только вращательные и поступательные кинематические пары. Благодаря этому рычажные механизмы могут передавать значительно большие усилия и мощности по сравнению с любыми другими механизмами в аналогичных условиях (одинаковые размеры, материалы звеньев и скорости их движения).
Рычажные механизмы обладают высоким КПД, поскольку низшие пары смазываются лучше, чем высшие, и в этих механизмах широко применяются подшипники качения. Звенья рычажных механизмов проще изготовить, чем, например, кулачки или зубчатые колеса,、
Однако рычажные механизмы в отличие от кулачковых могут воспроизводить только некоторые функции положения и не могут обеспечить любое наперед заданное движение ведомого
звена (^например, с длительными остановками в двух положениях).
Рычажные механизмы широко применяют в различных машинах бытового назначения: в швейных и обувных машинах, в
гладильных прессах, в машинах для раскроя текстильных мате- риалов, в приводах стиральных машин и центрифуг н т. д. Особенно широкое распространение среди
Рис. 22. Схема нагружения кривошипно-ползуи- ного механизмаРис. 22. Схема нагружения кривошипно-ползуи- ного механизмарычажных механизмов получили кривошипно-ползунные механизмы (рнс. 22). Сила инерции поступательно движущихся частей механизма
Рис. 22. Схема нагружения кривошипно-ползуи- ного механизма
Рис. 22. Схема нагружения кривошипно-ползуи- ного механизма
FH=mnr^ (cos а + х cos 2а),
где /пп — масса поступательно движущихся частей (ползуна и Тз части массы шатуна); г — радиус кривошипа; (о ——угловая скорость кривошипа; а — угол поворота кривошипа; %—г// (/ — длина шатуна).
Сила (центробежная) инерции вращающихся масс (масса кривошипа, 2/з массы шатуна, масса шатунной шейки и другие неуравновешенные части, приведенные к оси кривошипа)
fa=rnBpr^,
где твр ——вращающаяся масса.
Суммарная сила, действующая в направлении по оси ползуна.
尸=尸3+尸Н +尸TP，
где Рпол——технологическая (полезная) сила; сила Гтр — сила трения поступательно движущихся частей.
Сила, действующая по оси шатуна,
Pm = P/C0S 0.
Сила, действующая на опору ползуна,
Po=jPtg0.
Тангенциальная сила, действующая на кривошип,
Рт = —Р sin(a4-0)/cos0.
Радиальная сила, действующая на кривошип,
Рр=Р со$(а+8)/со$ 0.
Эффективная передача сил в механизмах позволяет получить высокий механический КПД при достаточно малых углах давления (угол 0 = arccosPin/P).
Каждая из указанных выше сил за цикл работы механизма изменяется, вызывая в механизме соответствующие дннамнче-
(рис. 23) массой т с(рис. 23) массой т сРис. 23. Схема распределения массы звенаРис. 23. Схема распределения массы звенаскне явления н износ в кинематических парах, что необходимо учитывать при проектировании н конструктивной разработке механизма.
(рис. 23) массой т с
(рис. 23) массой т с
Рис. 23. Схема распределения массы звена
Рис. 23. Схема распределения массы звена
При силовом анализе механизмов пользуются заменой реальных звеньев с распределе-нной массой фиктивными, у которых масса звена распределена по отдельным точкам.
Условия замены, например звена АВ центром тяжести в точке S с координатами а н & звеном с тремя массами тА, ms н тв, следующие:
общая масса звена m=rnA-\-ms-\-
■Ь^в；
при сохранении центра тяжести на прежнем месте статические моменты точечных масс относительно точки S должны равняться нулю, т. е. —mB& = 0;
момент инерции звена относительно центра тяжести у фиктивного звена должен остаться прежним, т. е. 加№ 十 十加3械=厶
Таким образом, нз условий динамической замены масс
> ПА=/в/(а/)； mB=Is/(bl) \ ms—m — Isl{ab),
Рнс. 24. Схема (а) и графики (6) проектирования кривошипно-ползунного механизмаРнс. 24. Схема (а) и графики (6) проектирования кривошипно-ползунного механизмаВ практике проектирования исполнительных механизмов удобно использовать аналоги скоростей точек механизма (первые производные функции положения точек). Так, например, для кривошипно-ползунного механизма (рнс. 24) легко найти отношение величин wB/wA=iBA в функции параметров % = г// и
Рнс. 24. Схема (а) и графики (6) проектирования кривошипно-ползунного механизма
Рнс. 24. Схема (а) и графики (6) проектирования кривошипно-ползунного механизма
l=Z/r в результате построения повернутого плана скоростей и подобия фигур этого плана и механизма в масштабе длины кривошипа.
Затем, построив график аналога скоростей 1ва = ^в/^а для нескольких величин % и 九 в пределах одного оборота ведущего звена, можно, пользуясь этим графиком, подобрать по заданным условиям (^например, скорости wB) параметры % и X, а по ним и размеры звеньев. -
Зубчатые механизмы применяют для передачи вращательного движения с одновременным изменением в i раз (1АВ = @аКв ——передаточное отношение) угловой скорости и передаваемого момента. Зубчатые механизмы широко применяются во многих машинах швейного и обувного производства, производства химической чистки одежды и стирки белья.
Элементарные зубчатые механизмы могут быть простыми с неподвижными геометрическими осями и сателлитными подвижными осями.
Расчет зубчатых механизмов с неподвижными осями при известном передаточном отношении включает определение чисел зубьев, выбор параметров для корригирования колес, определение нагрузки на зубьях и КПД.
Расчет сателлитных передач связан с рядом особенностей: обеспечение соосности; установление возможно большего числа сателлитов с целью уменьшения нагрузки на каждую пару зубьев; при сборке зубья каждого сателлита должны одновременно войти в зацепление с обоими центральными колесами.
Кулачковые механизмы могут быть спроектированы для воспроизведения любой заданной функции положения. Недостатком кулачковых механизмов является необходимость силового или геометрического замыкания, что вызывает значительные нагрузки на звенья механизма и их быстрый износ или усложнение конструкции.
Синтез кулачковых механизмов осуществл яется в два этапа. Первый этап — определение основных размеров механизма (минимальный радиус — вектор кулачка, длина коромысла и т. и.), второй — определение элемента высшей пары на кулачке (профиль плоского кулачка, сопряженная поверхность пространственного кулачка) по заданной зависимости между перемещениями входного и выходного звеньев.
Основные размеры кулачкового механизма выбирают из условий выполнения заданных ограничений, из которых в первую очередь надо отметить ограничение по углу давления на ведомое звено. Основные недостатки кулачковых механизмов — быстрый износ вследствие наличия у них высших кинематических пар и трудность осуществления переналадки.
Кулачковые механизмы широко применяются в швейных и обувных машинах, в машинах-полуавтоматах, в механизмах системы автоматического управления.
Порядок проектирования кулачковых механизмов следующий:
выбор схемы механизма;
выбор функции положения;
определение основных размеров;
расчет профиля кулачка;
вспомогательные расчеты для некоторых механизмов (например, для механизмов систем автоматического управления).
Шаговые механизмы всегда имеют ведомое звено, движущееся в одну сторону с периодическими остановами. В зависимости от характера движения ведущего звена шаговые механизмы делятся на три группы:
с неогр аниченным движением звена (мальтийские механиз- ьш);
с возвратным движением ведущего звена >—храповый механизм и его разновидность;
с управляющим движением звена, например храповый или анкерный механизм, у которых храповое колесо вращается под действием некоторого движущего момента, а вращение этого звена ограничивается управляющим звеном (храповиком, анкерной вилкой).
Шаговые механизмы применяются в швейных и обувных машинах, в дозирующих устройствах стиральных 必 других машин, в различных приборах.
Различные варианты шаговых механизмов сравнивают с учь том сложности схемы, величины передаваемой мощности, частоты циклов и безразмерных коэффициентов, характеризующих кинематику и динамику ведомого звена.
Коэффициент скорости ведомого звена ^^ определяют по выражению
e％=吗/8改=力1-2吗/(屮/ 7)，
• 1'де fi_2 — передаточное отношение звеньев; <й[——угловая скорость ведущего звена; ф ——ход (угол поворота) ведомого звена； Т ——время движения.
Коэффициент ускорения
死" = %/("2),
где е2 ——угловое ускорение ведомого звена.
Коэффициент динамической мощности
где ^y — динамическая мощность, необходимая для ускоренного движения ведомого звена; N — условное «среднее» значение этой мощности при ^Ср
равноускоренном -движении иа всем интервале Т.
В фрикционных механизмах типа колес и валков движение от ведущего звена к ведомому передается только с помощью сил трения, поэтому эти механизмы передают меньшие мощности, чем зубчатые. Фрикционные пары типа колес
бывают цилиндрическими, коническими и лобовыми, которые взаимодействуют между собой непосредственно либо через промежуточное звено, например подаваемый или обрабатываемый этими парами материал.
Фрикционные механизмы валкового типа применяют в дво- ильных машинах ремонтно-обувного производства, в гладильном оборудовании швейного производства и производства химической очистки одежды.
Кроме рассмотренных механизмов, широкое применение получили механизмы, в состав которых входят упругие, гибкие, жидкие и газообразные тела.
К упругим звеньям относят пружины, мембраны и др., упругие деформации которых оказывают существенное влияние на работу механизма. К жидким и газообразным звеньям относят масло, воду, газ, воздух и т. п., перемещаемые по специальным коммуникациям внутри машины, устройства, к гибким-—ремни, ленты, цепи, канаты и др. Механизмы с гибкими звеньями применяют в том случае, когда в исполнительных механизмах требуется получить непрерывное поступательное движение ведомого звена и когда не требуется строгого условия обеспечения постоянства передаточного отношения, например механизмы ленточных ножей в двоильно-ленточных машинах ремонтно-обувного производства и в раскройно-ленточных машинах швейного производства.
Механизм ленточного ножа представляет собой фрикционную передачу с гибким звеном, которое на одном из прямолинейных его участков выполняет функцию рабочего органа — ножа.
Гидравлические и пневматические м ех ан и з- м ы обеспечивают сравнительно легкую возможность бесступенчатого регулирования скоростей в широком диапазоне, охватывающем не только наладку, ио и регулирование при активном контроле или по программе режима работы машины в процессе проведения технологической операции. Обладая большой степенью редукции, гидравлические и пневматические механизмы позволяют получить большие усилия на ведомом звене исполнительного механизма (на рабочем органе). При частых включениях и выключениях, пусках и остановах при этих устройствах быстро достигаются максимальные обороты и скорости рабочих органов. Быстрота срабатывания и чувствительность устройств механизмов позволяет использовать эти механизмы для усиле- ния командного импульса благодаря чему они нашли широкое применение в системах управления машинами (аппаратами).
Гидравлические и пневматические механизмы просты, экономичны и надежны в работе.
Однако гидравлические и пневматические механизмы их имеют следующие недостатки:
невозможность сохранения постоянства передаточного отно-
шения механизма из-за изменения параметров рабочего тела (температуры, вязкости);
наличие у пневматических устройств неравномерного (скачкообразного) движения ведомого звена при переменной внешней нагрузке за счет упругости воздуха;
зависимость механических характеристик устройств от температуры;
снижение КПД системы за счет утечек жидкости через неплотности в соединениях;
сравнительно высокая требуемая точность, изготовления сопряженных деталей гидравлических и пневматических устройств.
Гидравлические и пневматические механизмы нашли широкое применение в прессах различных конструкций и в других машинах.
РАЗРАБОТКА КИНЕМАТИЧЕСКОЙ, ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ И ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СХЕМ МАШИНЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ АППАРАТА
Кинематическая, гидравлическая, пневматическая (или комбинированная) схемы машины отражают соответственно механические, гидравлические и пневматические (или комбинированные) принципы взаимодействия и работы элементов машин. Эти схемы дают представление о том, как механическое. движение и энергия передаются от источника до пункта ее использования, преобразования, потребления. Схемы являются принципиальными и позволяют установить, какие элементы и сколько входят в схему, как и в какие сочетания (например, кинематические пары) они объединяются, а также позволяют видеть, какова траектория движения характерных точек системы (напрймер, рабочих органов).
Условные изображения элементов кинематики выполняют по ГОСТ 2.770—68, а правила выполнения схем по ГОСТ 2.703—68.
Кинематические схемы вычерчивают в виде плоскостного (вид спереди и вид сбоку) н пространственного изображений.
На кинематической схеме указывают:
.наименование каждой кинематической группы элементов (например, привод конвейера);
основные характеристики и параметры кинематических элементов.
Если кинематическая схема служит для динамического анализа, то на ней указывают необходимые размеры и характеристики элементов. Каждому кинематическому элементу на схеме присваивают порядковый номер. Валы нумеруют римскими цифрами, остальные элементы — арабскими. Комплектующим или заимствованным механизмам (редукторам, вариаторам и т. д.) присваивают порядковый номер всего механизма.
На кинематических схемах указывают тип, мощность и ча-' стоту вращения электродвигателей, типоразмер, исполнение и передаточное отношение редукторов, диаметр и ширину шкивов, типы и количество клиновые ремней, число зубьев и модули зубчатых передач, число заходов и шаги цепных передач, число заходов, шаг и направление нагрузки червяков, винтов, типоразмеры муфт и пр.
Таблицу элементов и их характеристик представляют на листе схемы или отдельно.
В качестве примера на рис. 25 приведена кинематическая схема обувной двоильной машины ДН, развернутой в горизонтальной плоскости.
Рис. 25. Кинематическая схема обувной двоильиой машины ДН:Рис. 25. Кинематическая схема обувной двоильиой машины ДН:
Рис. 25. Кинематическая схема обувной двоильиой машины ДН:
Рис. 25. Кинематическая схема обувной двоильиой машины ДН:
7—электродвигатель; 2—му巾та; 3 и //—рукоятки для проверки вращения механизмов и установки толщины двоения; 4—вал передаточный; 5 и 27—валики подающие; 6— шкала установки толщины двоения; 7——обрабатываемая деталь； 8 и 15——ползуны клиновидные; 9 и рычаги поворотные; 10, J2, J3, J6, /7, J8, 20, 22, 29 и 30—косозубые зубчатые колеса; /9—гайки; 21—втулки; 23 н 25—пружины; 24, 26 и 2S—соответственно направляющие валы и ленты конвейера
Конечной целью проектирования кинематической схемы машины является воспроизведение заданных движений рабочих органов. Спроектированная кинематическая схема должна способствовать обеспечению максимально возможной простоты конструкции, максимально возможной степени механизации и' автоматизации процесса, возможно более высокого коэффициента полезного действия, необходимой точности движения, достаточной надежности в работе, удобству настройки, долговечности звеньев и рабочих пар, компактности, максимальному использованию стандартных элементов, удобству ремонта и монтажа, безопасности действия, соответствию Современной технической эстетике. Чтобы разработать кинематику, необходимо
располагать характеристиками движений ведущего и ведомых звеньев каждой цепи.
Общие положения по разработке кинематики сводятся к следующему.
Кинематическая схема содержит тем меньше передач, чем меньше различаются скорости ведущего и ведомого звеньев; полное передаточное отношение кинематической цепи можно разложить на частные передаточные отношения, где каждый множитель отвечает отдельному механизму (передаче):
力0= %,力 2，»3‘…Xz—(6.10)
где 九 必 is,...»tz_b % ——частные передаточные отношения, считая по направлению от начального ведущего к конечному ведомому.
Наиболее выгодно с точки зрения компактности конструкции разделить полное передаточное отношение таким образом, чтобы частные передаточные отношения были расположены в порядке уменьшающихся величин:
%》》2〉&〉…》〃Т》忆 (6.11)
При этом необходимо стремиться расположить наиболее энергоемкие механизмы ближе к главному валу машины. Эти условия способствуют обеспечению компактности кинематической цепи, учитывая, что многие размеры деталей механизмов кинематической цепи, передающей определенную мощность, по мере уменьшения числа оборотов и одновременного увеличения окружной нагрузки увеличиваются.
Замкнутые кинематические цепи следует проектировать так, чтобы в них не было циркулирующей мощности, дополнительно увеличивающей нагрузки в деталях машин за счет передачи крутящего момента от циркулирующей мощности.
Ременные передачи при низкой скорости движения ремня работают Неудовлетворительно, поэтому их не следует располагать в тихоходных участках кинематической цепи.
При построении кинематической схемы следует стремиться к сокращению разнообразия типов энергодвигателей, использованию наиболее совершенного привода. Использование в системах управления пневматики и гидравлики позволяет значительно упростить пространственную кинематику, обеспечить универсальность устройств и широкий диапазон плавного регулирования скорости перемещения рабочих органов.
Необходимо учитывать при проектировании динамические свойства механизмов, так как эти свойства предопределяют динамические нагрузки и характер движения звеньев кинематических цепей.
В основе расчета кинематических цепей механизмов лежат две задачи динамики: первая — по известному закону движения ведущего звена определить силы, приложенные к звеньям механизма. Эту задачу решают методом кинетостатики по уравне-
нию Даламбера. Например, для кинематической цепи, трансформирующей кратные круговые движения,
где Мкр=Мдп и Мс — моменты соответственно крутящий, движущий и сопротивления.
Вторая задача динамики кинематической цепи — по заданным силам определить закон движения по уравнениям Лагранжа, представляющим собой универсальный математический аппарат. Так как каждая цепь представляет систему материальных тел, находящихся в относительном движении, движение этой системы аналитически может быть выражено в виде уравнений Лагранжа второго рода через обобщенные силы:
*（礬卜噤（6.12）
изменение кинетической энергии, обусловленноеизменение кинетической энергии, обусловленноедвижущей силой; Ек ——кинетическаядвижущей силой; Ек ——кинетическаяэнергия;—；— дхэнергия;—；— дхизменениеизменениеактивнойкинетичеактивнойкинетической энергии, обусловленное активной силой (моментом) сопротивления; х —— производная от перемещения по времени (скорость); х — перемещение (обобщенная координата); Pi — обобщенная сила (момент) инерции.ской энергии, обусловленное активной силой (моментом) сопротивления; х —— производная от перемещения по времени (скорость); х — перемещение (обобщенная координата); Pi — обобщенная сила (момент) инерции.
изменение кинетической энергии, обусловленное
изменение кинетической энергии, обусловленное
движущей силой; Ек ——кинетическая
движущей силой; Ек ——кинетическая
энергия;—；— дх
энергия;—；— дх
изменение
изменение
активной
кинетиче
активной
кинетиче
ской энергии, обусловленное активной силой (моментом) сопротивления; х —— производная от перемещения по времени (скорость); х — перемещение (обобщенная координата); Pi — обобщенная сила (момент) инерции.
ской энергии, обусловленное активной силой (моментом) сопротивления; х —— производная от перемещения по времени (скорость); х — перемещение (обобщенная координата); Pi — обобщенная сила (момент) инерции.
Уравнение Лагранжа, например, для кинематической цепи, кратно-трансформирующей линейно-круговые движения, имеет вид
где /Пр и /Пир — приведенные момент инерции и масса;之一количество элементов кинематической цепи.
После окончательной компоновки общей кинематической схемы в машинах с жестким циклом рассчитывают относительные углы, под которыми на распределительном валу закрепляют ведущие звенья различных исполнительных механизмов. Для этого на ведущем звене применительно к каждому механизму проводится условный радиус——вектор, называемый фазовой линией.
Положение механизма, в котором рабочий орган занимает крайнюю позицию перед началом рабочего или прямого хода, считается нулевым, или начальным (рис. 26,а).
Для определения углов закрепления между фазовыми линиями замеряют углы 0 между фазовой линией 03 основного механизма и фазовьями линиями 01, 02, 04 остальных механизмов. От фазовой линии 03 основного механизма отмеряют в направлении против вращения распределительного вала все углы: 61з, 023» 043- Углы закрепления между двумя фазовыми линия-
ми, например ai3 (рис. 26,6), определяют по выражению, согласуй с циклограммой,
% = % + (% —叫)’ (6.13) где (q)ie—設j—угол на циклограмме, на который необходимо повернуть распределительный вал, чтобы фазовая линия i-ro механизма заняла требуемую позицию по отношению к фазовой линии основного й-го механизма; |q и q)he— углы на циклограмме соответственно между нулевым положением распределительного вала и f-м и 盍-м рабочими органами.
Гидравлические и пневматические исполнительные механизмы обычно являются завершающими элементами в гидро- и
пневмосистемах, в которых, двигатели-насосы, регуляторы давления и расхода рабочих тел (масла, воздуха), распределители и переключатели потоков рабочих тел, контрольноизмерительные прибо- рн, баки для слива и хранения рабочих тел.
Рис. 26. Схема определения углов закрепления звеньев механизмов на распределительном валу: а—схема расположения механизмов в нулевом положении; б—схема углов закрепления звеньев
пом'имо этих механизмов, имеютсяпом'имо этих механизмов, имеются0303Условные элементы гидравлики и пневматики изображают по ГОСТ 2.780—68, а правила выполнения гидравлических и пневматических схем — по ГОСТ 2.704—68.
пом'имо этих механизмов, имеются
пом'имо этих механизмов, имеются
03
03
Перечень элементов гидравлических и пневматических схем также оформляют в виде таблицы. На полях схем допускается указывать данные, необходимые для монтажа: испытания и проверки системы (маркировку трубопроводов, рабочие среды, рабочие и пробные давления, температуру и др：).
На рис. 27 показана гидравлическая схема механизма, предназначенного для приведения в движение силового поршня, шток которого связан с рабочим органом машины.
Схема пневматического механизма имеет аналогичный вид, только насос заменяется источником сжатого воздуха (компрессором), а выброс отработавшего воздуха происходит в атмосферу.
Совокупность кинематических, гидравлических и пневматических элементов и устройств на схемах изображают в виде условных графических изображений.
Разработка технологическо.й схемы а п п а р а-
т а производится на основе его принципиальной схемы и включает в себя комплексную разработку общей схемы аппарата,
Рис. 27. Гидравлическая схема механизма:Рис. 27. Гидравлическая схема механизма:учитывающей совместную работу его основных и вспомогательных устройств.
Рис. 27. Гидравлическая схема механизма:
Рис. 27. Гидравлическая схема механизма:
При разработке схемы решают вопросы обеспечения заданного количества й рационального движения материальных и энергетических потоков и их требуемых параметров (температуры, давления и т. д.), рациональных связей
..между источниками энергии и
/一распределитель; 2, 6—электромагии-「
ты; 3—гидроцилиидр; 4—и呼тень； 5—тор- ДВИЖЕНИЯ МаТ&рИИЛЬНЫХ ПОТО- мозное устройство; 7——маслобак; 8—巾нльтр; ксв 9—клапан переливной; /0—гидронасос八°
'На технологических схемах
показывают рабочие и вспомогательные устройства аппаратов, их энергетические и другие связи и коммуникации, направления движения и рабочие параметры (температуры, давление, напряжение электростатического поля и т. д.), материальных и энергетических потоков. При выполнении схем применяют стандартизованные графические изображения элементов, а в тех случаях, если их нет, используют нестандартизированные условные графические изображения в виде внешних очертаний элементов.
К аппаратным процессам обработки изделий относятся, например, процессы химической чистки и стирки одежды, осуществляющиеся с применением машин химической чистки и стиральных машин. Разработка технологических схем этих машин включает комплексную разработку аппаратной и механической их частей. На рис. 28 гтриведена технологическая схема машины химической чистки, в состав которой входят: подвижный аппарат——р.абочий барабан, а также аппараты для хранения, регенерации и рекуперации растворителя, теплообменные аппараты, система коммуникаций тепло- и массопотоков.
В процессе разработки технологической схемы аппарата уточняют производительность, время пребывания объектов обработки в аппарате, основные размеры рабочего устройства аппарата. При расчетах также уточняют оптимальные параметры технологического режима, которые были намечены ранее. В зависимости от агрессивности среды, температуры и давления в аппарате выбирают основные конструкционные материалы, из которых следует изготовлять аппаратуры, увязывая размеры последних с механическими характеристиками материалов.
В технологическом расчете комплексно решаются вопросы гидродинамики, тепло- и массопередачи и кинетики для нахож-
дения наиболее экономически рациональных параметров технологических процессов и аппаратов.
Расчеты материальных потоков сочетаются с тепловыми расчетами, так как рациональное использование тепла нередко оказывается решающим при выборе различных способов обработки.
“ —РастворительО Смотровое окноПары растворителеX Заддижна с ручным упра^/тенаем конденсат растворигпелЯ两 ЗаЭвижка с пневматичесним упра^генибм“ —РастворительО Смотровое окноПары растворителеX Заддижна с ручным упра^/тенаем конденсат растворигпелЯ两 ЗаЭвижка с пневматичесним упра^генибмРис. 28. Технологическая схема машины химической чистки КХ-012:/—бак для чистого растворителя; /7——бак резервный; 777——бак для получистого растворителя: /——барабан моечный; 2—регулятор уровня； 3—бачок для усилителя; 4—фильтр воздушный； 5—вентилятор; 6—конденсатор; 7—калорифер; 8—адсорбер; 9—конденсатор дистиллятора; 10—фильтр; //—куб-испаритель; 12—сборник шлама; 13—насос； 14—ловушка; 15—водоотделительРис. 28. Технологическая схема машины химической чистки КХ-012:/—бак для чистого растворителя; /7——бак резервный; 777——бак для получистого растворителя: /——барабан моечный; 2—регулятор уровня； 3—бачок для усилителя; 4—фильтр воздушный； 5—вентилятор; 6—конденсатор; 7—калорифер; 8—адсорбер; 9—конденсатор дистиллятора; 10—фильтр; //—куб-испаритель; 12—сборник шлама; 13—насос； 14—ловушка; 15—водоотделитель
“ —РастворительО Смотровое окно
Пары растворителеX Заддижна с ручным упра^/тенаем конденсат растворигпелЯ两 ЗаЭвижка с пневматичесним упра^генибм
“ —РастворительО Смотровое окно
Пары растворителеX Заддижна с ручным упра^/тенаем конденсат растворигпелЯ两 ЗаЭвижка с пневматичесним упра^генибм
Рис. 28. Технологическая схема машины химической чистки КХ-012:
/—бак для чистого растворителя; /7——бак резервный; 777——бак для получистого растворителя: /——барабан моечный; 2—регулятор уровня； 3—бачок для усилителя; 4—фильтр воздушный； 5—вентилятор; 6—конденсатор; 7—калорифер; 8—адсорбер; 9—конденсатор дистиллятора; 10—фильтр; //—куб-испаритель; 12—сборник шлама; 13—насос； 14—ловушка; 15—водоотделитель
Рис. 28. Технологическая схема машины химической чистки КХ-012:
/—бак для чистого растворителя; /7——бак резервный; 777——бак для получистого растворителя: /——барабан моечный; 2—регулятор уровня； 3—бачок для усилителя; 4—фильтр воздушный； 5—вентилятор; 6—конденсатор; 7—калорифер; 8—адсорбер; 9—конденсатор дистиллятора; 10—фильтр; //—куб-испаритель; 12—сборник шлама; 13—насос； 14—ловушка; 15—водоотделитель
РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В МАШИНАХ (АППАРАТАХ)
Имея кинематическую схему, следует определить энергетический КПД машины, характеризующий рациональное соединение элементов механизмов и энергетическую эффективность машины. С точки зрения народного хозяйства машина должна иметь наиболее высокий КПД. Это может быть достигнуто тем, что подводимая от двигателя мощность должна быть использована наиболее полно или должны быть использованы все возможности для максимального преобразования подводимой энергии в ра'боту с наименьшими потерями.
97974 Зак. № 266
97
97
Потери энергии в машинах и аппаратах происходят: в технологическом процессе; в работе механизмов при холостых ходах; в работе сил трения в кинематических парах； в результате рассеивания энергии при деформациях и вибрациях деталей и машины, потери энергии в окружающую среду; в работе сил торможения.
Существует понятие мгновенного КПД
刀="и. c/Nдв,
где №ц.с и NHB ——мощности соответственно полезных сопротивлений и движущих сил, а также циклового КПД, т. е. за цикл работы Д3атр машины.
Общий КПД т|о машины определяют как отношение полезной работы Лпол к затраченной ЛзаТр, т. е. т|о=^полМзатр.
Полезную работу определяют по формуле
где ”т ——технологический КПД, характеризующий совершенство технологического процесса и его режимов； 4min— наименьшая необходима^ работа для совершения технологического процесса при существующем техническом уровне конструкции машины."
Затраченная работа определяется как сумма
』за?р 若 пол 丁 'х.х + 4©
где Дх.х — работа при холостых ходах； Дв.с — работа вредных сопротивлений, обусловленная трением, а в некоторых случаях силами инерцйи и тяжести.
Общий КПД машины с учетом 小
1 +("х.х + ”в・с) T'Wmin
Порядок соединения кинематических групп в многозвенных механизмах влияет на величину общего механического КПД.
КПД при последовательном соединении механизмов
%.c=7F2F3•…•％，
где 刀卜 П2, Пз,…，Пк — КПД отдельных механизмов.
КПД при параллельном соединении механизмов
%₽=(№ 十 N2+M+…+М)Жс,,
где ^b N力 ％з, •“，Nk h ^д.c ——мощности, расходуемые на преодоление полезных сопротивлений элементами кинематической цепи и движущей силы.
Прй смешанном соединении сначала определяют КПД отдельных групп механизмов, соединенных последовательно, а затем общий КПД по уравнению, соответствующему виду соединения групп друг с другом.
98
КПД ап пар ата характеризует потери энергии в аппарате вследствие рассеяния ее в окружающую среду, треиия жидкостей и газов о стенки трубопроводов, преодоления местных сопротивлений и других причин. Общий КПД аппарата определи-
ют по формуле
“О = QuOJl/QuOflB，
где Qnon—полезно использованная тепловая энергия； Qn0AB—подведенная тепловая энергия.-
Для определения КПД аппарата составляется энергетический баланс по уравнению
QnoAB==Qpacx
ИЛИQpacx = Quo л + Qu,
где Qpacx — полная расходуемая энергия; Qn—теряемая энергия [Qn« л? (0,03—0,05) Quoab]*
Рассмотрим основные мероприятия по повышению КПД.
Механизмы многих машин имеют значительное количество холостых ходов, являющихся источником потерь энергии, для уменьшения которых нужно стремиться к снижению сил трения в этих механизмах, укорочению их кинематических цепей, укорочению перемещения звеньев, сокращению длительности холостых ходов. Обычно силы и моменты трения при рабочих ходах выше, чем при холостых.
• ■^т:=^т.х ~Ь^т.д~ -^т.х (1 +Мт.д/Мт.х)'
где Мт и Мт.х — моменты трения при рабочих и холостых перемещениях; Л1т,д ——добавочный момент трения, возникающий из-за появления полезных усилий на рабочих органах машины.
龍=仞 1/31口 =硒jw2H 网=(硒К -初1J/(如Н -砚2 J龍=仞 1/31口 =硒jw2H 网=(硒К -初1J/(如Н -砚2 JилиилиВ швейном и обувном производстве применяется оборудование, в котором технологический процесс сопровождается ударом (вырубочные прессы, формующие машины, машины для скрепления деталей и др.). КПД таких машин определяется следую^ щим образом. Пусть т\ и т2 — массы двух тел, движущихся в процессе удара с поступательными начальными wih и w2H и ко ненннми wq и *z^2K скоростями, ^к. и £к薯 ——с начальной и конечной кинетииеской энергией. По теории удара коэффициент вое* становления
龍=仞 1/31口 =硒jw2H 网=(硒К -初1J/(如Н -砚2 J
龍=仞 1/31口 =硒jw2H 网=(硒К -初1J/(如Н -砚2 J
или
или
где коэффициент 论в характеризует соотношение восстанавливаемых скоростей после удара.
По теореме Карно потеря кинетической энергии системы при ударе составляет
AfK=ЕК1 - ^к, = * ~ ^ у [加1 (®ih - ®ik)2 + т2 (®2н - ®2к)2].
В(6.14)
99
Выражая потерянные скорости через 叫 и 叫，口。уравнению (6.14), получим
АЕк =АЕк =肃叁（叫一叫片肃叁（叫一叫片(6.15)(6.15)々々(1/2) m^l(1/2) m^l厂=（1一然） [н厂=（1一然） [нI +m1/m2I +m1/m2
АЕк =
АЕк =
肃叁（叫一叫片
肃叁（叫一叫片
(6.15)
(6.15)
々
々
(1/2) m^l
(1/2) m^l
厂=（1一然） [н
厂=（1一然） [н
I +m1/m2
I +m1/m2
Из этой формулы следует, что для получения высокого КПД нужно, чтобы масса движущейся детали mi была бы незначительной по сравнению с массой неподвижной детали и чтобы коэффициент восстановления был возможно меныиим с целью уменьшения затраты энергии на восстановление скорости.
Для машин с часгьгми остановами (вырубочные прессы» штампы, швейные машины и т. п.) существенную роль в энергетическом балансе играет расход энергии при торможении.
Поглощаемая тормозом кинетическая энергия
Ек=/Пр国/2=4， (6.16) где /Пр — приведенный момент инерции к валу привода; (о — угловая скорость вала к моменту торможении; Дт — работа торможения.
При паузе и невыключенной маш1ине энергия расходуется на ХОЛОСТОЙ ход
"х.х= "х.хСп/Пх.х，
где Лх х — КПД системы машина — привод； тп — время паузы.
Затраты энергии на компенсацию работы торможения
где Tjp ——КПД системы машина ——привод для периода разбега.
При 5т=/Пр82/(2%)》TVx.xSi/nx.x машину целесообразно не тормозить, а оставлять на холостом ходу.
При /叩叫(2%)《М.хСп/%.х маш,ину целесообразнее останавливать.
В деталях машин, работающих с ударными или переменными во времени нагрузками, т. е. при колебаниях, всегда происходит рассеивание (диссипация) энергии за счет упругого гистерезиса (потерь на внутреннее трение), необратимой работы пластической деформации и вязкого сухого трения (при демпфировании). Эти потери резко возрастают с увеличением возмущающих сил и их частот и особенно при сближении частот собственных и вынужденных колебаний, вследствие чего нужно стремиться удаляться от области резонанса.
Основными мероприятиями по повышению теплового КПД теплообменного аппарата является снижение теплопотерь в ок- 100
ружающую среду. Для этой цели применяют совершенную тепловую изоляцию. -
В гидравлических аппаратах эффективным средством повышения КПД является снижение потерь энергии на трение жидкости и местные сопротивления.
Глава V11
РАСЧЕТЫ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАШИН (АППАРАТОВ)
НАЗНАЧЕНИЕ И ВИДЫ РАСЧЕТОВ
Проектируемая машина и аппарат должны удовлетворять ряд требований, устанавливаемых техническими условиями: производительность, рабочие скорости, гарантийный срок службы, габаритные размеры, возможность транспортировки, бесшумность работы, простота и легкость управления, внешний вид и др. В связи с этим к отдельным деталям и сборочным единицам предъявляются требования прочности, жесткости, технологичности, виброустойчивости, возможности изготовления их из недефицитных материалов и т. д. Из ^йсла этих требований основными критериями работоспособности машин и аппаратов являются прочность (объемная и поверхностная), жесткость и для многих деталей — виброустойчивость, статическая устойчивость против деформаций, теплостойкость, износостой-, кость и т. д.
Для определения числовых значений характеристик, определяющих критерии работоспособности, производят следующие проектные и проверочные расчеты：
расчет на статическую прочность, когда на детали действуют постоянные или медленно меняющиеся нагрузки (несущие опорные конструкции в машинах и аппаратах)；
расчет при переменных напряжениях при длительном действии переменных нагрузок применительно к расчетам на ограниченную долговечность и на усталость поверхностных слоев деталей (зубьев шестерен, кулачков и др.);
расчеты на жесткость для деталей, деформации которых влияют на работу машины;
расчеты на изнашивание для деталей, срок службы которых определяется износом рабочих поверхностей (кинематические пары механизмов);
расчеты на точность, когда точность механизмов определяет точность работы машины (например, механизмы швейных машин)厂
расчеты на виброустойчивость для машин, работающих на '
высоких скоростях (барабаны стирально-отжимных машин; роторы центрифуг);
расчеты на нагрев для деталей, нагруженных большой работой трения или работающих в условиях высоких температур (например, червячные механизмы, подшипники скольжения) и др.
Расчетами должны быть обоснованы все основные размеры деталей. Однако второстепенные размеры, определяющие форму деталей, обычно назначаются на основании справочных материалов и существующих норм с целью уменьшений концентрации напряжений, удобства обработки деталей и сборки сборочных единиц, придания оптимальных форм и размеров деталям, а также в соответствии с конструкцией и габаритами сборочных единиц. Такие размеры называются койсТруКГйвными.
КИНЕМАТИЧЕСКИЙ И СИЛОВОЙ РАСЧЕТЫ МЕХАНИЗМОВ
Задачей кинематического расчета является выбор типа механизма и определение таких размеров его звеньев, при которых механизм обеспечил бы перемещение исполнительного органа (ведомого звена) по заданному закону в соответствии с требованиями технологического процесса:
-中1> =中他)，Gn =中(%)，中4 =中(%),
где q)i — координата, определяющая положение ведущего звена.
Кинематические параметры механизмов определяют динамичность технологических нагрузок, давлений в кинематических парах и напряжений в звеньях механизма.
Методы определения размеров звеньев и расчета элементов Кинематических пар дЛя механизмов разных типов различны.
Проектируя механизмы, конструктор предварительно отбира- 2T ряд возможных вариантов их кинематических схем и, используя методы кинематического анализа, определяет основные параметры механизмов, характеризующие движение ведомых звеньев. Сравнивая их с заданными, конструктор выбирает оптимальную для данных условий схему механизма, используя как аналитические, так и графические методы анализа и синтеза механизмов.
Основными задачами силового расчета являются задачи определения при заданных силах давлений в кинематических парах, определение величины и закона движущих сил, размеров звеньев и элементов пар, обеспечивающих оптимальные динамические условия работы механизма..
Силовой расчет механизмов заключается в определении сил, действующих на отдельные звенья движущихся механизмов.
К звеньям обычно бывают приложены следующие силы: к ведущим — силы и моменты сил движущих, совершающих, как правило, положительную работу; к ведомым — сиды и моменты сил технологических (полезных) сопротивлений; к ведущим и ведомым звеньям, кроме того,——силы механических (вредны-х) сопротивлений, главным образом в виде сил трения, совершающих, как и силы других сопротивлений, отрицательную работу; силы тяжести, совершающие как положительную, так и отрицательную работу, сумма которой за цикл равна нулю; силы инерции, возникающие при неравномерном движении звеньев и препятствующие изменению направления движения. Движущие силы стремятся сообщить ведущему звену механизма ускоренное движение, а силы сопротивления, наоборот, препятствуют этому движению.
Для удовлетворения требований работоспособности механизма его звенья и кинематические пары должны быть правильно рассчитаны и определены их рациональные конструктивные формы.
К тихоходным механизмам применяют статический метод силового расчета, при котором учитываются все действующие на механизм нагрузки, за исключением инерционных.
К быстроходным машинам применяют кинегостатический метод расчета с учетом всех сил, включая и силы инерции.
В результате кинетостатического расчета можно определить давление в кинематических парах, силы воздействия、на звенья, а также определить движущую силу Рдв (момент), обеспечивающую движение механизма, нагруженного внешними силами, по заданному закону：
p“b=2+R,G，%)，
где Рс и Ри (s, т)——силы сопротивления и инерции, приведенные к главному звеиу; s, т — ускорение и масса звена приведения.
Соотношение между силами, приложенными к механизму (включая и силы инерции), можно получить с помощью вспомогательного рычага Жуковского. Этим методом пользуются также при приведении сил к одному звену и нахождении приведенной или уравновелгивающей силы.
' При динамическом расчете и проектировании новых механизмов сначала задаются приближенным законом движения ведущих звеньев механизма и внешними силами, а затем после определения конструктивных размеров звеньев исследуют вопрос об истинном движении спроектированного механизма с учетом различных действующих на него сил. После зтого в ранее проведенный расчет вносят необходимые исправления и добавления. 、
В случае, когда значения движущих сил и моментов звене приведения необходимо получить с точным учетом, потерь на трение в отдельных кинематических парах проектируемого ме-
ханизма, пользуются методом графического построения резуль- тйрующих реакций связей.
При данном методе производят предварительный расчет для определения сил давления. После нахождения сил давления в шарнирах задаются величиной коэффициента трения (величиной тангенса или радиуса круга трения) и определяют соответствующие силы трения и их направления и в итоге результирующую реакцию связи.
Графическое построение производят в зависимости от конструкции кинематических пар и схем их нагружения.
Для учета сил трения в поступательной паре реакцию Р^2 следует направлять под углом трения 0 к нормали (рис. 29,а).
Рис. 29. Схемы реакций связей в кинематических парах:
в поступательной; 6—во вращательной; в и г—реакции, вызывающие растяжение звена； 0—реакция, вызывающая сжатие звена
а во вращательной паре реакция Pit должна быть направлена по касательной к кругу трения (рис. 29,6). Эта касательная должна быть проведенд так, чтобы реакция Р\^ препятствовала вращению тела 2 с угловой скоростью(02-ь Радиус гк круга трения будет приближенно равен /•/, т. е.乙弋厂#, где гэ— радиус цилиндрического элемента пары, f — коэффициент трения во вращательной паре.:
При расчете звеньев механизма важно определить положение касательной к кругам трения, по которой направлены результирующие силы давления и сил трения.
Возможно несколько вариантов проведения общей касательной к двум кругам трения каждого звена шарнирного механизма. Выбор варианта определяется схемой нагружения и направлением относительного поворота звеньев. Например, по схемам, показанным на рис. 29, виг, реакции звеньев 1 и 3 вызывают растяжение звеньев 2; при заданных направлениях относительного поворота звеньев по схеме на рис. 29, в к кругам трения звена 2 проводится внутренняя касательная, а по схеме на рис. 29,г — внешняя. По схеме на рис. 29,»—реакции звеньев / н 3 вызывают сжатие звена 2, при заданных направлениях относительного поворота звеньев проводится внутренняя касательная,
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ МАШИН И ИХ РЕГУЛИРОВАНИЕ
В процессе проектирования машины после составления кинематической схемы и выбора двигателя требуется исследовать движение машины под действием известных движущих сил и сил сопротивления. Динамическое исследование про-『 водят для расчета параметров, характеризующих движение машины, выявления причин, влияющих на эти параметры, для отыскания исходных данных, при которых будут обеспечены необходимые режимы движения. Исследование предполагает, что законы движения всех звеньев, рассматриваемых как твердые тела, неизвестны и что их скорости и ускорения надо искать, исходя из заданных законов изменения сил. Исследование основывается на методе приведения факторов движения к звену приведения, а затем, зная закон движения звена приведения (ведущего звена) и передаточную функцию (функцию положения), можно определить закон движения ведомого (рабочего) звена, сравнить его с заданным и при необходимости внести соответствующие изменения или дополнения в конструкцию механизма или машины в целом.
Динамическую задачу определения угловой скорости главного вала машинного агрегата решают на основе приведения сил и моментов, действующих на звенья механизмов, а также их масс и моментов инерции. Приведение может быть сделано либо к выбранной точке В звена приведения (рис. 30), либо к
Звену АВ при соответствующих результирующих факторах движения.
Определение закона движения машины (механизма) по заданным законам изменения движущих сил и сил сопротивлений основывается на полученной дина- мической схеме машины и проще произ- W &№ $ 6 Q® водится графоаналитйческим методом.
*—*"Q *Уравнение движения машины в энер-*
гетической форме получают на основ а- ■нии энергетического баланса на данном
'^перемещении звена приведения
卜Д£К=ДД,(7.1)
где АЕк и А4 — соответственно разность работ 《■^1(избыточная работа) и кинетических энергий на
V >0рассматриваемом перемещении звена приведении
*от положения 0 до i;
РиС. 30. Динамическая приведенная схема машиныРиС. 30. Динамическая приведенная схема машиныA线=厶七0一厶圆。=A线=厶七0一厶圆。=(7・ 2)(7・ 2)
РиС. 30. Динамическая приведенная схема машины
РиС. 30. Динамическая приведенная схема машины
A线=厶七0一厶圆。=
A线=厶七0一厶圆。=
(7・ 2)
(7・ 2)
(7.3)(7.3)△A = 4b —4=j屮一J Mcd^
(7.3)
(7.3)
<Po中。
где фо ——значение угла ф, принятое за начальное; Ш£ ——значение ① при ф = —q)£； g)o ——значение со при ф=фо；屮九——любое произвольно выбранное конечное значение угла 屮；Мдв и Мс——соответственно движущий момент и момент сопротивления.
Из уравнений (7.1), (7.2) и (7.3) получают значение угловой скорости ® звена приведения в f-положении:
吗=]/岑上+?О4=矶叫.(7.4)
Если силы и массы приводились к точке приведения, то получим скорость точки приведения
空+匹戒=3⑻.(7.5)
加i /n/
В уравнениях (7.4) и (7.5) /0 и 加⑦ 厶 и т〔 означают момен- 吁耳 инерции и массы соответственно в положениях 0 и L
Имея значения g и wif в конечном итоге получают график (о=з((р) или w = w(s).
Ускорения звена приведения получают, например, методом графического дифференцирования графиков скоростей при введении параметра t (время).
Приведенная сила или момент, кинетическая энергия и работа, а также скорость точки или звена приведения при движе- 106
нии машины изменяют свою величину как вследствие изменения скоростей, так и по причине изменения сил, действующих в машине (на звенья механизма). Поэтому при аналитическом методе определения закона движения вид уравнения движения машины и методы его решения [2] зависят от того, функцией каких кинематических параметров являются силы, приложенные к машине (звеньям механизма).
Зная, например, угловую скорость(о и угловое ускорение е звена приведения, можно определить скорость и силы инерции отдельных звеньев, а также провести полный силовой расчет механизма в условиях неравномерно вращающегося звена приведения.
Колебания скоростей ведущего звена вызывают в кинемати* ческих парах дополнительные динамические давления, пони「 жающие общий КПД машины и надежность ее работы. Кроме того, эти колебания скоростей в некоторых случаях могут вызвать значительные упругие колебания в звеньях механизма или ма1й№Ш, что нежелательно с точки зрения прочности этих звень-. ев и затрат энергии на эти колебания. Колебания скорости мо* гут ухудшить технологический процесс, выполняемый машиной.
Поскольку колебания, обусловленные периодическим действием сил, полностью устранить нельзя, задаются величиной коэффициента неравномерности движения в определенных пределах.
Колебания скорости ведущего звена могут быть периодическими и непериодическими, вызванными внезапным приложением нагрузки (например, сил полезного сопротивления).
В стадии разгона машины работа движущих сил больше работы сил сопротивления. За счет этой разности работ скорость звеньев меняется от нуля、до номинального значения. В стадии установившегося движения в зависимости от вида механических характеристик двигателя и технологической машины скорость звеньев постоянна или меняется циклически. За время цикла приращение кинетической энергии равно нулю и работа движущих сил равна работе сил сопротивления.
Установившееся движение машины исследуют обычно по величине приращений ДЛ из графиков Л4дв=Л1дВ(ф) и МС=М(. (<р), получая уравнение
"4=j(7・6) То
Моменты и силы движущие, а также моменты и силы сопротивления определяют экспериментально с помощью приборов (индикаторов, динамометров и др.) для ряда положений ведущего звена машины за цикл ее работы. Полученные числовые данные изображаются в виде графиков моментов, сил работ или мощностей.
Из выражения для кинетической энергии с учетом ее приращения
/°з當+ 厶4=仇_ А/)但+Аз)2/2,(7. 7)
пренебрегая малой величиной (А®) 2, получают
(7.8)(7.8)_ АЕк；-(1/2)А 蜀з= (/° + А/)з 之~，
(7.8)
(7.8)
где е)н — номинальная (средняя) угловая скорость звена приведения, равная (8тах+8пПп)/2・
На основании построенного графика Дсо=Дсд(ф) при периодических колебаниях скоростей определяют коэффициент неравномерности хода машины ^,х— ^/«>н= (штах — шт1п)/шн-
Регулирование хода машины включает задачу подбора таких соотношений между силами, массами и размерами звеньев механизма, при которых движение машины было бы близким к требуемому, используя при этом уравнение ^H.xo)2/=АЛ=Млъ—
При регулировании колебаний угловой скорости путем изменения величины АЕк за счет увеличения массы ротора или установки на валу машины махового колеса, допускаемые значения /Сн.х принимают в пределах 0,06—0,2, исходя из условий выполнения заданного технологического процесса. Маховики конструктивно выполняют в виде диска и в виде колеса со спи- .цами.
Для маховика, выполненного в виде диска, момент инерции его
/=加!>2/4=(冗/32)bD",
где т, D, 6, р — соответственно масса, диаметр, ширина и плотность материала маховика.
Для маховика, выполненного в виде колеса, момент его инерции
/ у т/)2/4=(л/4) XiX2P^5.
где X\ = b/D; ^=h]D {h ——высота обода маховика).
При значительных непериодических колебаниях скоростей задачу регулирования скоростей решают путем установки на . звено, регулирования специальных регуляторов центробежного, инерционного, электрического или других типов, балансирующих движущие силы и силы сопротивления.
§ 4. РАСЧЕТ МЕХАНИЗМОВ НА ТОЧНОСТЬ
Реальные механизмы отличаются от соответствующих теоретических наличием отклонений форм и размеров звеньев. Эти отклонения обусловлены причинами технологического, 108
экрй^уатационного и расчетного характера. Поэтому при проек? тировании необходимо учитывать влияние отклонений, или ошибок механизма на точность его движения.
Разницу \ в положениях ведомых звеньев действительного и соответствук^щего теоретического механизмов при одинаковых положениях | ведущих звеньев обоих механизмов называют ошибкой положения механизма, а разницу в их перемещениях —^ошибкой перемещения механизма.
Первичной ошибкой механизма называют неточность геометрической формы, размеров и взаимного расположения элементов кинематических пар и звеньев в механизме.
Аналитический (дифференциальный) метод определения ошибок механизма. Сущность метода заключается в составлении уравнения (функции положения механизма), в котором положение ведомого звена механизма х выражено как функция некоторых параметров, влияющих на точность механизма: коор-' динат ведущего звена Хо, размеров хь положений звеньев 无2 и т. п.
X-—f(Хо> Х1,无2, ••・,无к) —f (^i) ■
Функцию положения механизма можно состайить, проектируя размеры звеньев на оси прямоугольной системы координат или используя соотношения размеров сторон и углов в геометрических фигурах, являющихся контурами механизма.
Для действительного механизма положение ведомого звена определяют уравнением
%+厶*=/(x? + Axj・(7.9)
Разлагая правую часть равенства (7.9) в ряд Тейлора и ограничиваясь ввиду малых значений первичных ошибок Дх^ чле-; нами первого порядка, получим
х + Дх=/(х,)+£ (許)5、
ИЛИ
и£(訖№， aw
т. е. ошибка Дх положения ведомого звена равна сумме произ- 'ведений первичных ошибок на передаточные отношения для ннх (первые производные функций положения). При определении Ах допускают независимость действия первичных ошибок на ошибку положения ведомого звена. Основным недостатком данного метода является его сложность.
Графоаналитический метод определения ошибок с помощью преобразованного механизма. Метод заключается в определении частных погрешностей механизма построением планов скоростей для некоторого преобразованного механизма.
Преобразованный механизм получают закреплением ведуще-
го звена действительного механизма в изучаемом положении, а звено, содержащее погрешность, превращают в ведущее звено другого механизма. При этом направление движения этого звена должно совпадать с направлением изменения параметра исследуемого звена. “ /
Если ведущее звено- преобразованного механизма получает скорость, пропорциональную первичной ошибке, то/ведомое име-
Рис. 31. Схема погрешности положения ведомого звена кривошнпно-ползунного механизмаРис. 31. Схема погрешности положения ведомого звена кривошнпно-ползунного механизмает скорость, пропорциональную частной погрешности механизма.
Рис. 31. Схема погрешности положения ведомого звена кривошнпно-ползунного механизма
Рис. 31. Схема погрешности положения ведомого звена кривошнпно-ползунного механизма
Графоаналитич еский метод проще аналитического и дает удовлетворительные результаты.
Рассмотрим, приложение этого метода на при』 мере кривошипно-ползунного механизма (рис. 31).
Пусть ошибка в длине шатуна I будет А2
(включая зазоры в парах). Строим преобразованный механизм, при котором длина шатуна вследствие первичной ошибки А/ стала переменной (рис. 32, а). Строим в соответствующем масштабе план скоростей, учитывая, что
^в=^а + ^>ав
Ах】=А/ - *6 .Ах】=А/ - *6 .Рис. 32. Схема преобразованных механизмов при первичных ошибках: о—шатуна; б—вравошипа; —в шарпяреРис. 32. Схема преобразованных механизмов при первичных ошибках: о—шатуна; б—вравошипа; —в шарпяреи находим ошибку положения ползуна
Ах】=А/ - *6 .
Ах】=А/ - *6 .
Рис. 32. Схема преобразованных механизмов при первичных ошибках: о—шатуна; б—вравошипа; —в шарпяре
Рис. 32. Схема преобразованных механизмов при первичных ошибках: о—шатуна; б—вравошипа; —в шарпяре
Строим преобразованный механизм, при котором длина кривошипа вследствие первичной ошибки Аг стала переменной (рис. 32,6). Строим план скоростей для данного механизма и
находим ошибку положения ползуна Дх2, При этом
\昨=叫+吗3，、
[ДХ2= Дго — •
Строим Преобразованный механизм, при котором положение, например, ^центра шарнира О от горизонтали вследствие первичной ошибки Дг0 стало переменным (рис. 32, в). При построении плана скоростей также учитываем
质3=不力力期
Дх3= Аг о•
pa
Полная ошибка положения ползуна 3 в соответствующем масштабе равна алгебраической сумме ошибок звеньев
Ах = Ах】+ Ах? + 厶十3 ■
Ошибки, получающиеся направленными вправо, считаем положительными, а влево — отрицательными.
Изложенный метод определения погрешностей применим и для плоских механизмов с высшими кинематическими парами. При этом однако следует условно заменить высшие пары низшими известным способом из курса теории механизмов и машин.
При проектировании механизмов необходимо учитывать систематические случайные первичные ошибки, являющиеся погрешностями производства.
Считая, что ошибка положения механизма подчиняется закону нормального распределения, предельные значения ошибок положения механизмов определяют по формуле
e = e(aх) 土 3。(，)，
—значение среднего квадратичного—значение среднего квадратичногогде Я (Ах)——величина средней ошибки положения механизма в результате влияния всех первичных ошибок;(£
—значение среднего квадратичного
—значение среднего квадратичного
отклонения суммы независимых случайных ошибок 之
РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА ЖЕСТКОСТЬ
Жесткость машин определяется собственной жесткостью деталей (с учетом деформации при изгибе, кручении, растяжении) и их контактной жесткостью, обусловливающей контактную прочность поверхностей деталей.
Критерий собственной жесткости машин и их деталей наряду с критерием прочности является одним из важней- in
тпих. К деталям, подчиняющимся критерию жесткости, относят детали несущих систем машин (станины и корпусные детали).
виброустойчивости, точностивиброустойчивости, точностидеталей.деталей.Рис. 33. Схемы деформации конструкций:Рис. 33. Схемы деформации конструкций:55многие детали приводов (длинные валы, упругие муфты), упругие элементы и др. На показатели работы машин собственная жесткость влияет через критерии прочности и долговечности, '[ и технологичности / изготовления
виброустойчивости, точности
виброустойчивости, точности
деталей.
деталей.
Рис. 33. Схемы деформации конструкций:
Рис. 33. Схемы деформации конструкций:
5
5
а — прн изгибе консольной балки； б — при контактировании плиты；廿一нрн стыковании опор силой; а — прн стыковании опоры н действии момента
Собственная жесткость (рис. 33, о) характеризуется деформацией конструкций и определяется отношением действующего силового фактора к деформации, например, силы Р и статического прогиба /ст：
k=PlfcT
или k^—MKl^,
где Мк — крутящий момент;屮 ——угол закручивания.
Деформации fCT и 中 деталей могут быть подсчитаны с требуемой степенью точности по формулам сопротивления материалов. Трудность расчета в ряде случаев возникает из-за сложности конструктивных форм деталей или неопределенности характера закрепления деталей. ♦
Жесткость валов привода машины определяется условиями работы связанных с ними всех элементов. Поэтому существуют эмпирические зависимости допустимых прогибов и углов наклона упругих линий валов. Максимальный прогиб валов не должен превышать 0,0002——0,0003 расстояния между опорами, прогиб в месте установки зубчатого колеса не больше 0,01 —
0,03 модуля зацепления. Угол взаимного наклона валов под зубчатыми колесами должен быть меньше 0,01—0,02 радиана. Наибольший^ угол наклона вала в подшипнике скольжения 0,001, в радельном шарикоподшипнике 0,005—0,01, в сферическом 0,05, цил индрич еско м роликоподшипнике 0,0025 и коническом роликоподшипнике 0,0017 радиана (случаи допустимых значений деформаций приведены в справочной литературе).
Вопрос собственной жесткости, рабочих органов имеет большое значение для обеспечения правильного хода рабочего процесса (рабочие органы гладильных каландров, валковых отжим-. ных устройств, вырубочных прессов, двоильных машин и др.)> а также при контактировании деталей, которые при этом деформируются.
В связи с тем что собственная жесткость' одной из контактирующих деталей, как правило, много больше сопряженной, расчет деформаций ведут по теории балок или плит на упругом основании, за которое принимают контактирующую деталь с большой жесткостью, а с меньшей жесткостью ——деформируемую.
На рис. 33,6 показана базовая деталь 1, к которой прижимается деталь 2. Давление pi по длине детали 2 распределяется неравномерно в связи с ее изгибом и кромочным эффектом. На эпюре давлений Р^=/(7) имеется горб под силой Р и пики по концам детали. Такая эпюра распределения давления р/ является характерной для балок на упругом основании.
На эпюре деформаций 6,=f(/) видны упругие перемещения по концам, которые при определенных условиях жесткости приводят к раскрытию стыков по концам за счет появления прогибов.
За податливость 6’ основания принимают податливость поверхностных слоев, связанную с деформацией м'икронеровностей, волнистостью и макронеровностей поверхностей.
Деформации 6 стыков, главным образом направляющих •кольжения и неподвижных деталей, возникают тогда, когда контакт происходит в отдельных точках из-за шероховатости поверхностей (рис. 33, в). Характер касания зависит от метода обработки: чем грубее поверхность, тем больше деформация стыка.
Под жесткостью стыка понймают отношение удельного давления р в стыке к деформациям бстк, которые им вызываются: 无 стк^ 夕/°стк*
Жесткость плсюкого соединения (стыка) при -нагружении центрально приложенной силой Р и моментом М (рис. 33, г) характеризуется для деформаций 厶丁 (прогиб) и 屮(угол поворота сечения) эмпирическими выражениями：
'b：TK=en(P/s)m；
屮=设m〃，
где ka и ku ——коэффициенты контактной податливости, зависящие от качества обработки; S, / — площадь и момент инерции сечения контакта;
力;=力口加(P/S)*L
При грубой обработке (фрезерование, шабрение)右口= (0,8—— —1,2) • 10-11 при притирке ^п=0,07-10-11.
Контактные деформации 5；оит возникают тогда, когда начальные касания деталей происходят по линии или в точке. Контактные деформации характерны для подшипников качения» кулачковых механизмов, направляющих качения и ряда других сопряжений. ~
.Расчет на контактную жесткость заключается в расчете на контактную прочность поверхностных слоев, так как при контактных напряжениях наблюдаются случаи разрушения поверхностей деталей.
Если величина контактных напряжений больше допустимой,
то на поверхности детали появляется вследствие течения мате- риала вмятина, борозда, трещи-
Рис. 34. Схема упругого контакта деталейРис. 34. Схема упругого контакта деталейна или мелкие раковины.
Рис. 34. Схема упругого контакта деталей
Рис. 34. Схема упругого контакта деталей
Величину максимальных нормальных контактных напряжений Оконт при статическом нагружении вычисляют по формулам Герца'— Беляева. ,
В зоне контакта материал подвергается трехосному сжатию. Максимальное контактное касательное напряжение Тконт возни-
* кает в точке, лежащей на нормали, восстановленной в середине площадки контакта на глубине 4^0,786 а (рис. 34), 2а>—ширина контура контактной площадки. При этом
ткоит1Пах=0>304аКОНТтах，
где вкоиттах= Ртах 一 контактное максимальное нормальное напряжение в направлении действия максимального контактного давления.
Если контактирубмые тела перекатываются со скольжением, то касательные напряжения увеличиваются и возникают ближе к поверхности контакта. При коэффициенте трения скольжения / = 0,2
ХКОНТ~ 0,3*0纯.
В общем случае принимают, что допускаемые удельные контактные давления и нормальные напряжения на площадках касания для вязких материалов при полном отсутствии их течения
Р= Ькоит^^ [%0口] = [/^доп] ~ 2%， (7・ 1 1) где от — предел текучести материала. -
Пути повышения контактной жесткости: оптимизация формы контактирующих поверхностей, создание предварительного натяга в соединениях, повышение степени пригонки и уменьшение шероховатости поверхности.
РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ПРИ ДЕЙСТВИИ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК
Значительное количество различных деталей машин бытового назначения в процессе работы подвергается цикличной нагрузке. При этом основной причиной выхода их из строя вследствие разрушения являются усталостные напряжения, за
висящие от числа циклов нагрузок.
При действии переменных нагрузок детали машин рассчитывают не по максимальной нагрузке в предположении непрерыв
Рис. 35. Кривая усталости материала деталиРис. 35. Кривая усталости материала деталиного ее действия, а на ограниченную долговечность, что исключает получение неоправданно утяжеленных конструкций.
Рис. 35. Кривая усталости материала детали
Рис. 35. Кривая усталости материала детали
Задаваясь желательным сроком службы детали Т (ч) и зная число циклов нагружения в единицу времени — л для этой детали, обычно равное или кратное числу оборотов, определяют общее число нагружений——пх> которое должно выдержать деталь за все время работы ее на машине: пх=60 Тп.
По величине пх, используя кривую усталости материала (рис. 35), находят напряжение, соответствующее требуемой долговечности, и определяют запас прочности 右吨 и допустимое напряжение [(Удои]：
瓦 он] = %/%)•
Искомый ограниченный предел выносливости, при котором деталь должна выдержать число циклов нагружения пж,
(7.12)
где о_1 — предел усталости; /и ——показатель степени для данного материала (при изгибе для нормализоваииых и улучшенных сталей /п=6, для закаленных —9, а при контактных нагружениях для сталей независимо от термообработки—6); nQ= 107—базовое число циклов нагружения, при котором амплитудное 'значение напряжения о достигает величины о」.
РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА ВИБРАЦИЮ
Рабочие органы технологических машин бытового назначения и их передаточные механизмы непосредственно воспринимают внешние активные нагрузки (полезные сопротивления, движущие моменты, моменты трения и т. п.). В большинстве случаев все нагрузки или часть их не остаются постоянными во времени, а изменяются и притом чаще всего по периодическим законам. Это создает цикличность нагружения и разгру- жения деталей машины и при их упругости приводит к колебаниям.
Так, в машинах бытового назначения имеют место поперечные вибрации валов рабочих барабанов стиральных машин, машин химической чистки, центрифуг, отделочных обувных машин, полотеров, пылесосов и др. В работе швейных машин и других машин возникают крутильные колебания валов передаточных механизмов.
В результате снижается точность обработки и надежность систем автоматики, ускоряется износ деталей, понижается КПД машины, появляется шум, ухудшается условия труда и, наконец, усиливается опасность усталостного разрушения деталей. Поэтому очень важно изучение вибраций и методов борьбы с , ними.
Методы расчета поперечных и крутильных колебаний являются общими. При расчете учитывают лишь особенности характера движения и факторов этого движения.
Периодический характер работы большинства машин бытового назначения предопределяет периодичность нагружения и деформирования как отдельных их звеньев, так и конструкций, служащих опорами. Под действием периодически изменяющейся возмущающей силы (например, неуравновешенной центробежной силы) по гармоническому закону P=Pq sin Qt (рис. 36, а), возникают так называемые в ы ну ж д е н н ы е колебания. При этом возмущающая сила уравновешивается динамически суммой сил ЕР (инерции, упругости, затухания).
В ряде случаев колебания возникают и при отсутствии периодического возбуждения. Таковы, например, процессы свободных колебаний, развивающихся после мгновенного нарушения состояния устойчивого равновесия механической системы.
При совпадении частоты возмущающей силы с частотой собственных колебаний системы наступает критическое состояние (резонанс), связанное с потерей системой устойчивости, приводящей к большим деформациям, которые могут превосходить допускаемые.
Отношение амплитуды вынужденных колебаний (динамическое перемещение массы) Лд к статическому перемещению массы Лет, вызываемому действием амплитудного значения воз му- 116
щающей силы Ро, называется коэффициентом амплитуды или • коэффициентом динамичности (нарастания амплитуды)
(7. 13)(7. 13)Е 幺贝=4 I —
(7. 13)
(7. 13)
L ЛС1 PJkJ口―(Q/3o)2]2 + v2Q2局
где Q и о。一 частоты соответственно вынужденных и свободных колебаний; 々一коэффициент жесткости системы； v — коэффициент демпфирования、(за-, тухания) колебаний.где Q и о。一 частоты соответственно вынужденных и свободных колебаний; 々一коэффициент жесткости системы； v — коэффициент демпфирования、(за-, тухания) колебаний.
где Q и о。一 частоты соответственно вынужденных и свободных колебаний; 々一коэффициент жесткости системы； v — коэффициент демпфирования、(за-, тухания) колебаний.
где Q и о。一 частоты соответственно вынужденных и свободных колебаний; 々一коэффициент жесткости системы； v — коэффициент демпфирования、(за-, тухания) колебаний.
Рис. 36. Схема действия возмущающей силы (а и б) и график амплитуды колебаний от действия этой силы (8)
Максимальное значение ^д имеет место при резонансе, когда £2 = QKp =(oKp. Минимальное значение ^д=1 соответствует статической нагрузке (Q = 0).
Обычно в системах валов и шпинделей имеется некоторый эксцентриситет е центра тяжести. В этих условиях вследствие действия центробежной силы вал будет прогибаться в направлении эксцентриситета. Центробежная сила (рис. 36)
•尸尸上(爲+ e)*=^"，(7.14：
где Р — сила тяжести диска иа валу; % — динамический прогиб; Q— угло*- вая скорость вала; k — коэффициент жесткости вала.一
Статический прогиб %т для вала, свободно лежащего на двух опорах и нагруженного посредине, равен
fcT=48E/mg 户.
Динамический прогиб вала из уравнения (7.14)
fA=mQ2e/(k — /п22),
жесткость вала.жесткость вала.где m~Pfg — масса диска; k —
жесткость вала.
жесткость вала.
Общий прогиб вала
fQ—fZct*
При расчете на прочность деталей, подверженных колебаниям, определяют критическую угловую частоту возмущающей силы QKp, численно равную частоте собственных колебаний(оКр.
Допускаемую частоту собственных колебаний определяют в зависимости от того, в какой области (зоне) по отношению к резонансу работает элемент (деталь) машины, (рис. 36,в).
При работе в докритической области (жесткий вал) должно быть
① 0］》1,3Q・(7, 15)
При работе в закритической области (гибкий вал)
1，4叫<q<0,7叫，-(7.46)
где(оО1 и(о% —соответственно первая (основная) и вторая (высшая) частоты собственных колебаний.
Число частот собственных колебаний зависит от количества сосредоточенных поперечных нагрузок. Так, для вала, имеющего одну сосредоточенную поперечную нагрузку, круговая частота свободных колебаний равна
^=ykm=V g/九丁.(7.J17)
Для вала с несколькими поперечными нагрузками
где Pj ——i-я нагрузка; fc% ——статический прогиб i-й нагрузки.
При распределенной нагрузке с интенсивностью р»
/ j Piydx
(йо=1/ g 筈,J PlU2dx
где у — ордината упругой линии; / ——длина вала; р?——интенсивность нагрузки; dx — приращение длниы.
При одновременном действии сосредоточенной и распределенной нагрузок
Г n㊀九中+f Piydx
3。= " g 一2一f——.(7・ 18)
УEPi 凡Р妒dx
Из анализа формул для 右我 и(оо можно заключить, что для обеспечения работы системы в безопасной области по отношению к резонансу можно конструктивно изменять жесткость, массу и затухание системы.
РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ ПРИ УДАРНЫХ НАГРУЗКАХ „
Во многих машинах бытового назначения (выру- бочные' и гладильные прессы, машины для крепления деталей обуви металлическими крепителями, швейные машины в процессе прокалывания и др.) технологический процесс связан с ударными нагрузками.. Это отрицательно влияет на качество обработки, вызывает значительные динамические напряжения в деталях и сборочных единицах машин, снижает их надежность и ухудшает условия труда.
Явление удара возникает при резком изменении" скоростей движения деталей в момент их соприкосновения. Величина удара тем больше, чем больше относительные перемещения и зазор между деталями, плотность материала деталей. В процессе удара осуществляется кратковременное взаимодействие тел, вызывающее за ничтожно малый промежуток времени резкое изменение скоростей их трчек. При этом возникают нагрузки, которые в несколько раз превышают статические, что приводит к большим деформациям и разрушению деталей. Связь между количеством движения и импульсом ударной силы определяется, равенством
PTH=/n(w — ш0), ” 、
где Р — средняя сила за промежуток времени нагружения; тн — время нагружения; 加一масса тела; w0 и w ——скорость тела до и после удара.
Важным фактором, определяющим характер нагружения динамических систем, является время нарастания нагрузки от нуля до первого максимума с учетом собственных колебаний. Для оценки влияния этого фактора на динамическую систему рассматривают соотношение времени нагружения тн и периода собственных колебаний системы Т, характеризующее сдвиг фазы нагрузки и перемещения системы от собственных колебаний.
Когда время нарастания силы больше по сравнению с периодом Т собственных колебаний, т. е.窃/7>5—10, то практически можно рассматривать такие силы, как статические.
Если соотношение 窃/7<5, то нагружение считают динамическим. Для этого случая применяют методику расчета для чистого ударногонагружения.
Для условия
0,5<тй/Г<5 ， (7.19)
применяют методику расчета квазиударного нагружения.
Процесс ударного нагружения при чистом ударе в простейших случаях рассматривают при следующих допущениях: ударяющее тело абсолютно жесткое;“
ударяемое тело имеет одну степень свободы;
обобщенные перемещения ударяемого тела пропорциональны соответствующим обобщенным силам при статическом и динамическом действии;
удар неупругий, в процессе которого не происходит отделения ударных тел, но сами деформации упругие;
скорость ударяющего тела мала по сравнению со скоростью распространения ударных волн.
Квазиударное нагружение характерно для момента пуска отдельных механизмов; ударов, вызванных разрывом кинематической цепи из-за наличия зазоров в местах соединения звеньев; амортизации и демпфирования удара больших движущихся масс при их останове и т. п.>
Конечным результатом расчетов при ударном и квазиудар- ном нагружениях обычно является определение максимальных усилий й напряжения в звеньях системы, определение допустимых зазоров, исключающих разрывы кинематических цепей, а иногда — определение закона движения звеньев.
В процессе квазиударного нагружения у двух движущихся тел (системы) с различными скоростями скорость нарастания силы реакции в месте контакта соответствует соотношению (7.19).
Условие, исключающее повторный разрыв кинематической Цепи в процессе квазиударного нагружения двух тел равных масс, определяется неравенством
△V九工/2=&т/2比
где А — зазор между телами; Рст — статическая сила;々——коэффициент жесткости (упругости), т. е. зазоры в соединениях звеньев должны быть, по крайней мере, в два раза меньше величины статической деформации упругого элемента.
Разработка методики точного расчета деталей на ударную нагрузку является сложной, а в ряде случаев не вполне реши- мой задачей.,
Практически вопрос об ударе решают, считая, что вид формулы для определения потенциальной энергии деформации уда* ряемого тела будет тот же, что и при статическом нагружении. Это условие возможно при следующем сойтношении факторов потенциальной энергии
Р Jct = Рст/д
丛厶口Рд/Рст = /д//ст = %/%г =秋，
где Рд, /Д) (Тд и Рст,『ст, Ост ——соответственно динамические и статические силы перемещения (прогибы), напряжения; ^д — коэффициент динамичности.
Расчет на прочность при ударе производят по формулам, ко торые установлены для статического нагружения.
Условие прочности записывают так
%aх = ^*max 《 瓦。J(7.20)
где [＜тдоп] — допускаемое напряжение.
Коэффициент 右我一в простейших случаях определяют расчетом, а в сложных — опытным путем.
Если нагрузка прикладывается мгновенно, то 々我а2; если нагрузка мгновенно изменяет знак, то ^д^3.
При произвольном законе воздействия нагрузки Р(т) на неподвижную массу
規=1 —U/P(f)] jP(t)cos3o& —t)d*
-6
где o)o — круговая частота свободных колебаний; т — текущее время, для которого находят ^д; То — начальное время.
При ударе груза со скоростью ^.посредине балки, лежащей на двух опорах, коэффициент динамичности
&=1 + Е硒仔毎(7.21)
при продольном ударе груза по балке длиной I - 月=1干了开瓦丽匹)，
где Е — модуль упругости; Ост ——напряжение при статической нагрузке.
Пример. Определить коэффициент динамичности ударной нагрузки, совершающей удар посредине балки, лежащей на двух опорах, если известен прогиб，ст = 5 мм н скорость падающего груза 侬= 0,2 м/с.
Используя формулу (7.21), получим
%=1+/1+63轟产 235.
При ударе без учета массы ударяемого тела 加°, когда т0^т9
где т — масса ударяющего тела; EK^mw^/2 — кинетическая энергия движения массы т к моменту соударения; En=fngfcr/2 — потенциальная энергия упругой деформации ударяемого тела при статическом действии массы т; 々一жесткость ударяемого тела при данном виде деформации.
Если масса ударяемого тела очень велика (加「＞8), 岛「＞2・
Уменьшение динамических сил, передаваемых механизмом» может быть достигнуто рациональным построением схемы механизма, выбором оптимальных законов движения, уменьшением масс движущихся частей, подбором упругости звеньев, соотношения периодов собственных колебаний системы и нагружения, демпфированием, уравновешиванием, уменьшением зазоров между отдельными звеньями.
РАСЧЕТ УПРУГИХ ЗВЕНЬЕВ МЕХАНИЗМОВ
Упругие звенья применяют в составе звеньев исполнительных механизмов (например, в обувных машинах, когда необходимо совершать ударные или весьма быстрые перемещения ведомых звеньев) и в составе устройств для динамической изоляции механизмов и машин (упругие подвески барабанов машин химической чистки).
Рис. 37. Схемы соединения упругих элементов: а—последовательного; 6—параллельного
При последовательном соединении в блок упругих элементов (рис. 37,а), каждый из которых на- гружен одной и той же силой Р или моментом М, чувствительность (податливость)
B；=d入i/dP； B；=d入2〃Р；・・・；&=d入JdP.
Суммируя чувствительности отдельных элементов 3；,步,…，3；， получим
V dP 3 尸
Суммарная деформация
где Xi — деформация t-ro элемента.
Суммарная жесткость
6。=+=——，(7.22)
3 у 1
где ft< ——жесткость t-ro элемента, т. е. при последовательном соединении ряда упругих элементов их общая жесткость уменьшается.
При параллельном соединении в блок упругих элементов с различными характеристиками (рис. 37,6) суммарная деформация
入0= О]»； =「2^2=・• • = Pffin*
Следовательно, силы, действующие на каждый упругий элемент в параллельном блоке, обратно пропорциональны их чувствительности:
Р%/В；； />2 = %/*； ^n = W^, откуда
•*。=e?=丿》
Тогда чувствительность блока
加=1 / [?(1/%) •
Общая жесткость блока равна
月=ё岛.(7.23)
При смешанном соединении нескольких упругих элементов их жесткость и чувствительность определяют сначала отдельно для блоков с последовательными и параллельными соединениями, а затем эти блоки рассматриваются как соединенные параллельно.
Рассмотрим зависимости основных параметров упругих звеньев механизмов.
На рис. 38 представлена кинематическая схема механизма с упругим звеном /, упирающимся об опору 2 ведомым звеном 3, фиксируемым в исходном положении фиксатором 4.
Рис. 38. Кннематическая схема меха- Рис. 39. График работы амортнзато* низма с упругим звеномра
При освобождений фиксатора 4 звено 3 массой /п движется в направлении, упора 5, о который оно ударяется. Сила пружины Рх в текущем положении х звена 3 определяется из пропорциональной зависимости
Р* =々(Smax — 5х)/5тах»
где Pq — начальная приведенная сила сжатия пружины.
Уравнение баланса кинетической' энергии и работы
侬峻/2=\ Ро侬峻/2=\ Ро^тах^тахОПосле интегрирования определяем скорость wx звенаОПосле интегрирования определяем скорость wx звена332 $тах2 $тах(7.24)(7.24)
侬峻/2=\ Ро
侬峻/2=\ Ро
^тах
^тах
О
После интегрирования определяем скорость wx звена
О
После интегрирования определяем скорость wx звена
3
3
2 $тах
2 $тах
(7.24)
(7.24)
Время &т прохождения звеном 3 пути dsx
Отсюда получаемОтсюда получаемd^—ds^w^.d^—ds^w^.При sx=0 С=0, значитПри sx=0 С=0, значитт =т =$тах arCCOS (1^"^) + C.$тах arCCOS (1^"^) + C.5max ^rCCOS (1—) •5max ^rCCOS (1—) •(7.25)・(7.25)・
Отсюда получаем
Отсюда получаем
d^—ds^w^.
d^—ds^w^.
При sx=0 С=0, значит
При sx=0 С=0, значит
т =
т =
$тах arCCOS (1^"^) + C.
$тах arCCOS (1^"^) + C.
5max ^rCCOS (1—) •
5max ^rCCOS (1—) •
(7.25)・
(7.25)・
Ъпах = 5Ъпах = 5初max初maxmm'max*'max*(7.27)(7.27)
Ъпах = 5
Ъпах = 5
初max
初max
m
m
'max*
'max*
(7.27)
(7.27)
При полном перемещении звена на Smax
(7.26)
Скорость 加ma工 находят из выражения (7.24) при 5x=smax
Для уменьшения сил и напряжений, развивающихся в месте соударяемых тел (деталей механизмов), применяют амортизаторы.
Амортизаторы представляют собой упругие звенья, обладающие большой деформируемостью в направлении появляющейся ударной силы.
При линейном законе изменения усилия Ра амортизатора (рис. 39) среднее усилие '
'%p = S'4/Smax=(Pamiii + Pamax)/2 = ' %/2 + %ах/2),
где S — площадь трапеции Оабс с учетом масштабного фактора работ к a (々a=^p^s)； k, Хо ——соответственно жесткость и предварительный натяг пружины. —
Уравнение работ с учетом действия пружины амортизатора
加啕2=乖。胃-о
Из этого уравнения определяют текущее значение скорости звена 3
-—(尸0 —県.
'加 L с» NSmaxJ
Время т прохождения звеном 3 пути sx
T®=/A^arccos(l -下今-円.(7.28)
, J 也 Г ^0\ 气―L"cp Smax/
Максимальное время тШах будет при sx=smax
小=I/奇 Sg arccos (1- р二。Q •(7・29)
Максимальная скорость звена 3 при %=Smax
叫-=/-^4PL 2%).(7・30)
В механизмах быстроходных машин возникают значительные силы инерции, которые вызывают появление упругих деформаций в их звеньях. Эти де4юрмации являются основной причиной отклонения фактических законов движения исполнительных органов от теоретических, по которым проектировались механизмы. Поэтому проектирование механизмов быстроходных машин необходимо вести на основе динамического расчета с
учетом упругости звеньев.
Рис. 40. Схема динамической модели кулачкового механизмаРис. 40. Схема динамической модели кулачкового механизмаРассмотрим кулачковый механизм (рис. 40), введя следующие обозначения:
Рис. 40. Схема динамической модели кулачкового механизма
Рис. 40. Схема динамической модели кулачкового механизма
тПр — приведенная к толкателю масса механизма； 也 1—общий коэффициент жесткости кулачкового механизма толкателя;论2 — коэффициент жесткости пружины; Рт — технологическое усилие; Рп — усилие пружины; Pj—начальное усилие пружины (сила предварительной затяжки пружины);
у — теоретическое перемещение ннжнего конца толкателя; у^ — фактическое или действительное перемещение толкателя (перемещение верхнего конца толкателя).
Коэффициент принеденной жесткостиепр=尸叩/а2,гае Рпрц—приведенная сила, приложенная к нижнему концу толкателя；Д/ ——величина деформации толкателя, если верхний конец его закреплен.
Дифференциальное уравнение движения массы тпр имеет вид
.加пр応=6叫①一%>)-(Р“н+&%> + ?)；
ИЛИ■
У == Уст ^прУф厶国疝9力，
Где уст = (Рт 十 Рпрн)/^1—начальная статическая деформация механизма; Анр= (^i+^2)/^i——коэффициент приведенной жесткости механизма и замыкающей пружины;為口.п= 尸цр信 1—динамическая постоянная механизма.
Для простоты решения дифференциального уравнения считаем, что все силы малы по сравнению с силой упругости толкателя и их можно не учитывать, тогда дифференциальное уравнение движения массы
風,十包-%=&-у(т),(7-31)
/ипр * /ппр
где ]Л^прх/^пр = wo ■ выражает собственную частоту системы.
Общее решение уравнения, например для закона изменения ，= 9max sinQt
Уф= Ута^!^ — Q2) ( sin Qt — sin ①卢)，
%ma『題;/骑=9max ( [ _/ ) = ^ax%，0 32)
где o)= Q——угловая скорость кулачка. Следовательно, максимальное фактическое перемещение толкателя в 7гд раз более максимального (々九一коэффициент динамичности). Значение 々月^ах будет при ®кр =(Оо.
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ РАСЧЕТЫ
При длительном воздействии высоких температур (для металлических деталей более 200℃, для деталей из легких сплавов и пластмасс более 100℃) наблюдается понижение основных характеристик материала (。七,От), появление ползучести и релаксации.
Изменение относительных заборов в сопряжениях рассчитывают по формуле
a=a(1 土区緒一统(1 土团崎，
где А ——минимальный зазор при данной температуре; Рн — наименьший диаметр или линейный размер охватывающей детали; 8】и Р2 ——коэффициенты линейного расширения; Nt=t—10 ——разность рабочей температуры и температуры окружающей среды; de—наибольший диаметр, или линейный размер охватываемой детали.
126
Из условий точности, смазки, надежности соединения и т. д. вычисляют допустимые зазоры (натяги), с которыми и сравнивают тепловые зазоры А.
Если на трущихся поверхностях выделяется большое количество тепла, то тепловые расчеты производят с целью ограни， чения нагрева механизма или его отдельных элементов. Так, тепловой расчет червячных редукторов производят по формуле
где 方м — температура масла в редукторе; fo ——температура окружающей среды; 刀 ——КПД передачи; ^—мощность на выходном ьалу; SK ——поверхность корпуса; а ——коэффициент теплоотдачи, зависящий от величины помещения и наличия вентиляции (а=31,5—52,5 кДж/(м2-ч*гр).
РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ
ПО НЗНОСХ
Основные методы расчета на долговечность по изросу сводятся к следующему.
Для деталей машин, работающих с неизбежным износом, допустимые давления ограничивают величинами, установленными для данных условий, или применяют инженерный расчет на основе подо&ия или расчет, основанный на моделировании отдельных видов изнашивания [25].
Метод расчета по номинальным давлениям является условным. Он имеет экспериментальное и теоретическое обоснования в условиях малых перемещений, соответствующих зазорам в соединениях, для работы трения
Л тр=^тpT=р wx ="々и,
где ^Tp ——мощность трения; т ——время; р — удельное давление; w ——относительная скорость движения трущихся поверхностей;。一 объем истертого ма^ териала; ^и ——коэффициент износостойкости;
В расчете на основе подобия используют эмпирические степенные зависимости между контактным напряжением пКонт и износостойкостью, выраженный через путь s трения:
OkohtS == COnSt.
Здесь показатель степени т по опытам на образцах обычно колеблется от 1 до 3; меньшие значения при сухом трении, большие — при работе со смазкой, в большинстве деталей машин—около 3.
Расчет, основанный на моделировании, охватывает износ при упругом контакте, износ при пластическом контакте и микрорезании. Первый вид рассматривается как процесс усталости. Исходным при этом является уравнение типа Велера в напря
жениях. '
ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
- Качество конструкционных материалов, предназначенных для нагруженных деталей конструкции, оценивается техническими, технологическими и экономическими характеристиками. Первые оценивают техническую пригодность материала, вторые ——условия его обработки при изготовлении конструкции и третьи—стоимость как самого материала, так и его обработки.
Из технических характеристик важнейшие — механические, физические и физико-химические. Применяются также комп、 лексные эксплуатационные характеристики, оценивающие стойкость материала к одновременным механическим, физическим и химическим эксплуатационным воздействиям.
Механические характеристики оценивают поведение материала под нагрузкой (модуль упругости, предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности при растяжении, твердость, относительное удлинение и др.).
Основными конструкционными материалами в машиностроении являются металлические, органические (древесина, пластмассы, резины и др.), минералоорганйческие ' (стеклопласты, фибролит, пластобетон и др.), металлоорганические (металлопласты и армированные резины), металломинеральные (армированное стекло, железобетон и др.), минеральные (бетоны, природные, плавленые и др.).
Для машин (аппаратов), работающих в обычных условиях, масса и габаритные размеры не имеют существенного значения, поэтому их детали изготавливают из более дешевых материалов. Если требуется уменьшить массу и габаритные размеры сборочных единиц, механизмов, применяют материалы с высокими механическими характеристиками. Детали, работающие в особых условиях в отношении нагрузок, температуры, воздействия агрессивных сред, изготавливают из материалов специальных марок.
Детали ограниченного выпуска изготавливают из сортового проката свободной ковкой, сваркой. При массовом и серийном производстве применяют более эффективные высокопроизводительные технологические процессы (ковка в штампах, литье по выплавляемым моделям и др.). Для нагруженных деталей относительно небольших размеров и простой формы выгодно применять прокат и поковки, учитывая, что механические свойства стали значительно повышаются при обработке давлением. Мало нагруженные детали, а также детали сложной формы и больших размеров рациональнее получать из литья, а в условиях индивидуального производства изготовлять сварными из проката.
При конструировании машин (аппаратов) рекомендуется сокращать номенклатуру и сортамент применяемых материалов.
/ При выборе материала необходимо учитывать условия на^ гружения и работы деталей: для деталей, размеры которых оп- ределяются не жесткостью, а прочностью, применяют матер и а- лы с высоким значением предела прочности, т. е. легированную или качественную сталь с улучшением или закалкой, или вне。、 копрочный чугун; для деталей, которые должны иметь высокую собственную жесткость, применяют материалы с высокими значениями модуля упругости с термообработкой нормализацией; для изготовления деталей с большими упругими деформациями (пружин) применяют высокопрочные материалы с закалкой до высокой твердости; для парных деталей, работающих на износ в условиях трения скольжения, более дорогую деталь изготавливают из прочного материала, закаленного до высокой твердости, а парную более простую'—из антифрикционного или фрикционного материала; при работе на износ в условиях трения качения детали изготавливают из прочных легированных сталей и подвергают поверхностной закалке; деталям, работающим На изгиб или кручение нли испытывающим переменные напряжения, придают специальную форму поперечного сечения н обеспечивают ее поверхностную прочность, что позволяет повысить жесткость детали; при динамических нагрузках на кор- пусные детали в основном применяют ферритовый ковкий чугун; обладающий повышенной ударной вязкостью; для изготовления режущих и других инструментов применяют углеродистые инструментальные и легированные (хромистые) стали с закалкой и отпуском.
При выбор^*материала учитывают вид деформации. Например, серый чугун невыгодно применять для деталей, работающих на срез или растяжение. При конструировании необходимо учитывать технологию изготовления детали, так как вид заготовки и форма детали взаимно определяют друг друга.
При выборе типа и марки пластмасс, широко применяемых для изготовления корпусов бытовых приборов, деталей управления, зубчатых колес, активаторов, деталей подшипников, деталей крепежа и т. д., необходимо учитывать следующее: пластмасса подвергается изменению механических свойств (старению) ;отдельные виды пластмасс имеют свои особые свойства и неодинаковую прочность при различных видах деформации； возможность армирования пластмасс металлом с целью повышения прочности деталей. Детали из пластмасс изготовляют преимуществейно прессованием или литьем под давлением.
1291295 Заказ № 266
129
129
Глава VIII
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПРИВОДОВ
И ВЫБОР СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАШИНОЙ (АППАРАТОМ)
ТИП И СТРУКТУРА ПРИВОДА
Основное назначение привода в технологической машине заключается в преобразовании'энергии (электрической, движущейся жидкости или сжатого воздуха) в механическую и передаче ее рабочим органам машины.
В зависимости от вида преобразуемой энергии приводы разделяются на следующие основные типы: электрический, гидравлический и пневматический. С учетом электрической части привода и видов промежуточных передаточных механизмов, т. е, по структуре, приводы разделяются на электромеханический, пневмогидравлический, электрогидравличес- кий, электро пневматический, электропневмог.идравличесюий, электромагнитный и др.
' В технологических машинах бытового назначения применяют однодвигательный и многодвигательный приводы.
Структура привода определяется общей схемой передачи движения. Выбор этой схемы основывается на сравнительном анализе кинематических и динамических свойств передаточных механизмов. Учитывают, чтобы механизмы силовой передачи обеспечивали необходимые кинематические режимы движения и передачу усилий и моментов к рабочему органу при наилучшем использовании мощности двигателя.
Часто встречаются следующие типовые случаи применения отдельных структурных схем распространенного электромеханического привода.
Непосредственное соединение рабочего органа с двигателем, если номинальная угловая скорость рабочего органа совпадает с номинальной скоростью двигателя или близка к ней при одновременном равенстве их моментов, а начальный момент двигателя больше, чем у рабочего органа, т. е. соблюдается необходимое условие запуска.
Передача чёрез редуктор, если число оборотов роторного рабочего органа ниже, чем у двигателя, подобранного по условиям требуемой мощности. Кинематическую схему редуктора подбирают в зависимости от требуемого передаточного отношения и передаваемой мощности.
Привод рабочего органа посредством редуктора и исполнительного шарнирно-рычажного механизма применяется у машин с возвратно-поступательным или качательным движением рабочих органов. Запуск таких машин осуществляется с отклю-
Рис. 41. Кинематическая схема привода барабана машины химчистки с двумя электродвигателями:Рис. 41. Кинематическая схема привода барабана машины химчистки с двумя электродвигателями:/—барабан; 2—роликоподшипник： 3, 6, 12—шарикоподшипники; 4, 7, 9, /3 и /5—шкивы; 5, 8 н /4—клиновые ремни； 10—электродвигатель отжима; 11—муфта электромагнитная; 16 — электродвигатель мойки/—барабан; 2—роликоподшипник： 3, 6, 12—шарикоподшипники; 4, 7, 9, /3 и /5—шкивы; 5, 8 н /4—клиновые ремни； 10—электродвигатель отжима; 11—муфта электромагнитная; 16 — электродвигатель мойки
Рис. 41. Кинематическая схема привода барабана машины химчистки с двумя электродвигателями:
Рис. 41. Кинематическая схема привода барабана машины химчистки с двумя электродвигателями:
/—барабан; 2—роликоподшипник： 3, 6, 12—шарикоподшипники; 4, 7, 9, /3 и /5—шкивы; 5, 8 н /4—клиновые ремни； 10—электродвигатель отжима; 11—муфта электромагнитная; 16 — электродвигатель мойки
/—барабан; 2—роликоподшипник： 3, 6, 12—шарикоподшипники; 4, 7, 9, /3 и /5—шкивы; 5, 8 н /4—клиновые ремни； 10—электродвигатель отжима; 11—муфта электромагнитная; 16 — электродвигатель мойки
ценной нагрузкой, что не требует дополнительного повышения мощности двигателя.
Привод через коробку передач, если рабочий орган работает в большом диапазоне изменения нагрузок и скоростей.
В производственных маши-
нах бытового назначения с мно- гоцикловыми технологическими процессами часто применяют комбинированную систему передачи движения, состоящую из двух электродвигателей, многоступенчатой клиноременной передачи в совокупности с фрикционной, обгонной, электромагнитной муфтами или с бесступенчатым вариатором (машины химической чистки, стиральные машины).
Многодвигательный привод наиболее широкое распространение получил в машинах химической чистки (рис. 41), у которых рабочие барабаны, гидронасосы, вентиляторы, роторные фильтры и другие устройства снабжены индивидуальным электроприводом, а многие исполнительные механизмы систем автоматики имеют другие типы приводов-—электромагнитные и пневматические. Много двигательный привод позволяет устранить промежуточные передаточные звенья между двигателем 'и исполнительными механизмами по сравнению с однодвигательным приводом.
ЭЛЕКТРОПРИВОД В СИСТЕМЕ МАШИННОГО АГРЕГАТА
При проектировании силовой части машины рассматривают совместяую систему рабочей машины и электродвигателя, т. е. систему машинного агрегата.
При анализе движения машинного агрегата систему его звеньев рассматривают на основе адекватной одномассовой динамической модели с приведением всех факторов движения звеньев машины к одному — звену приведения.
5* [31
на энергети*и звена при-на энергети*и звена при-силу к точкесилу к точке加=£ [л管cos(修,叫)+m.用, Р=£[3 号 8s加=£ [л管cos(修,叫)+m.用, Р=£[3 号 8s(8.1)(8.1)(8.2)(8.2)
на энергети*и звена при-
на энергети*и звена при-
силу к точке
силу к точке
加=£ [л管cos(修,叫)+m.用, Р=£[3 号 8s
加=£ [л管cos(修,叫)+m.用, Р=£[3 号 8s
(8.1)
(8.1)
(8.2)
(8.2)
Приведение факторов движения основывается ческом.балансе всех звеньев приводимой системы ведения.
Приведенный момент к звену и приведенную
звена определяют из равенства элементарных работ по формулам
где /\ и, Mi ——соответственно приводимая сила и приводимый момент;酬厶 st―соответственно линейная и угловая скорости приводимого звена; со, со — соответственно линейная и угловаи скорости звена приведения; cos(Pf+ 剂г)—косинус угла между направлением силы Pi и скоростью д звена.
Приведенные силы и пары сил можно определить, используя теорему Жуковского.
Приведенный момент инерции массы и приведенную массу определяют из равенства кинетических энергий по уравнениям
(8.3)
吟£回（3+/"岛下吟£回（3+/"岛下(8.4)(8.4)
吟£回（3+/"岛下
吟£回（3+/"岛下
(8.4)
(8.4)
r* 侬s? — скорость центра масс; ISi 一момент инерции и массы звена i относительно оси, проходящей через центр масс.
Приведенный момент инерции массы (приведенная масса) переменный, если отношения скоростей (передаточные отношения) переменны, и постоянна, если эти отношения постоянны.
При моделировании и анализе динамических явлений в машинном агрегате рассчитывают соответствующие факторы этих явлений с приведением их к одному звену ।—звену приведения. Так, например, определяют приведенную жесткость механизма (или приведенную податливость) и приведенный зазор в кинематических парах.
Мгновенная мощность привода определяется выражением
N=8A{dx=Pw cos(P,⑫)，
где ЗА ——элементарная работа； dx——приращение времени.
^р=Л/т = j 8Л/т ==^р=Л/т = j 8Л/т ==Средняя мощность привода
^р=Л/т = j 8Л/т ==
^р=Л/т = j 8Л/т ==
Pw cos (Р,砌 &W⑸一q), 一 (8.5)
% La где &—力一промежуток времени.
Закон изменения входящих величин в Nc& бывает сложным, поэтому часто приходится вычислять интеграл приближенно методами графическим -и численных операций.
Различают три стадии движения машинного агрегата: пуск (разгон), установившееся движение и останов (выбег).
Стадии разгона и выбега называют переходными режимами работы агрегата.
Если заданы силы движущие и полезных сопротивлений, то в соответствии с принципом Даламбера движение машинного агрегата описывается в общем виде следующими уравнениями, полученными из энергетического баланса dA=dE (dA—элементарная работа приведенной силы; dE ~ приращение кинетической энергии): для вращательного движения'
Мв-А/с=М=а (/叫 2)/〃％(8.6)
для поступательного движения
Р№~ Pc=R=d (m^l^lds,(8.7)
где Мдв и Рдв ——соответственно приведенные движущий момент и движущая сила; Мп и Ра — соответственно приведенные момент инерции и сила инерции.
Приведенные момент инерции и сила инерции в общем случае движения машинного агрегата изменяются вследствие изменения угловой (линейной) скорости и приведенных моментов инерции массы (или массы) звеньев.
В общем виде момент инерции представляется равенством
Mn=fd^+(^/2) (dl/a^.(8. 8)
Для машин с постоянной величиной приведенного момента инерции или принимаемой за постоянную, например, из-за малой скорости движения или малой массы звеньев шарнирно-рычажных механизмов приблизительно можно считать /^/叩
AfH=/d(o/di;=/£.(8.9)
По аналогии то же относится и к поступательному движению.
Значение ускорения е принимают в зависимости от стадии движения агрегата (разбег ер или выбег ев) •
Исходными данными для экспериментального определения уг* ловых- ускорений являются кривые изменения угловых перемещений исследуемого вала машины в функции от времени, по* лученные экспериментально при исследовании неустановившего* ся движения машины (разбега и выбега). При этом полученные записи дают ф=/(т) и 'соответственно (о—fi (т) и е=/2 (т). Величина углового ускорения разбега получается как Ер=а)р, а £в = 3в・
При проектировании новых машин, когда экспериментальные исследования машины невозможны, средние угловые ускорения можно определить расчетным путем по формулам
где (о — средняя угловая скорость вала - приведения при установившемся движении; тр и тв ——время разбега и выбега.
При этом время разбега и выбега берут исходя из опытных данных подобных машин или определяют расчетным путем.
Уравнения (8.6, 8.9) позволяют определить длительность переходных процессов ，
x = ^±Id^MAB~M^ (8. 10)
Однако решение уравнения (8.10) затруднительно, так как величины 7, МДв и MG не всегда являются функциями угловой скорости.
Для частного случая, например, при 7 = const, MAB=const и Мс== const время разбега машины от 31 = 0 до 32=з можно определить по формуле
тр—/ со/ (А1дв Мс)・
В случае торможения электродвигателя от о)1 = з до 32=0 крутящий момент будет равен тормозному моменту, т. е. Мдв= =Мт. Длительность торможения /
,' Tt=/(o/(Mt —Afc). (8.11)
Период реверсирования определяется как сумма
Трв^^Тр^Тт* (8.12)
Нри проектировании машин стремятся к сохранению длительности переходных процессов, т. е. к тому, чтобы пуск, останов и реверсирование происходило в наиболее короткие про- межугкн времени.
Снижение времени переходных процессов достигается за счет снижения инерционности агрегата путем уменьшения удельных величин Мдв/7 и Мт//.
Динамика машинного агрегата' более полно может быть рассмотрена с учетом физической сущности процесса для данного типа двигателя. Так, например, для агрегата с наиболее распространенным асинхронным типом электродвигателя в основе уравнения динамик1и системы используют уравнения Лагранжа——Максвелла, отражающие взаимосвязь между механическими и электродинамическими процессами.
Для привода исполнительных механизмов необходимо приложить момент или силу и подвести мощность, соответствующие производственному сопротивлению и требуемой скорости движения. Зависимости этих величин от скорости движения (в установившемся периоде) называются механической характеристикой рабочей машины.
Работоспособность электродвигателя выражается также механической характеристикой, т. е. зависимостями движущегося момента и мощности от частоты вращения его вала. Поэтому при проектировании машинного агрегата необходимо рациональ-
но сочетать механические характеристики рабочей машины и электродвигателя. Это достигается путем Соответствующего выбора исполнительных и передаточных механизмов, влияющих на механическую характеристику рабочей машины, за счет подбора электродвигателя с наиболее подходящей механической характеристикой и с учетом необходимости применения маховика в агрегате.
Рассмотрим механические характеристики некоторых исполнительных механизмов (машин).
В простейшем случае приведенный момент сил полезных сопротивлений Мп.с с изменением скорости не' изменяется (рис. 42,а). Сюда относятся поршневые насосы и компрессоры, конвейеры, машины с валковыми рабочими органами, машины, у которых пр еобл ад ающи м полезным моментом является момент от сил трения в кинематических парах. Из бытовых электроприборов сюда можно отнести посудомоечные машины, у которых
Рис. 42. Механические характеристикиРис. 42. Механические характеристикиисполнительных механизмов:исполнительных механизмов:
Рис. 42. Механические характеристики
Рис. 42. Механические характеристики
исполнительных механизмов:
исполнительных механизмов:
а-прн Aln;c=const; б-при Мп С=Л1 ((о)；в, г и е — прн Л1П „=ЛТ (^)； 5 —при
%.「％, с(т)'
момент статического сопротивления, создаваемого разбрызгивателем воды, не зависит от частоты его вращения и времени.
Потребляемая мощность при установившемся движении у таких исполнительных механизмов (машин)
N=Ma.cm.
У стиральных машин барабанного типа, машин химической чистки момент статического сопротивления с увеличением частоты вращения уменьшается (рис. 42, б) благодаря большей равномерности распределения изделий по поверхности барабана при увеличенной частоте его вращения. Механические характеристики типа ЛТп.с=-Л4п.с((о2) и N = N (硝(рис. 42, в) в период разбега, по которому производится подбор электродвигателя, встречаются, например, у центробежных насосов, мешалок, воздушных вентиляторов, центрифуг.
Механические характеристики типа ЛГп.с = АГп.с(ф), где
(р= tadt ——угол поворота рабочего органа (рис. 42, г), свойст- 6-
венны красильным баркам с мешалкой барабанного типа,-У них сопротивление жидкости возрастает с увеличением скорости, а изменения сопротивления, вызванные углом поворота лопасти мешалки, являются функциями координат пути лопасти. К этой категории механических характеристик относятся также машины, в кинематической схеме которых имеются кривошяпно-ша- тунные или эксцентриковые механизмы, электроножницы и электроножи и др.
Потребляемую мощность при этом определяют по формуле
ср
где Мн.сср~ среднее значение момента сопротивления за оборот вала (рабочего органа).
Механические характеристики типа Мп^~М^с (т) относятся к машинам (рис. 42,0), у которых момент сопротивления зависит от физико-механических свойств обрабатываемых участков материала и других случайных факторов в процессе обработки, т. е. является стационарной функцией времени. Влияние случайных факторов проявляется у машин для резания обувных материалов, стиральных машин с дисковым активатором, в которых непрерывно изменяет свое положение центр масс белья, у мясорубок, кофемолок и др. Потребляемая мощность таких машин определяется из условия максимального расчетного момента Л4п>Стах и соответствующей ему рабочей скорости со
N=Mrc со.
Механические характеристики рабочих машин с шарнирнорычажными исполнительными механизмами (рис. 427c и е), у 136
Рис. 43. Механические характеристики электродвигателей:Рис. 43. Механические характеристики электродвигателей:/—синхронного; 2—асинхронного; 3—постоянного тока параллельного возбуждения； 4—постоянного тока последовательного возбуждения/—синхронного; 2—асинхронного; 3—постоянного тока параллельного возбуждения； 4—постоянного тока последовательного возбуждения
Рис. 43. Механические характеристики электродвигателей:
Рис. 43. Механические характеристики электродвигателей:
/—синхронного; 2—асинхронного; 3—постоянного тока параллельного возбуждения； 4—постоянного тока последовательного возбуждения
/—синхронного; 2—асинхронного; 3—постоянного тока параллельного возбуждения； 4—постоянного тока последовательного возбуждения
которых цикличная полезная нагрузка имеется в определенном интервале ведущего звена (швейные машины, вырубочные и гладильные прессы, машины для крепления деталей обуви штучными крепителями и др.), выражаются зависимостью Мп.с三 = Мп.с (<р).
Исходя из равенства работ движущих сил и сил сопротивт лений Для каждого цикла установившегося движения определят ют среднее значение приведенного к валу исполнительного механизма момента сил сопротивлений, принимаемое за расчет-^ ный момент движущих сил:
О
Потребляемая мощность определяется по формуле
N=M»c 仇П，ССр
На рис. 43 приведен общий вид механических характеристик электродвигателей; comm, «и ——угловые скорости минимальная и номинальная; ab — рабочий участок характеристики.
Угловая скорость вала асинхронного электродвигателя является убывающей функцией момента на его валу. Однако степень изменения угловой скорости вала с изменением мо* мента у разных электродвигателей различна и характеризуется жесткостью механической характеристики, т. е. =dAf 口 в/dco.
一 Точка характеристики асинхронного электродвигателя Н, соответствующая номинальному режиму, лежит на устойчивом
участке ав. Этот участок с достаточной для практики точностью может считаться линейным. Следовательно, движущий момент, развеиваемый на валу асинхронного электродвигателя при установившемся движении в первом приближении, выражается линейной функцией угловой скорости ротора
■^дв ~— -^с — -^пуск^^»
где Мпуск,——пусковой момент; ^= (Мпуск——Мс)/о)н； Мс—момент сопротивления.
О соответствии механических характеристик электродвигателя и машины судят по совместной механической х а- рактеристике машинного агрегата, представляющей алгебраическую сумму их характеристик. •
Из-за несоответстви я механических характеристик двигателя и исполнительных механизмов возникает динамический момент М* нарушающий плавную работу привода. Характер изменения скорости машинного агрегата под действием момента Л/д определяет устойчивое или неустойчиво е движе
ние машинного агрегата.
Подбором двигателя для рабочей машины с заданной нагрузочной характеристикой обеспечивают условие устойчивой работы машинного агрегата.
Работа машинного агрегата устойчива, если при установив
шемся движении при незначительных отклонениях приведенных моментов сил сопротивлений Мс или движущих сил Мдв агрегат без участия регулятора восстанавливает режим установившегося движения. Это происходит при таком взаимном расположении совмещенных механических характеристик двигателя и рабочей машины, когда справа от точки их пересечения (в сторону увеличения скорости) кривая моментов движущих сил Мдв лежит ниже кривой моментов сил сопротивления Мс, а слева от точки пересечения — наоборот. При этих условиях почему-либо возникшие отклонения скорости ±А(о будут стремиться к нулю.
Работа агрегата неустойчива, если при нарушении равно
весия отклонение скорости, возникающее под воздействием из
быточных моментов, продолжает возрастать.
Возможные сочетания механических характеристик рабочих машин и двигателей при устойчивой и неустойчивой работе машинных агрегатов приведены на рис. 44.
Р асчет мощности электродвигателя м а- ш и ны (рабочего механизма аппарата) делают в со-
Рис. 44. Графики сочетаний механиче- Ответствии С предполагае- ских характеристик рабочих машин и мой нагрузкой и режимом двигателейего работы. Если электро
двигатель выбран недостаточной мощности по сравнению с предполагаемой нагрузкой, это приведет к неполному использованию машины (аппарата) или перегрузке отдельных частей электродвигателя и преждевременному выходу его из строя. И наоборот, если мощность электродвигателя будет превышать предполагаемую нагрузку, эко-
номические показатели машины снизятся (увеличится первоначальная стоимость- электропривода, уменьшится КПД, а для асинхронных двигателей снижается, кроме того, и коэффициент мощности cos(p).
Мощность электродвигателя выбирают на основе силового и энергетического расчетов привода с учетом режима работы электрмвигателя, обуславливающего его нагрев. В силовом и энергетаческом расчетах необходимо учитывать также перегрузочную способность электродвигателя при его пуске.
Момент движущих сил при пуске машинного агрегата служит основой для выбора электродвигателя по таблицам > государственных стандартов. Его можно определить мощностью, потребляемой машиной при установившемся движении, по выражению
А1 дв —— ^А1ДВ、
Если за вал приведения принят главный вал машины, необ- ходимр МДв привести к валу электродвигателя
AfjlBo = 々Мдв1/(Н»1—2)，
где т]——КПД передачи от двигателя к главному валу машины;厶一2 ——передаточное отношение передачи от электродвигателя к машине.
Для обеспечения наилучшего cos ф при работе электродвигателя необходимо учитывать допустимое соотношение 々〔— =Мпу®х/Мн (Мтах и'麻н соответственно максимально допустимый и номинальный моменты двигателя) и 4H=0,8 (коэффициент надежности двигателя).
饵呪=0,8Л4тах={),8^1Л1и.
Из последнего уравнения находим
m=б也3丿(汕—2，0,8財).(8.13)
Зная Мн на валу электродвигателя, можно определить соответствующую мощность электродвигателя (кВт) по формуле
NR=MH(dH/1 000,
где(Он ——номинальная угловая скорость вала электродвигателя.
Расчетная мощность Nh служит для выбора мощности элек： тродвигателя по государственному стандарту с последующей проверкой его по режиму работы.
Режим работы электродвигателя зависит от ре- 一 жима работы технологической машины или механизма аппарата. Применительно к температуре электродвигателя, соответствующей его номинальной мощности, и выбирается мощность электродвигателя. В соответствии с ГОСТ 183——66, обуславливающим температурные режимы электродвигателя, устанавливаются следующие номинальные режимы электродвигателя:
продолжительный номинальный;
кратковременный номинальный;
повторно-кратковременный номинальный.
Продолжительным номинальным называется режим работы электропривода при неизменной номинальной нагрузке, при которой превышение температуры Т электродвигателя по сравнению с температурой окружающей среды То достигает установившегося значения. В таком режиме работают вентиляторы, насосы, компрессоры.
• Номинальную мощность электродвигателя ^н для таких машин определяют по формулам для сдлового расчета, например: а) для центробежного насоса
где р ——плотность перекачиваемой жидкости; Я — высота всасывания; Ус —— расход жидкости (производительность) насоса; “н й 口口 一КПД насоса н системы передачи движения;
б) для вентилятора
Nh=A/c/(%%)，
где Vc — расход воздуха (производительность) вентилятора; Ар ——напор; 小 н 仙一КПД вентилятора (0,3—0,7) н системы передачи движения.
В условиях кратковременного но мин а ль н о г о режима работы электропривода периоды номинальной нагрузки Чередуются с периодами отключения, за время которого электродвигатель успевает охладиться до температуры окружающей среды TV Продолжительность номинального кратковременного режима работы электродвигателя составляет 10, 30, 60, 90 мин. В таком режиме работают вспомогательные электроприводы металлорежущих станков, машины малой механизации и различные электрифицированные инструменты и бытовые приборы.
Мощность электродвигателя для привода машины рассчитывают методом эквивалентных величин:
. тока
y f1 + T2 + ，"” + %
где Zb /2,…,，п ——ток электродвигателя, соответствующий времени ть 电,…，丁门；
или момента
М；Н + М^т? + • • * + м"д
修+力2 + • •・Т"
Номинальная мощность равна
Nh=Т^и/ cos %%
ИЛИ№н = МзЗн,
где Uh, cos фю т)н, (Он ——соответственно: номинальные напряжения, косинус фи, КПД и угловая скорость электродвигателя.
При повторио-кратковременном номинальном режиме работы электропривода периоды номинальной нагрузки чередуются с периодами отключения электродвигателя; температура электродвигателя за время периода нагрузки не превышает установившегося значения; за время периода отключения электродвигатель не успевает охладиться до температуры окружающей среды То. В таком режиме £аботают подъемно- Транспортные машины, прессы, швейные машины, металлорежущие станки, стиральные машины, центрифуги, машины ^химической чистки и др.
Повторно-кр атковременный режим хар актеризуется продолжительностью включения электродвигателя (77В), которую определяют из нагрузочной диаграммы по формуле
nB=£=—支+ T2 + •二+.生.100)
Th T1 + 七2 + "一 + 七 h + ?x
где тн и Гц ——соответственно время нагрузки и время цикла работы электродвигателя; tx ——время холостого хода или отключения электродвигателя.
Номинальный повторно-кратковременный режим работы электропривода предусматривается с ПВ-15, 25, 40, 60% и циклом 7口 10 мин. Если цикл превышает 10 мин, то режим работы электродвигателя следует считать продолжительным.
Мощность электродвигатёля при данном режиме работы машины определяют методом эквивалентных величин (момента, мощности) по формуле
/
N：5 + N江2 + — + N 訳 r
5 +工2十• • • +電/i
где ^ь N2t ―, Nn~^ мощности электродвигателя, соответствующие s времени 丁卜 <2,…，•
Если ПВ электродвигателя отличается от ПВ при номинальном режиме, следует пересчитать мощность электродвигателя на ближайшую номинальную с соответствующей продолжительностью включения по формуле
Na=N3VTiBjnBK,一
где ^э и Ун ——эквивалентная и номинальная мощности электродвигателя при соответствующих ПВЭ и ПВН.”
Тип электродвигателя выбирают в зависимости от условий его эксплуатации по Государственным стандартам.
При силовом расчете приводов следует учитывать, что, кроме статических усилий, в приводе возникают динамические усилия трех видов динамических нагрузок:
‘ возникающих в элементах в результате неравномерности приложения рабочей нагрузки или удара;
возникающих в .механизме в результате неравномерного движения его деталей;
возникающих при пуске машины и ее торможении.
При установлении расчетных усилий и моментов, воспринимаемых элементами привода машины, следует учитывать виды нагружения машин статическими (полезными) нагрузками.
Рассмотрим динамические нагрузки, возникающие в приводах вращательного движения при типовых случаях действия статических нагрузок.
В подавляющем большинстве случаев приводы машин включаются и выключаются, когда рабочие органы машин работают
Рис. 45. Расчетная схема привода вращательного движения: а—реальная; б—расчетная двухмассо- вая: /j, /2( /$, /4, /8 —моменты инерции звеньев механизма; Zo н Л1 Дв—соот* ветственно момент ннерцин и крутящий момент двигателя; Мс—момент сопротивления; й], й2,々з—момент жесткости элементов привода； й, г2—передаточные отношения звеньев; Л1ДВ, Мс— соответственно приведенные моменты двигателя и статического сопротивления; /| н/[] —соответственно моменты инерции, приведенные к валу двигателя и валу исполнительного механизма; А—приведенная жесткость вала
вхолостую； т. е. они не нагружены. Для такого случая уравнения движения привода, представленного расчетной схемой (рис. 45), без учета сил затухания следующие:
厶覺 + 他一屮2)6 = М”уск = Mmax；
(8. 14)
、^П(％—屮2)6 = Мст = 0,
где AluycK ——максимальный приведенный пусковой момент электродвигателя (тормоза); /[——приведенный момент инерции ведущего элемента привода (муфты, маховика, ротора и т. д.); 7ц ~ приведенный момент инерции ведомого элемента привода (исполнительного механизма при /n=const)； q^ и q)2 — угловые координаты ведущего и ведомого элементов； k ——приведенная жесткость элементов привода; Мст — приведенный статический момент.
Решая систему относительно нагрузки упругого звена (вала), т. е. для внутреннего момента в сечении вала в условиях максимального нагружения динамическим моментом 2Ид=Л(<р]—— —中2), сначала получим 、
МЛ=А sin 1/丄(厶二AD.c+Bcos_LQ山工+沙x5
где /нВ — постоянные интегрирования, а затем, используя начальные условия т—0, Мд=0 и dM^jd%=G
й—1,
окончательно получим
М%ах = 2Mmax/ll/(/l + 厶】)・(8.15)
Отсюда видно, что чем больше ведомая масса системы привода, т.巳 /“，тем больше нагрузка системы.
Если 厶I значительно больше 厶，можно принять ^дтах~ ^2Л1пуСК. Величина Л1Пуск может быть равной (1,25—3)ЛГН, а при торможении — 2Л1Н (-Мн — номинальный момент двигателя, который примерно равен статическому моменту Мс).
При нагружении рабочих органов вращательного движения после разгона привода расчетный момент привода
M^^yT^k^ Мс^(8.16)
где со — угловая скорость движения элемента привода; k — приведенная к рассматриваемому сечению элемента угловая жесткость передач и валов между двигателем и ведомым элементом.
При возвратно-поступательном движении ведомого звена ис- полиительного механизма, непосредственно воспринимающего ударную нагрузку после разгона привода, максимальная расчетная сила
Рр=®М加I 也+Рст,(8.17)
где w — скорость соударения； тп ——приведенная масса ведомого звена; k—' приведенная (к месту соударения) линейная жесткость привода; РСт 一статическая нагрузка.
Расчетную нагрузку привода при нагружении его с помощью муфты после разгона двигателя (плавный пуск) определяют по формуле
- Мст) + Mb
При резком пуске 1
I торможении нагруженных приводов
» .Мтуск —-
Мпах—+
1 _ / (Мпуск — Му)/口 十 Р Л+/ц
Г д -丄 МтУскМсТ 1 (Мцуск — Met) ^П 1 [
1 СТ 1 М】уск — Мс」А+Л1 J 十
+限「
§ 3. ГИДРОПРИВОД
Гидравлический привод представляет собой сово- куЬность устройств, предназначенных для преобразования потока жидкости гидродвигателя в механическую энергию и передачи ее исполнительному механизму машины. Гидропривод обычно является -составной частью электрогидропривода, но при рас-
143
смотрении отдельных свойств гидравлической части электриче- .скую часть не рассматривают.
По сравнению с другими видами приводов гидропривод обладает рядом преимуществ: бесступенчатость регулирования; самосмазываемость трущихся деталей; простота устройства автоматического предохранения механизмов машины от перегрузки； возможность установки в любом удобном месте; простота передающих устройств (трубопроводы); возможность развивать значительные тяговые усилия; простота автоматизации работы механизмов; простота и удобство управления; возможность применения стандартных узлов и элементов и др.
К числу недостатков гидравлических передач относятся: потери на трение в трубопроводах; утечка рабочей жидкости;
55Рис 46. Схемы гидроприводов 1 поступательного движения силового гидроцилиндра:Рис 46. Схемы гидроприводов 1 поступательного движения силового гидроцилиндра:а—одностороннего действия； 6— двустороннего действия; в—дифференциального действияа—одностороннего действия； 6— двустороннего действия; в—дифференциального действияизменение скорости движения рабочих органов при изменении температуры, вязкости и сжимаемости жидкости; проникание воз、 духа в жидкость, ухудшающее характеристику работы гидросистемы.
5
5
Рис 46. Схемы гидроприводов 1 поступательного движения силового гидроцилиндра:
Рис 46. Схемы гидроприводов 1 поступательного движения силового гидроцилиндра:
а—одностороннего действия； 6— двустороннего действия; в—дифференциального действия
а—одностороннего действия； 6— двустороннего действия; в—дифференциального действия
Гидравлические двигатели бывают поступательного и вращательного движения.' Наиболее распространенным гидравличе^ ским приводом является объемный гидравлический двигатель (силовой гидроцилиндр), предназначенный для обеспечения возвратно-поступательного движения исполнительных механизмов. Энергию движущейся жид- * кости при этом создает гидронасос, ведущий вал которого кинематически связан с валом электродвигателя.
Силовые гидроцилиндры в зависимости от направления действующего рабочего давления жидкости могут быть одностороннего, двустороннего и дифференциаль
ного действия (рис. 46,а, 6, в).
Рабочие жидкости в гидросистемах привода подвергаются воздействию переменных давлений, скоростей и температур. В связи с этим к ним предъявляется ряд требований для обеспечения стабильной работы： жидкости не должны выделять паров при рабочих температурах, содержать, поглощать и выделять воздух, создавать пену, вызывать коррозию механизмов и разрушать уплотнения, должны обладать хорошей смазываю- 144
щей способностью и химической стойкостью, иметь соответствующую вязкость, отвечать условиям пожарной безопасности.
В гидросистемах машин обычно применяют индустриальные масла. Давление в системах среднее (до 5 МПа) и большое (от 5 до 21 МПа). Для получения потенциальной или кинетиче-- ской энергии рабочей жидкости служит преобразователь энергии, состоящий из электродвигателя и насоса.
Для регулирования количества, давления, направления и скорости масла в гидравлических системах применяются клапаны, золотники, дроссели и регуляторы скорости (дроссель в сочетании с редукционными клапанами).
Основы расчета гидропривода. Механическая энергия рабочей жидкости представляет собой сумму потенциальной энергии сжатия жидкости и кинетической энергии ее перемещения.
Для двух сечений 1 и 2 трубопровода в системе гидропривода-уравнение Бернулли имеет вид
/?! + w?p/2=/?2+wlp/2 + рп,
где pi и рг ——напоры давления в соответствующих сечениях;切【и w2 ——скорости движения -жидкости в соответствующих сечениях; р ——плотность жидкости; рп ——потерянный напор на участке между сечениями /——2, обусловленный трением жидкости о стенки трубопровода и местными сопротивлениями.
Если пренебречь значением % то при начальной скорости движения масла 51 = 0 из данного выражения скорость течения жидкости через трубу будет
w2=/2Mp，
где Др==р!—р2.；
Средняя скорость маслопотока в трубе
叫 р=К»т=4 匕/(М",
где Vc — расход масла; ST — площадь сечения трубы; dt — диаметр .трубы.
Мощность гидравлического насоса (кВт) рассчитывают по формуле
/^=^/(100^),
где Др—.полное давление, развиваемое насосом, равное разности давлений в нагнетательном и всасывающем патрубках;小一КПД насоса.
Для общего случая вертикального перемещения поршня в цилиндре одностороннего действия уравнение равновесия сил
^шт=р5=Рп>с -j- Рв4- Рпр +/»п.д5п.д4- 2 ^тр 土 尸н，(8.18)
где Рщт—тяговое усилие штока; р — давление в системе; S и 5П.Д — полезная площадь поршня со стороны давления и противодавления; Рц.,— сила полезных сопротивлений; Рв 一 вертикальная составляющая силы тяжести перемещаемых деталей; РДр——усилие сжимаемой пружины; рп.д—противодавление; EFtp — сумма сил трения в уплотнениях; Ги инерционная нагрузка на поршень, обусловленная перемещением массы при ускорении.
Силу трения между уплотняющими кольцами и зеркалом цилиндра определяют по уравнению
Fтр.ц === DhpfiZ乳,
где D — диаметр поверхности треиия; й ——высота кольца; р — удельное давление между поверхностью' кольца и зеркалом цилиндра (принимается равным давлению в системе);厶一коэффициент трения между кольцами и цилиндром (для чугунного кольца 厶=0；07—0,15); 2一число колец, участвующих в работе.
Усилие трения в кожаных манжетах равно
.F%pK^= nDbpf,
где D — диаметр сопряженный металлической поверхности трения; & ——ширина сопряженной поверхности трения; f ——коэффициент трения кожаных манжет (для мягкой кожи /=0,03—0,07, для твердой 0,10—0,13).
Предварительно диаметр гидроцилиндра определяют по формуле
А=V 偏 2 Ri.J(咽，~
где 左з — коэффициент запаса, равный 1,1—1,5.
Расход жидкости Vc> необходимый для сообщения поршню заданной скорости движения 匆口 в цилиндре, определяют по формуле
V с = 5 tAi"]о6,
Г^^п —площадь поршня; т]об — объемный КПД цилиндра, равный 0,92—
Суммарная сила инерции разгоняем ых масс деталей или других элементов машинн, перемещаемых поршнем, находится в зависимости от величины ускорения, определяемого приближенно из предположения, что кривая скорости в период разгона масс имеет формулу параболы:
寸=2/п® или *„=тр/(2да),
где w — скорость движения; тР — время разгона (0,2—0,5 с).
Отсюда после дифференцирования уравнения параболы ускорение
а—с1^1(1хр=Ср/kn = 2w/ tp •
При наибольшей скорости движения ®так сила инерции
尸 н=加 @= 2 加％яах/tp，
где т ——масса движущихся частей.
По выбранному давлению и тяговому усилию штока поршня Рип определяют площадь S% а соответственно и диаметр D京 рабочего цилиндр>а
5П== лА)ц/4=РШт/р, отсюда
&=М?5^= 1,13
Основные зависимости для расчета гидравлических цилиндров двустороннего действия (см. рис. 46,б). При перемещении поршня скорость его движения различна:
при движении влево一
gnUcjSo，при движении вправо叫=匕戸，
где Ес? VCa и S So — расход масла и площади полезного сечения поршня в соответствующих полостях цилиндра.
询］/询2 — SJ S= 1 ^шт/ ^^，询］/询2 — SJ S= 1 ^шт/ ^^，При одинаковом расходе масла
询］/询2 — SJ S= 1 ^шт/ ^^，
询］/询2 — SJ S= 1 ^шт/ ^^，
где dmr и Рц — площади сечения штока и цилиндра (поршня).
При давлении р W10 МПа рекомендуется d^D^ 0,25—0,7.
Большая величина соответствует высокому давлению.
Силы давления соответственно на левую и правую стороны
P=pS;P=pS;поршня
P=pS;
P=pS;
Ро=р2о, где р и ро ——давление в левой и правой полостях цилиндра.
Мощности, передаваемые поршнем при движении вправо и влево, очевидно, будут различными и определяются в соответствии с действующими силами давления и скоростями поршня.
Длительность двойного хода поршня
%^=〃叫 + "吗 + e，
где / — длина хода поршня, м; т — время изменения направления движения.
При приведенной к штоку массе m время разгона массы можно определить из уравнения движения объемного гидропривода
rnx=P^ — Pz или t/=P\S — Р“ — P?(SLS4、(8. 19) где Рдв =^i^i—движущая сила; Рс = Ртр—Р2(&—§тт)—приведенная сила сопротивлений (трения и полезных сопротивлений) и противодавления.
147
Выражая давления pi и р2 через давление масла на выходе йз насоса р^ и потерь давления в напорной линии Ар^ получим
Pi=Ph —Арь
' Так как давление р£ зависит от потерь давления в сливнойлинии Др2 и потерь давления в тормозном устройстве Дрь тоp2=Ap2+ApT.
В зависимости от скорости течения жидкости на основании экспериментальных данных, учитываемых коэффициентами 4, Bi и Л2л Въ а также Вт, Aw и р0,
Ap\=A\W-^Bxw2,
А夕2 =厶询+ В2m2,
^pr—Brw2/Sr,网=Л)_А®т，
где St — переменная площадь проходного сечения в тормозном устройстве. Уравнение движения привода имеет вид
х=-^-^0 ——^Aw—夕询2)х=-^-^0 ——^Aw—夕询2)(8.20)(8.20)где 4尸 +5=&Тгде 4尸 +5=&ТSi — 5Ш-Si — 5Ш-SiSi屮+制.屮+制.В результате решения получают время разгона массы m
х=-^-^0 ——^Aw—夕询2)
х=-^-^0 ——^Aw—夕询2)
(8.20)
(8.20)
где 4尸 +5=&Т
где 4尸 +5=&Т
Si — 5Ш-
Si — 5Ш-
Si
Si
屮+制.
屮+制.
如
+C.+C.(8.21)(8.21)/0 -尸T/S[—公w2 — 8w2/0 -尸T/S[—公w2 — 8w2Константу интегрирования С определяют из граничных условий изменения скорости 侬.
+C.
+C.
(8.21)
(8.21)
/0 -尸T/S[—公w2 — 8w2
/0 -尸T/S[—公w2 — 8w2
То л щи ну стенки гидроцилинд р а четом на прочность, считая гидроцилиндр как ния с толстыми стенками (см. гл. XVII, § 2).
Шток гидроцилиндра подвержен действию
определяют pac- оболочку враще-определяют pac- оболочку враще-переменных на-переменных на-грузок, поэтому расчет его необходимо вести на ограниченную долговечность (см. гл. VII, § 6), найдя при этом допускаемое напряжение, а затем и диаметр штока по формуле
определяют pac- оболочку враще-
определяют pac- оболочку враще-
переменных на-
переменных на-
"lUT"lUT4戶шт冗[адоп]
"lUT
"lUT
ПНЕВМОПРИВОД
С помощью пневмопривода энергия сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию, которая передается исполнительному механизму.
148
перемещениях. Последнийперемещениях. ПоследнийРис. 47. Схемы пневмоприводов поступательного движения:Рис. 47. Схемы пневмоприводов поступательного движения:а и 6—поршневого одностороннего и двустороннего действия; 6 н е—диафрагменной пневматической камерыа и 6—поршневого одностороннего и двустороннего действия; 6 н е—диафрагменной пневматической камерыпостороннего действпостороннего действPnrr = pS — (WPc + Рцр),Pnrr = pS — (WPc + Рцр),(8.22)(8.22)
перемещениях. Последний
перемещениях. Последний
Рис. 47. Схемы пневмоприводов поступательного движения:
Рис. 47. Схемы пневмоприводов поступательного движения:
а и 6—поршневого одностороннего и двустороннего действия; 6 н е—диафрагменной пневматической камеры
а и 6—поршневого одностороннего и двустороннего действия; 6 н е—диафрагменной пневматической камеры
постороннего действ
постороннего действ
Pnrr = pS — (WPc + Рцр),
Pnrr = pS — (WPc + Рцр),
(8.22)
(8.22)
Пневматические приводы отличаются простотой и надежностью. Основными положительными их свойствами являются также: быстрое заполнение рабочих объемов аппаратов, обеспечивающее большую скорость срабатывания; отсутствие необходимости в электродвигателях и насосных станциях в каждой отдельной машине; большая чем у гидроприводов скорость дви* жения рабочих органов. К числу недостатков пневмоприводов относятся: конденсация водяных паров; большие, чем у гидро
приводов, диаметры цилиндров; неравномерность движения при
изменении внешней нагрузки; невозможность удовлетворительного регулирования скорости движения, особенно при медленных перемещениях. Последний
недостаток устраняют с помощью пневмогидравлических систем.
Во избежание резкого понижения температуры воздуха при
его расширении и для предотвращения утечек давление в пневмоприводах не должно превышать 0,4—0,6 МПа.
Принципиальная основа работы пневмопривода и гидропривода одинаковы.
Для регулирования количества, давления, направления и скорости воздуха в пневмосистемах применяются краны и распределители (золотники), предохранительные клапаны, регуляторы скорости.
По принципу действия пневматические приводы можно разбить на поршневые и диафрагменные, а в зависимости от 'на
правления подачи сжатого воздуха в рабочие камеры пневмоприводов——на одностороннего и двустороннего действия.
Р асч етн а я схема по р ш- нев or о пневмопривода (
вия приведена на рис. 47, а. Сила, действующая на шток при отсутствии движения порш
ня, равна
где р — давление в левой полости цилиндра; S — площадь поршня; SPC — сила сопротивления^ включая полезную нагрузку и силы трения; Рцр—усилие возвратной пружины.
Для цилиндрической пружины из проволоки с круглым сечением
-Рпр=лС^р/(0,8^рг),
где 九一осевая деформация пружины; G — модуль упругости второго рода материала пружины; d^p —диаметр сечеиия витков пружины; Рпр — средний диаметр навивки; z — число витков.
Объемный расход воздуха пневмопривода
(8.23} где и=лР2х/4 ——объем цилиндра на один ход поршня (х ——длина хода поршня); лх —среднее число ходов поршня в единицу времени.
Диаметр воздухопровода определяют из уравнения
n於/4 =匕/叫 或=2］/%/(П加),(8.24)
где w — скорость потока воздуха, равная 1—2 м/с.
Уравнение движения поршня при его перемещении вправо (толкающий привод) можно представить в виде
" '^ =加削黑=0(当一SmJ + paSw -aS1 -(8. 25) где pi, p2 ——абсолютное давление в левой и правой полостях цилиндра; ра —— атмосферное давление; Рс — сила сопротивления движению поршня; Sx и Sw — площади поршня и штока.
Разделив уравнение движения на PaSi и обозначив
А = т)(р^ В={р^~Р^р^ С=(，一5тт)/$, после преобразования получим
Awdw/dx=B + СР1/ра р2/ра,(8. 26)
Процесс изменения объема и давления воздуха в полостях пневмоцилиндра считают политропным
Р/Ра=(Р/ра)п,
где р и р — давление и плотность воздуха в полостях; ра и ра — атмосферное давление и плотность воздуха; л — показатель политропы (Knofe); 总一показатель адиабаты.
Умножив на dx и проинтегрировав преобразованное уравнение (8.26), получают“
▲®2/2=(В + Cpjpa — А/А)X + Со：
где Cq~Aw(^/2\ 侬о — начальная скорость движения поршня.
Скорость движения поршня при ходе вправо
吁［告© + e訝_岩卜+4总)2(8.27)
При fe^>0,528 время разгона
Тр=22,8 • 10—8 雜［紋,43，1,7呼•(8. 28)
При 々WO,528
%=84,4.10-8瓦仅2,一 (8.29)
где й = PmJ(pnSik{) (РШ1 — приведенная сила на штоке в начале движения, рп — давление воздуха позади поршня;々i — коэффициент, учитывающий трение между поршнем и цилиндром; / — длина хода поршня; %=d/D — отношение диаметра воздухопровода к диаметру цилиндра.
.Схема диафрагменной йнев магической к а ме- р ы одностороннего действия приведена на рис. 47, в. Объем сжатого воздуха, необходимого.для заполнения камеры, определяют как объем усеченного конуса
展限!)2 +。"十"2)，
где h — высота усеченного конуса (ход штока).
Средняя площадь диафрагмы при изменении ее в процессе заполнения
% =彳=^(02 +0" + 明.
При избыточном давлении в камере Рщт осевая сила на штоке
戶皿=瑞 Р2+^ + е _ Ар _ 2 FIP,
где Рцр — сопротивление пружины; SFTp — сила трения в уплотнениях.
Для диафрагменного привода двустороннего действия (рис. 47,г) силы, действующие на шток, неодинаковы вследствие разных давлений в полостях камеры и разных площадей диафрагмы (с учетом диаметра штока).、
Методика расчета на прочность основных элементов пневмоприводов аналогична методике расчета гидроприводов.
ВЫБОР СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МАШИНОЙ (АППАРАТОМ)
В самом общем случае основные и вспомогательные рабочие органы (устройства) технологических машин (аппаратов) имеют силовую (энергетическую) цепь и цепь управ* ления.
По энергетической цепи осуществляется передача энергии, необходимой для совершения рабочими устройствами соответствующей работы (в основном технологическом или вспомогательном процессе).
'Основные функции управления следующие: управление работой машины (аппарата), исполнительными механизмами в соответствии с законами движения рабочих органов; обеспечение' синхронйости их движения; включение и выключение машины
(аппарата); управление при наладке и настройке; управление приводом; блокировка и защита; управление параметрами технологического процесса и г. п.
Управление машинами и аппаратами может осуществляться ручным, полуавтомагическим и автоматическим способами.
Ручное управление хар.актерно для простых машин /аппаратов), в которых оператор, кроме включения и выключения энергетической цепи, выполняет функции управления работой исполнительных органов.
Полуавтоматическое управление применяется в машинах-полуавтоматах, где оператор вручную включает и выключает энергетическую цепь машины и управляет работой некоторых вспомогательных исполнительных органов. Управление же работой основных и многих других вспомогательных исполнительных органов производится автоматически.
Автоматическое управление обеспечивает в машинах-автоматах все функциии управления без вмешательства оператора. ,
Таким образом, в состав машин автоматического действия входят исполнительные механизмы, осуществляющие необхо-* димые технологические операции, и органы управления, назначение которых-——осуществлять программу работы исполнительных механизмов, т. е. осуществлять командные функции в выполнении технологического процесса. (
При проектировании машин-автоматов и их управления решают две задачи оптимизации： рациональное построение систем мы управления и создание оправданной структуры машйны-аЪ- томата, осуществляющей предварительно обоснованную циклограмму основных и вспомогательных технологических операций.
Решение этих задач основано на законах математической логики, составными частями которой является алгебра множеств, алгебра логики и алгебра высказываний.
Автоматическая система — это совокупность управляемого объекта и автоматического управляющего устройства. Структура системы определяется характером команд управления. В качестве управляемого объекта могут быть: машина, аппарат, устройства, осуществляющие технологический процесс, органы уть равления объекта.
Всякая система автоматического управления машинами и ли耳 ниями состоит из совокупности цепей управления отдельными исполнительными механизмами и устройствами машины. Каждая цепь управления имеет программоноситель, дешифратор (читающее устройство), передаточно-преобразующее устройство, исполнительный механизм (привод) и исполнительный орган.
Автоматическая система может быть с разомкнутой цепью воздействия (прямое управление) или с. замкнутой (управление с обратной связью).
В системах с разомкнутой цепью воздействия (рис. 48, а) входными являются только внешние воздействия. При этом автоматическое управление заключается в управлении началом и концом отдельных операций или процессов путем подачи команд на соответствующие исполнительные органы (децентрализованные системы управления).
Рис. 48. Структурные схемы аз-. тематической системы с разомкнутой (а) и с замкнутой (6) це~ пями воздействия
Наиболее важными устройствами, обеспечивающими такое прямое управление, являются программные и путевые, включающие в действие автоматические системы на пути движения рабочих органов машины.
Во многих централизованных системах прямого управления с жесткой программой программоносителями являются распре делительные (главные) валы и барабанные (коммутационные) командные аппараты. В последнее время для программного и программно-информационного управления широко применяются программоносители в виде перфолент, перфокарт (машины хи- / мической чистки), магнитных лент и кинопленок.
Если программоносителями являются кулачки (аналоговый способ задания программы), то в этих системах управления дешифраторами будут толкатели или рычаги, которые соприкасаются с профилями кулачков.
К машинам с программно-информационным управлением рабочими органами относятся, например, швейные машины для производства фигурной зигзагообразной строчки, применяемые в швейном ;и обувном производстве. В этих машинах работа механизма игловодителя связана с программно-информационным управлением.
В системах с замкнутой цепью воздействия (с обратной связью) управление осуществляется по принципу рассогласования между заданным и действительным значениями параметра, подлежащего регулированию через управляющее устройство. Такие системы автоматического управления структурно представляют собой замкнутый контур, соединяющийся прямой /, 2 и обратной 3 связью (рис. 48,6).
， Рассмотрим одну из распространенных систем автоматиче-
ского управления с обратной связью, применяемую Для автоматического регулирования технологических процессов.
Машинные и аппаратные технологические процессы характеризуются рядом физических величин: скоростью, усилиями, давлениями, температурами, влажностью и т. д. Для правильного протекания технологического процесса эти физические величины должны поддерживаться постоянными или изменяться по определенному закону. Для этого применяют системы ручного и автолгатического регулирования (САР), которые в замкнутых системах управления через обратные связи, включенные между исполнительными органами и передаточнопередающим устройством, активно реагируют на отклонения в технологическом процессе.
САР в своем составе имеет регулятор воздействия. Регуляторы бывают программные (с задатчиком) и следящие, у которых закон изменения регулируемого параметра заранее неизвестен и определяется другими процессами.
При ручном регулировании воздействие оператора влечет за собой изменение регулируемого параметра. Обратной же зависимости при таком регулировании нет.
Рис. 49. Структурная схема полной системы автоматического уровня
Структурная схема полной САР показана на рис. 49. Здесь оператора заменяет исполнительный мёханизм ИМ, который приводит в действие регулирующий орган ОР. В таких замкнутых системах регулирующее воздействие РВ является результатом изменения регулируемого параметра РП.
Для усиления сигнала, идущего от измерительного элемента ИЭ, имеется усилитель У. Чтобы в объекте регулирования ОР независимо от возмущающих воздействия В в системе протекал нормальный режим работы, в схему введен задатчик 3, который задает требуемое значение Р〃. Измеряемая величина РП сравнивается с его задающей величиной и определяется рассогласованием этих величин в элементе сравнения ЭС. Это рассогласование, пропорциональное отклонению РП, соответствует ошибке САР. Усиленный сигнал рассогласования поступает в ИМ. Таким образом, сама ошибка РП (рассогласование) является движущим сигналом для САР, устраняющей эту ошибку.
Алгоритм организованных воздействий для процесса управления системы составляется на основе общего уравнения динамики процесса, представляющего систему уравнений элементов системы. ПрЕцстически на основе преобразования Лапласа систему дифференциальных уравнений процесса приводят к системе алгебраических уравнений и алгоритм управления представляют в виде передаточной функции.
Автоматизация производственных процессов бытового обслуживания населения является одним из главных направлений научно-технического прогресса.
Система автоматики, например, современной машины химической чи-стки осуществляет управление технологическими ре* жимами обработки, электроприводами моечного агрегата и насосов, включением и переключением клапанов подачи растворителя в фильтр и в моечный барабан, регулированием уровня ванн мойки и полоскания. Контрольные функции систем автоматики в этих машинах следующие: контроль и регулирование температуры сушки, дистилляции, регулирование расхода воды в конденсаторах по температуре, контроль окончания процесса сушки по растворителю, контроль влажности изделий в процессе мойки, дозировку усилителя и др. 丿
Широко применяемые в быту многочисленные приборы (холодильники, стиральные машины, утюги, нагреватели и т. д.) также оборудованы автоматическими системами управления. Автоматические системы используются во многих машинах на предприятиях швейных, обувных, прачечных, химчистки, крашения одежды и др. (швейные машины, различные прессы, машины химической чистки, стиральные машины и др.).
В системах управления применяют средства механики, электротехники, электроники, гидравлики и пневматики. При выборе систем управления машиной (аппаратом) учитывают требования, которые к ним предъявляются:
быстрота управления;
легкость и удобство манипулирования;
мнемоничность управления, т. е. устройство, освобождающее рабочего от излишнего напряжения памяти；
безопасность управления;
точность системы управления.
Характер выбранной системы управления влияет, кроме того, на степень универсальности оборудования и, следовательно, эффективность его использования в условиях определенного типа производства. Так, например, системы с программным управлением, а также с адаптивным (рефлексным) управлением, где сам предмет труда (деталь) благодаря обратной связи в управляющей цепи является программоносителем, позволяют создавать оборудование с заданной степенью универсальности для серийного производства.
Глава IX
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ БАЗОВЫХ
ДЕТАЛЕЙ И СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ СМАЗКИ ПОДШИПНИКОВ
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ И СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ
К базовым деталям и сборочным единицам относятся такие, которые являются несущими базами для других деталей и сборочных единица—это станины, корпуса, стойки, направляющие, поперечины, основания, поддерживающие кор- «усные детали.
Конструирование базовых деталей и сборочных единиц подчиняется критериям жесткости, износостойкости, виброустойчивости, технологичности.
Станины и корпуса являются одними из наиболее ответственных и металлоемких базовых деталей и сборочных единиц машин (аппаратов). ，
Станины могут быть горизонтальными и вертикальными .(стойками), сплошными и рамными (рис. 50).
Рис. 50. Схема станин:
а—горизонтальная сплошная; б—вертикальная сплошная (стойка); в—стойка-рама
Сплошные станины и рамные без ножек применяют обычно в тяжелых машинах (сушильно-гладильные вакуумные катки, гладильные вырубочные прессы и др.).
， Рамные станины на ножках (щеточные машины, некоторые машины ремонтно-обувного производства и др.) и сплошные станины н& ножках (легкие гладильные прессы, обувные отделочные станки и др.) характерны для легких машин.
Горизонтальные станины (многовалковые сушильно-гладильные катки, машины для чистки ковров и др.) обеспечивают удобство наблюдения за зоной обработки, простоту и надежность установки изделий, устойчивость системы, удобство обслуживания и ремонта.
Вертикальные станины имеют меньшие габаритные размеры в плане и удобны при обработке изделий, в которых по техно* логическому процессу необходима соответствующая компоновка машины. 。
Корпуса конструктивно выполняют коробчатой формы, в виде оболочек вращения и других их сочетаний (швейные машины, различные бытовые приборы, некоторые теплообменные аппараты). .
Для изготовления станин и корпусов применяют чугун марок СЧ12-28, СЧ15-32 и СЧ18-36, а также сталь (Ст. 3). Для изготовления корпусов бытовых приборов применяют, кроме того, пластмассы. По конструктивно-технологическому исполнению станины и корпуса могут быть литыми и сварными из стального проката.
Для равномерного распределения давления на несущую опору тяжелые машины и аппараты устанавливают на специальных основаниях (плитах, рамах, фундаментах). Иногда конструкцию рамы выполняют в виде единого основания станины.
Легкие конструкции машин и аппаратов устанавливают непосредственно на перекрытиях без специальных оснований. Некоторые конструкции снабжают опорными роликами, что снижает сопротивление при их перемещении (бытовые стиральные, швейные и др. машины). 。
К станинам и корпусам предъявляют ряд требований, обеспечивающих работоспособность проектируемого изделия.
Станины и корпуса должны обеспечивать: восприятие статических и динамических нагрузок; неизменность относительного положения узлов и деталей; заданную точность технологических операций; снижение амплитуды колебаний до допустимых пределов; равномерное распределение нагрузки на несущую опору, т. е. станину, корпус нужно рассчитывать на прочность, жесткость и виброустойчивостьл
Расчет станины на прочность и жесткость производится по методике, известной из курса сопротивления материалов, включающей определение допускаемых напряжений и прогибов.
Для расчета прежде всего составляют расчетную схему, упростив форму станины, заменив ее фермой или рамой и назначив величины и направления действующих на станину усилий. Такие конструкции, как правило, являются статически неопре* делимыми системами. Для решения задач статически неопределимых систем к уравнениям статики абсолютно твердого тела необходимо добавлять уравнения упругих деформаций. Условие деформаций записывается так
A*(rx)=Q 9 1)
где 厶*尸 х — перемещение основной системы от сил Р и X (с освобожденной лишней связью и заменой ее неизвестной силой X); Р — нагрузка при основной системе.
Это условие в раскрытой форме имеет вид
Xbxx+L(a=0, (9.2)
где Х6хх — перемещение от силы Х(бХх — перемещение, соответствующее силе Х=1);厶*(戸)一перемещение от нагрузки 户.
Хх=—(9.3)
“ Влияние на жесткость станины реб^р, перегородок (увеличивающих жесткость), проемов, окон (снижающих жесткость) обычно учитывают опытными коэффициентами.
В расчете дается оценка порядка величины напряжений и деформаций, а, следовательно, прочности и жесткости станины.
Прочность и жесткость станины определяют расчетом и выбором моментов инерции сечения стойки и поперечины, а их длины，一 конструкцией машины. Жесткость станины проверяют на изгиб, а иногда на изгиб и кручение ее элементов. Для оценки жесткости на изгиб (и на растяжение — сжатие) в большинстве случаев принимают за показатели выражения:
где Р — действующее усилие; %т——прогиб; /—момент инерции сечения; £ — модуль упругости материала при изгибе; МИзг — изгибающий момент; 「к — радиус кривизны при изгибе.
Жесткость на кручение характеризуется показателем
где Мк — крутящий момент; 4 ——длина элемента станины; <р；—угол закручивания.
Числовые выражения показателей жесткости сопоставляют с допускаемыми, которые обычно устанавливают по опытным данным.
В виду того, что некоторые корпусные детали обычно работают в условиях сложного напряженного состояния и в виду сложности их расчета при конструировании часто пользуются опытными данными их размерных характеристик.
Корпуса аппаратов и плиты, нагруженные распределительным давлением, рассчитывают методами, изложенными для элементов гидравлических аппаратов (см. главу XVII, § 7.2).
РАСЧЕТ МАССЫ СТАНИНЫ ПРИ КОЛЕБАНИЯХ
При колебании работающей машины масса станины (несущей системы) играет исключительно важную роль. Колебания станины могут быть активными и реактивными. Колебания станины могут быть связаны с различными по своей природе источниками колебаний. Периодические возмущения име- 158 *
ют место при проявлении неуравновешенности. Импульсные возмущения действуют при разгоне, торможении я реверсировании привода, при переходных процессах действия технологических нагрузок. /
В первом случае к станине приложены периодические возмущающие силы, передающиеся через упругие звенья машины, и станина вибрирует как упругая система, во втором1—колебания станины вызываются изменением положения центра инерции движущихся масс и действием на нее возникающих реактивных сил по периодическому закону.
При расчете станины на колебания поступают следующим образом: в случае активных колебаний определяют массу станины, исходя из значения частоты собственных ее колебаний, о беспечив ающей спокойную работу с учетом характера распределения масс по конструктивным элементам станины.
В случае реактивных колебаний во избежание «подпрыгивания» станины при отсутствии связи с фундаментом, ее массу определяют из уравнений, характеризующих условия, исключающие перемещение статора в вертикальной плоскости при действии на систему центробежной силы вследствие неуравновешенности массы ротора и сил тяжести статора и ротора:
для вращающихся масс
где гцСт и /Ир ——соответственно массы статора (станины) и ротора (движущейся массы)； Q — угловая скорость ротора; е — эксцентриситет Центра тяжести ротора;
для масс, движущихся возвратно-поступательно, например кривошипно-шатунного механизма при перемещении ползуна в вертикальной плоскости (механические вырубочные прессы), уравнение движения машины можно записать в виде
加 p(l+x)a=F。一加 pg(l+x)，(9.5)
член вчлен вгде левая часть представляет силу инерции (О'—ускорение центра массы системы) ； Fo — реакция опоры; последний правой части ——сила тяжести мяшины.
член в
член в
Ускорение。равно
。=[。仃一г2^ (cosf2T-|- "у-cos 2Qt+x&T)],
где аст — ускорение статора; г и J — длина кривошипа и шатуна.
При @ст=。и &=&min(Qc = 2")
(9・6) уравне-(9.7)(9・6) уравне-(9.7)Q=—rQ2 +产 Q2〃.
(9・6) уравне-
(9.7)
(9・6) уравне-
(9.7)
Преобразуя уравнение движения (9.5) и учитывая ние (9.6), получаем
ЗАЩИТА МАШИН И ОПОРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ КОЛЕБАНИЙ
Защита машин и опорных конструкций от колебаний преследует одну из следующих целей: уменьшение амплитуды колебаний; ограничение распространения (локализация) колебаний; устранение колебаний для отдельных узлов и механизмов (контрольно-измерительные и другие устройства).
Предназначенные для этого соответствующие устройства называются:
динамическими поглотителями колебаний (демпферами);
активной виброизоляцией, если они локализуют колебания;
пассивной виброизоляцией, если они защищают от колебаний отдельные элементы колеблющейся системы.
По способу воздействия на систему демпферы делятся на устройства без поглощения：колебательной энергии (антивибраторы), устройства с поглощением и последующим рассеянием энергии в окружающую среду в виде тепла (вследствие трения) и комбинированные, включающие элементы двух указанных способов.
.На рис. 51, а приведена схема динамического демпфера, у которого изменение частоты собственных колебаний и смещение ее относительно частоты возмущающей силы достигается введением в систему антивибратора массой т2, связанной с основной массой гл】 упругим элементом жесткостью й2-
Рис. 51. Схемы демпферов колебания: а—динамического; б—гидравлическогоРис. 51. Схемы демпферов колебания: а—динамического; б—гидравлическогоРис. 52. Принципиальные схемы виброизоляции: а——активной; б—пассивнойРис. 52. Принципиальные схемы виброизоляции: а——активной; б—пассивной
Рис. 51. Схемы демпферов колебания: а—динамического; б—гидравлического
Рис. 51. Схемы демпферов колебания: а—динамического; б—гидравлического
Рис. 52. Принципиальные схемы виброизоляции: а——активной; б—пассивной
Рис. 52. Принципиальные схемы виброизоляции: а——активной; б—пассивной
полу-полу-处=处=(9.8)(9.8)
полу-
полу-
处=
处=
(9.8)
(9.8)
На основании решения уравнения движения системы чают зависимость перемещения
Анализ полученной формулы показывает, что при частоте собственных колебаний вибратора <л2=}/~k2/т2, равной частоте возмущающей силы Q масса 加1 не будет колебаться (yi = 0).
Схема гидравлического демпфера с вязким трением показана на рис. 51,6.
Сила сопротивления демпфера перемещению его штока, на котором действует возмущающая его сила, выражается уравнением
Рс==?ghnS=р[1ж5,(9- 9)
где Ар ——перепад давлений с обеих сторон поршня； S ——площадь поршня; р — плотность жидкости; /in ——потери напора жидкости в перепускной трубке； цж — коэффициент трения жидкости в трубке;丄一длина перепускной трубки; dT — диаметр перепускной трубки; w — скорость жидкости в перепускной трубке.'
Принципиальные схемы виброизоляции приведены на рис. 52.
Амплитуду колебаний массы т при активной виброизоляции (рис. 52,а) можно выразить с учетом уравнения (7.25) при v = 0:
где Роб’ 一 статическая осадка от силы Pq； 6’ 一 податливость упругого элемента； ^д ——динамический коэффициент амплитуды. Его величина изменяется ст 0 до 3—30 в области резонанса (3—5 — для специальных сортов резиновых прокладок; 10—12 —Для пробковых плит и т. д.)-
Максимальное усилие Ра (реакция), с которым амортизатор действует на свое основание с учетом равенства (9.10), a=备=秋-r曲够尸呐,. (9.11)
Здесь ^пс=йд называют коэффициентом передачи силы; при ®о《С коэффициент ^п.с очень мал (Q/(o(rs,々口.「0), т. е. амортизатор передает на основание усилие гораздо меньше, чем максимальная возбуждающая сила, т. е. в kn c раз.、
Коэффициент передачи силы из выражения (9.11) будет равен
左п.с = Ра/Ро= 1/(1- 0属).(9. 12)
При проектировании активной виброизоляции величину силы, воспринимаемой несущей конструкцией с учетом демпфирования, определяют по формуле
Pa=h1yqpQ,(9.13)
где 左;с 一 коэффициент передачи силы ^(, = ^д (7.25); обычно коэффициент
^п.с рекомендуется принимать равным 1/15——1/40.•
Критическую частоту собственных колебаний массы 加 в вертикальном направлении определяют по уравнению
где 6’ н 々z — податливость и коэффициент жесткости виброизоляции в вертикальном направлении.
В целях уменьшения колебаний изолируемого агрегата (машины) во время пуска и останова, при прохождении через резонанс следует предусмотреть, чтобы виброизоляторы обладали требуемыми демпфирующими свойствами.
На графике (рис. 53, а) показана зависимость коэффициента демпфирования виброизоляции vB от отношения максимальной амплитуды колебаний Лтах при пуске и останове машины к амплитуде вертикальных колебаний ДОг в рабочем режиме машины при различных соотношениях п ——скорости нарастания
Рис. 53. Графики к. расчету вибро изоляции:Рис. 53. Графики к. расчету вибро изоляции:
Рис. 53. Графики к. расчету вибро изоляции:
Рис. 53. Графики к. расчету вибро изоляции:
л—зависимостей коэффициента демпфирования vB от отношения максимальной амплитуды колебаний 力та女 ПРИ пуске н останове машины к амплитуде вертикальных колебаний 力max ПР" рабочем режиме машины; б—зависимость коэффициента 々о от соотношения D/d; в—зависимость жесткости Ах=Ау пружины в горизонтальном направлении от соотношения высоты пружины Нр к диаметру D; г—зависимость динамиче- <жого Е^ и статического £ст модулей упругости непористой резины сГг ее твердости
частоты возмущающей нагрузки (Гц/с) и 产—квадрата частоты свободных колебаний конструкции (Гц).
Если величина vB<0,03, можно применять виброизоляторы из одних стальных пружин; при vB>0,03 необходимо применять резиновые или комбинированные виброизоляторы.
При расчете пружинных и резиновых виброизоляторов определяют динамическую нагрузку, передаваемую на один виброизолятор в рабочем режиме изолируемого агрегата.
где У — жесткость одного виброизолятора в вертикальном направлении.
Диаметр сечения витка пружины определяют по формуле a=i,6 m焉戶唸丿卜;。:],
где fe0 ——коэффициент, определяемый из рис. 53,6； Р】——расчетная нагрузка на одну пружину (尸 1 = Р^т +1，5尸万；尸^=尸"之)；Рт — сила. тяжести изолируемой установки, воспринимаемая пружинами 2； [u*on] = р；/^з—допуска* evoe напряжение на сдвиг материала пружины; ттЛ — предел текучести при сдвиге;々з ——коэффициент запаса (равный 1,5~-2); k\=D/d ——отношение среднего диаметра пружины к диаметру сечения витка (左^ = 4——10).
Высоту ненагруженной пружины Н определяют по формуле
H=zh+(2M+0,5)d,
где h — шаг пружины, равный 0,25^0,5 D; 2M — число мертвых витков, рав・ ное» 1,5.
Жесткость kx—ky пружины в горизонтальном направлении определяют по рис. 53, в, где НР — высота пружины под нагрузкой Р; % ——деформация сжатия пружины под действием вертикальной нагрузки Р.
Рабочую высоту виброизолятора (резины) Н% находят по Формуле、
//%=旦 Sp/%‘
где Ед ——динамический модуль упругости непористой резины в зависимости от ее твердости (рис. 53,г); Sp — площадь поперечного сечения всех резиновых виброизоляторов (Sp=Pp/u, где Рр ——нагрузка на все виброизоляторы； и — расчетное статическое напряжение в резине, отнесенное к』площади недеформироваииого элемента； для резины с твердостью по Шору до 40 рекомендуются значения а= 10—-30 Н/см2; выше 40 и=50 Н/см^); kZp — общая жесткость в вертикальном направлении всех виброизоляторов.
Полную высоту виброизолятора определяют по формуле
- Яр = Я1р+Ь/8,
где b ——поперечный размер виброизолятора (диаметр D или сторона квадрата Ь‘).
• Жесткость одного резинового виброизолятора в горизонталь- ных направлениях (с индексами хр и ур) определяют по формуле
々*р=®=S'GJ//p,
где S'—площадь поперечного сечения одного виброизолятора； G〃 — динамический модуль упругости резины на сдвиг; % — полная высота виброизолятора.
Коэффициент демпфирования vn для непористон резины может приниматься равным 0,15—0,2.
В качестве упругих элементов применяют также пневматические элементы (рис. 54).
П ассивную виброизоляцию применяют для защиты
приборов и точных машин отприборов и точных машин отРис. 54. Схема пневмэтического упругого элемента виброизоляции рабочего барабана стирально-от- жнмной машины:Рис. 54. Схема пневмэтического упругого элемента виброизоляции рабочего барабана стирально-от- жнмной машины:/—фланец подвесной части машины; 2—оболочка; 3—кольцо; 4—фланец рамы; 5—канал； 6—воздухосборник; 7— штуцер; 8—манометр/—фланец подвесной части машины; 2—оболочка; 3—кольцо; 4—фланец рамы; 5—канал； 6—воздухосборник; 7— штуцер; 8—манометрвибраций и сотрясений, передающихся им от колебаний поддерживающей конструкции.
приборов и точных машин от
приборов и точных машин от
Рис. 54. Схема пневмэтического упругого элемента виброизоляции рабочего барабана стирально-от- жнмной машины:
Рис. 54. Схема пневмэтического упругого элемента виброизоляции рабочего барабана стирально-от- жнмной машины:
/—фланец подвесной части машины; 2—оболочка; 3—кольцо; 4—фланец рамы; 5—канал； 6—воздухосборник; 7— штуцер; 8—манометр
/—фланец подвесной части машины; 2—оболочка; 3—кольцо; 4—фланец рамы; 5—канал； 6—воздухосборник; 7— штуцер; 8—манометр
При пассивной виброизоляции (см. рис. 47,6), так же как и при активной, перемещения защищаемой массы выражаются в виде
у=4/|1 — Q2/啕 sin Qc=
—АдД sin Qq (9.14) т. e. амплитуда гармонического колебания массы в 力区 раз больше амплитуды колебания нижней точки амортизации.
Наибольший эффект пассивной виброизоляции проявляется при С》(о>
Конструктивно пассивная виброизоляция осуществляется так же, как и активная.
Эффективными путями снижения вибраций машин является уравновешивание их ро- торов.
тора не совпадает с одной из зультате возникают переменные возмущающие силы, вызывающие колебания и дополнительные нагрузки на подшипники.тора не совпадает с одной из зультате возникают переменные возмущающие силы, вызывающие колебания и дополнительные нагрузки на подшипники.В процессе изготовления машин вследствие нарушений геометрических размеров, неоднородности материала и некоторых нарушений симметрии в распределении масс ось вращения ро- главных осей инерции тела. В ре-
тора не совпадает с одной из зультате возникают переменные возмущающие силы, вызывающие колебания и дополнительные нагрузки на подшипники.
тора не совпадает с одной из зультате возникают переменные возмущающие силы, вызывающие колебания и дополнительные нагрузки на подшипники.
Величину возмущающей силы определяют по формуле
F^^M^ sin Qc=/noQ2r sjn。弋=加产金2 ^也缶，(9. 15) где Мо — остаточная неуравновешенность (г-см); Q — угловая скорость ротора; г — расстояние (эксцентриситет), на которое неуравновешенная масса отклонена от геометрической осн вращения; е ——эксцентриситет центра тя- жестн ротора (= — г, где 恤 н /Яр массы соответственно неуравновешен* ная и ротора).
Дополнительная нагрузка на подшипник под действием силы 尸ц при амплитудном значении ротора, лежащего на двух опорах,
Рп=~т^е.
Для создания условий спокойного вращения ротора примем няют уравновешивание путем балансировки с помощью балансировочных устройств. Существуют два случая неуравновешеи- ности:
статическая, когда центры тяжести обеих частей враща* ющегося ротора находятся в одной и той же осевой плоскости, и по одну и ту же сторону от оси вращения. Соответственно центр тяжести С всего ротора находится в той Же плоскости на некотором расстоянии от оси вр ащения (рис.
а);
д<и н а м и ч ес к а я, когда центры тяжести обеих частей могут быть в одной и той же осевой плоскости, но по разные стороны от оси вращения к на таких р асстояниях, что йентр тяжести С всего ротора оказывается точно на оси вращения (рис. 55,6) • В самом общем случае центры тяжести могут лежать в разных осевых сечениях. В этом случае
проявляется как. статическая, так и динамическая неуравновешенность.
Статической балансировкой сводят к известному минимуму главный вектор сил инерции звеньев, имеющих сравнительно малую ширину (шлифовальные круги, диски, зубчатые колеса и т. п.). Для этого применяют параллельные линейки или анти-
фрикционные ролики, позволяющие детали легко поворачиваться при балансировке. Уравновешивание достигается установкой противогруза.
Динамической балансировкой сводят к известному минимуму главный вектор сил инерции и главный момент сил инерции, применяя для этого специальные балансировочные станки. При этом в двух произвольных плоскостях подбирают соответственным образом два уравновешивающих груза.
Динамическая автобалансировка рабочего барабана стираль- яо-оТжимной машины конструктивно может быть осуществлена путем регулирования подачи жидкости в полости гребней, где установлены балансировочные резервуары в момент упирания о нижнюю часть стенки наружного барабана, подпружиненных клапанов, открывающих отверстия в резервуарах для слива жидкости при наклоне вследствие неуравновешенности барабана, установленного на эластичных опорах.
Для машин с хорошей статической балансировкой (электродвигатели, генераторы, турбокомпрессоры и т. д.) нормировочный расчетный эксцентриситет е составляет:
частота вращения п, об/мин 3000 1500 750 и ниже эксцентриситет е, мм 0,05 0,2 0,35—0,80
При этом остаточный дисбаланс для электродвигателей серии АО-2 Л4О=15—35 г-см. 、 .На рис. 56 приведена зависимость допустимого смещения центра тяжести деталей от частоты вращения.
"加婚切г0乃 /86643 2a 75-3 _ 3 -HEQ3关6EdEHaJ 8mm8£n ynulwgu"加婚切г0乃 /86643 2a 75-3 _ 3 -HEQ3关6EdEHaJ 8mm8£n ynulwgu
"加婚切г0乃 /86643 2a 75-3 _ 3 -HEQ3关6EdEHaJ 8mm8£n ynulwgu
"加婚切г0乃 /86643 2a 75-3 _ 3 -HEQ3关6EdEHaJ 8mm8£n ynulwgu
4 56.ан4 56.ан£ 7,批 15 2 * ” и£ 7,批 15 2 * ” и0,2-10^ 0?饮啰％孕7•炉力2 г п^об/^
4 56.
ан
4 56.
ан
£ 7,批 15 2 * ” и
£ 7,批 15 2 * ” и
Рис, 56. Зависимости допустимого смещения центра гяжести деталей от частоты вращения ротора
Определение качества работы вращающихся ^роторов в отношении вибрации заключается в сопоставлении показателей наблюдаемой вибрации механизма с установленными нормами.
Так, согласно правилам технической эксплуатации электродвигателей амплитуда колебаний не должна превышать:
частота вращения, об/мин 3000амплитуда вибрации, мм ,0,05
1500 1000 750 и ниже0,10 0,13 0,161500 1000 750 и ниже0,10 0,13 0,16Расчет опорных рам н а колебания заключается в определении частоты собственных колебаний элементов кон-
1500 1000 750 и ниже
0,10 0,13 0,16
1500 1000 750 и ниже
0,10 0,13 0,16
массымассы〃/〃〃〃〃〃〃〃〃〃/〃〃〃/〃〃〃〃〃〃/〃〃/〃〃〃〃〃〃〃〃〃/〃〃〃/〃〃〃〃〃〃/〃обходимости с изменением или жесткости элемента.обходимости с изменением или жесткости элемента.струкции, ее сопоставлении с частотой возмущающей силы и при не-струкции, ее сопоставлении с частотой возмущающей силы и при не-Рис. 58. Расчетные схемы нагружения: а—фундаментных болтов; б—фундаментов машины прн колебаниях： /—машина； 2—фундаментРис. 58. Расчетные схемы нагружения: а—фундаментных болтов; б—фундаментов машины прн колебаниях： /—машина； 2—фундаментПри расчете могут быть два характерных случая (рис. 57):
массы
массы
〃/〃〃〃〃〃〃〃〃〃/〃〃〃/〃〃〃〃〃〃/〃
〃/〃〃〃〃〃〃〃〃〃/〃〃〃/〃〃〃〃〃〃/〃
обходимости с изменением или жесткости элемента.
обходимости с изменением или жесткости элемента.
струкции, ее сопоставлении с частотой возмущающей силы и при не-
струкции, ее сопоставлении с частотой возмущающей силы и при не-
Рис. 58. Расчетные схемы нагружения: а—фундаментных болтов; б—фундаментов машины прн колебаниях： /—машина； 2—фундамент
Рис. 58. Расчетные схемы нагружения: а—фундаментных болтов; б—фундаментов машины прн колебаниях： /—машина； 2—фундамент
у рамы жесткость EI пояса ВС большая;
у рамы жесткость EI стоек АВ и CD большая.
В первом случае сначала нахо-
Рис. 57. Расчетная схема опорной рамы машины при колебаниях
«цят статический прогиб стойки с заделанным одним концом, а другим шарнирным по формуле
f^P^I^EI).
где 尸［=0,25 mg (0,25 т — суммарная масса машины и перекрытия рамы, приходящаяся на одну стойку; g ——ускорение силы тяжести); Р — сила, эк- вивалентнай массе 0,25 т; h — высота стойки рамы.
Частота свободных колебаний стоики- равна:
3。宁丿戏；=Н2Е//(^з).
Во втором случае аналогично находят статический прогиб и частоту свободных колебаний пояса с учетом поперечной нагрузки от силы тяжести машины и пояса.
Р асчет динамических нагрузок н а фундаментные болты под влиянием неуравновешенности вращающихся масс производят следующим образом (рис. 58, а).
Максимальные значения составляющих динамической нагрузки:
по горизонтали
Ршах == 土 m»eQ2;
по вертикали
Nnax = (加p+mcT)g 士 mpeQ2=mpg[(l+x) 士 e，].
(входящие в выражения величины см. в § 2).
Нагрузка фундаментных болтов — переменная, пульсирующая. Болты ДОЛЖНЫ обеспечивать реакции Ртах И Ртах-в
Начальную затяжку болтов с силой Рц определяют с одной стороны учетом действия силы Ртах, а с другой*—ослабления силы затяжки под действием силы Ртах：
(Рн + Ртах) /》Ртах
или а》^[号(1+嘉)-以+1)],.
где f ——коэффициент трения шайб болтов о станину машины.
РАСЧЕТ ФУНДАМЕНТОВ МАШИН (АППАРАТОВ)
Расчет фундаментов машин (рис. 58,6) производят по следующей схеме
Статическую нагрузку РСт складывают геометрически с динамической Рд и по результативной (суммарной) нагрузке Реум проверяют напряжения и деформации (т. е. прочность и жесткость) фундамента. Статическая нагрузка включает массу машины и фундамента.
Максимальная величина динамической нагрузки вследствие неуравновешенности Pq=mpQe.”
Определяют частоту возмущающей силы.
Определяют частоту собственных колебаний системы машина 一 основание.”
Для определения частоты свободных колебаний фундаментов учитывают коэффициенты, характеризующие упругие свойства грунта в соответствующих направлениях;
々у — коэффициент упругого равномерного сжатия (Лу=рст/у; У — упругое перемещение по оси OY при давлении pcj;
^х=т7х—0,5 右у — коэффициент упругого сдвига (х — упругое перемещение по оси ОХ;工‘ 一среднее напряжение сдвига в грунте по подошве фундамента);
й?—коэффициент упругого неравномерного сжатия грунта %=1,8自)「
Частоты собственных колебаний по оси X
где гп н S — масса и площадь подошвы фундамента;
ПО ОСИ У'
<ooy—VkyS/m;
по дуге, соответствующей углу <р,
%$=■/(&/ — mg力)〃о,
где I н”/о — моменты инерции площади'основания и массы фундамента с машиной; h — расстояние от центра массы до подошвы.
Сопоставляют частоты собственных колебаний системы и возмущающей силы и проверяют систему на отсутствие резо* нанса.
При значительных динамических нагрузках проверяют величину амплитуды колебаний фундамента
Д сум -^ ст 4 д ^5【"доп]，
1
где /д = ^дЛст = ~ П9Т 9 . "ст・
Обычно [ДДоп] = 0,1—0,2 мм, для машин с ударными нагрузками [ДДоп]^Ь——2 мм. При этом величина Ад^2(&д=0,4——1).
При необходимости меняют параметры основания (массу, жесткость) или принимают меры для защиты от вибраций (виброизоляцию). Меняя массу фундамента, меняют частоту свободных колебаний системы машина ——фундамент. Увеличение массы фундамента снижает частоту свободных колебаний.
Давление фундамента на грунт
Реум 亍 pCT+р15Hpeум/S W&PcT, где рст и рд — давление соответственно статическое и динамическое.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ УСТРОЙСТВ СМАЗКИ ПОДШИПНИКОВ
Схемы смазки разделяются по следующим параметрам:
виду смазочного материала — жидкостная и консистентная; способу смазки — индивидуальная и централизованная:
приводу —с ручным и механизированным приводом; характеру подачи — периодическая и непрерывная;
способу подачи — без принудительного и с принудительным давлением:
кратности использования — однократного и многократного использования;
характеру движения смазки*проточная и циркуляционная (часто с фильтрацией).
Смазочные материалы выбирают в процессе разработки конструкции трущейся пары, учитывая конструкцию трущейся пары и сборочной единицы, условия герметичности сопряжения, материалы трущихся пар и их обработку, частоту вращения и рабочие нагрузки, а также рабочие температуры в узле трения. Кроме того, выбирая смазочный материал, решают вопрос о системе подачи и периодичности пополнения и смены смазки, так как эта система может влиять на выбор вязкости масла и степень его очистки.
При выборе смазочных материалов учитывают состояние окружающей среды и степень ее загрязнения, а также то, что консистентные смазки при малых частотах вращения несколько повышают энергетические потери, вследствие сопротивления движению цапфы.
Жидкие смазочные материалы обладают следующими положительными особенностями: низким коэффициентом внутреннего трения, возможностью применения при большой частоте вращения, охлаждающим действием, возможностью применения фильтрующих устройств, возможностью замены масла без разборки механизма-
Недостатки жидкого смазочного материала: легкое вытекание из корпусов и необходимость применения тщательного уплотнения.
Для жидких смазочных материалов характеристиками явля- 1бтся: динамическая и кинематическая вязкость, температура вспышки и застывания и др. В качестве жидкой смазки применяют синтетические и минеральные масла. Минеральные масла сохраняют свои свойства до температуры 20℃ при длительной работе и до 150℃ при кратковременной. Для более высоких температур используют синтетические масла.
Консистентные смазочные материалы обладают следующими положительными особенностями: возможностью применения для трущихся поверхностей, работающих при высоком давлении и высокой температуре, а также при знакопеременных нагрузках, толчках и ударах; простотой смазочных и уплотняющих устройств; длительным действием смазываемо- сти труднодоступных пар трения.
Недостатки: большой коэффициент внутреннего трения, потери смазочных свойств при длительной работе с высокой температурой, невозможность использования при низких темпера- 170
турах, необходимость разборки механизма для смены смазочного материала, невозможность регенерации. 、
Для консистентного смазочного материала основными характеристиками являются кинематическая вязкость и температура каплепадения (для солидолов 70+90°С), при которой сохраняется мазеспособная консистенция. Эту температуру выбирают примерно на 15℃ выше рабочей температуры. Для солидолов скорость цапфы должна быть не выше 10 м/с.
Комбинированные смазки (натриево-кальциевые) работают при температурах от —20 до +100°С при скорости цапфы до 15 м/с.
Из-за больших значений коэффициента трения скольжения при режимах, полусухого или полужидкрстного трения работа сил трения может достигать большой величины (особенно в нагруженных и быстроходных цапфах), в результате чего увеличивается износ шеек валов и вкладышей подшипников, увеличиваются потери энергии на трение и резко снижается КПД машины. Поэтому при проектировании машин необходимо производить расчет смазки цапф, обеспечиваюшщй надежную работу цапф и подшипников скольжения.
Характеристикой режима работы для цапфы служит безразмерный коэффициент (в соответствии с гидродинамической теорией смазки, разработанной Н. П. Петровым).
坛=n挿①/реа (9.16)
где gm — коэффициент абсолютной вязкости смазочной жидкости; s ——угловая скорость вращения цапфы (шипа); рср — среднее радиальное удельное давление на проекцию цапфы.
В зависимости от величины /ц центр цапфы располагается различно по отношению к центру подшипника (рис. 59). В последнем случае .по мере увеличения ① цапфа как бы «всплывает» (наиболее распространенный случай).
Минимальная толщина масляного слоя при этом 6mm (в месте наибольшего сближения цапфы и вкладыша) должна быть больше суммы абсолютных шероховатостей и зависит от коэф-
Рис. 59. Схемы положения цапфы в подшипнике при различных режимах ее работы
фициента '&Цкр, характеризующего критический режим смазки подшипника.
Максимальная шероховатость . приближенно равна 4ЯСк ("©к ——среднеквадратичная высота микронеровностей).
* Минимальная толщина масляного слоя 6тЕ оценивается коэффициентом надежности подшипника 岛 в неравенствах
^min 〉^4〃ск，
илийц>МцКЕ>
城 ”н№玄：> 々пЛккр"(9.17)
Значение 左口 рекомендуется принимать не ниже 1,5 (желательно в пределах 2——5).
Откуда следует, что при понижении вязкости смазочного материала или угловой скорости цапфы, а также при повышении радиальной нагрузки создается критическая толщина масляной пленки, наступает ее разрыв с нарушением режима жидкостного трения.
.Критическую вязкость масла определяют по эмпирической формуле
:“户，821。二")，
где pop ——средняя удельная нагрузка цапфы; п—частота вращения цапфы; &=力二/ — диаметральный зазор подшипника; I — длина цапфы.
Диаметральный зазор определяют по посадке цапфы.
Рабочую вязкость масла определяют неравенством (9.17).
Рабочую температуру масляного слоя определяют по формуле
ем+|/停『+/奈，’(9.18)
где /ср ——температура окружающей среды, град; kT—коэффициент, характеризующий теплоизлучение подшипника (для кольцевой смазки и для подшипника, работающего в спокойном воздухе,总т = 1; для подшипников, работающих вблизи вентиляторов,总丁 = 2——3, непосредственно около вентиляторов——总工=3—'4); /см ——характеристическое число смазочного материала, равное^0,045 ВУ50—0,02 (ВУ50 — условная вязкость масла в градусах, численно равная градусам Энглера — °Е при температуре 50℃).
Допустимая температура смазочного слоя 方网 не должна превышать 60℃. В противном случае следует применять принудительное (масляное или водяное) охлаждение цапфы.
Для составления теплового баланса подшипника и для расчета смазочной системы необходимо знать, какое количество масла протекает через подшипник в единицу времени, т. е. расход смазочного материала.
Расход масла в цилиндрическом подшипнике скольжения определяется суммой-
с се 1 спр
172
н
где Vc е — естественное истечение из иагружеииой части цапфы благодаря подсосу масла из иеиагруженной части, см3/с; Vcnp — истечение в результате принудительной подачи масла под давлением (см3/с) ； учитывается, когда давление подачи масла в подшипник превышает 5-104 Па.
На основе гидродинамической теории смазки
喂=。,8喂=。,8d°，8 A2,2([ +d〃)°/龍d°，8 A2,2([ +d〃)°/龍“2,5J07“2,5J07a3,4(] +d/I)l，2p.总 Кd%Ha3,4(] +d/I)l，2p.总 Кd%H
喂=。,8
喂=。,8
d°，8 A2,2([ +d〃)°/龍
d°，8 A2,2([ +d〃)°/龍
“2,5J07
“2,5J07
a3,4(] +d/I)l，2p.总 Кd%H
a3,4(] +d/I)l，2p.总 Кd%H
где n ——частота вращения;卩口 ——давление подачи масла; kK ——коэффициент, зависящий от конфигурации, количества и расположения маслЬпроводящих канавок (при кольцевой смазке kK=\).
Помимо гидродинамического расчета подшипников скольжения, необходимо обосновать целесообразность конструктивного способа смазки: если УАр^3<С 16 — смазка свободно висящими кольцами, окунающимися в масло; если YPz^~ 1®—32 — смазка свободно висящими или закрепленными кольцами при условии иркусственного охлаждения; если V/7cpw3> 32 —цирку» ляционная смазка под давлением (рСр — среднее -давление, Н/мм2; w — скорость цапфы, м/с). '
В остальных случаях способ смазки подшипников скольжения зависит от конструктивных особенностей сборочной единицы подшипника.
В роликовых и шариковых подшипниках качения смазка предназначается главным образом для заполнения микронеров- ностей на поверхностях соприкосновения. Кроме того, смазка предохраняет полированные поверхности от разъедания в процессе коррозии, а также препятствует прониканию в подшипник загрязнений, вредных газов и влаги.
Подшипники качения смазывают в основном консистентными смазками. Вследствие большой вязкости таких смазок их рекомендуется подавать к трущимся парам под давлением (при помощи шприца, колпачковой масленки и других механических устройств). ■
В наиболее распространенном устройстве индивидуальной периодической подачи смазки ——колпачковой масленкой подача смазки производится при повороте крышки на % оборота через каждые <2 ч.
Корпуса подшипников заполняют консистентной смазкой в объеме %—% свободного пространства.
Глава X
КОНСТРУКТИВНАЯ РАЗРАБОТКА
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАШИН (АППАРАТОВ)
ОБЩАЯ КОМПОНОВКА МАШИНЫ (АППАРАТА) И СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ
Сущность процесса конструирования заключается в придании разрабатываемому изделию таких геометрических форм и размеров, при которых рационально и полно использовались бы свойства применяемых материалов и технологические особенности процессов изготовления для усиления этих свойств с целью наилучшего соответствия их условиям эксплуатации и экономичности изготовления изделия. Правильное конструкторское решение может быть принято только после анализа вариантов решения на основе проведения сравнительных техникоэкономических расчетов.
Одним из ведущих направлений процесса конструирования по обеспечению эксплуатационных требований является достижение высокой степени надежности конструкции. Это возможно при выполнении следующих основных требований к разрабатываемой конструкции: простота конструкции, технологичность, удобство в эксплуатации.
Простота конструкции. Машины и механизмы, соответствующие своим функциональным назначениям и состоящие из наименьшего числа простых узлов и деталей, являются и наиболее надежными. Простые узлы и детали, являясь наиболее технологичными, могут быть изготовлены более качественно, а в виду их малого количества в изделии уменьшается вероятность появления отказов. При такой конструкции легко управлять машиной и обслуживать ее в процессе эксплуатации, что в свою очередь способствует повышению ее эксплуатационной надежности.
Технологичность конструкции. Она обеспечивает снижение трудоемкости изготовления изделия, зависящей от многих факторов, главным из которых является конструктивная преемственность на основе унификации, нормализации и стандартизации деталей и сборочных единиц. Конструктивная преемственность применяется также и для целого ряда отдельных типов машин и аппаратов (типаж) на основе одной базовой конструкции и ряда ее модификаций.
Технологическая отработка конструкций при проектировании осуществляется последовательно по этапам конструирования.
Удобство эксплуатации. Этот фактор в значительной мере влияет на эффективность использования проектируемой машины (аппарата). Влияние данного фактора проявляется в двух основных направлениях:
улучшение условий работы человека в общей системе человек—машина, способствующих повышению надежности этой системы;
улучшение условий работы человека в процессе обслуживания машины, аппарата, способствующих повышению произ-води- тельности оборудования.
Под компоновкой сборочной единицы понимают относительное конструктивное расположение в ней деталей, под общей компановкой — относительное конструктивное расположение сборочных единиц и машины (аппарата).
Общей тенденцией в конструировании является обеспечение максимальной компактности машины (аппарата) при. рациональном ее агрегатировании (т. е. разделении их на функциональные агрегаты, которые могут быть самостоятельно собраны и испытаны) и рациональном расчленении ее на технологические сборочные единицы (узлы). Это способствует повышению жесткости и прочности машины (аппарата), снижению ее массы.
Компоновка осуществляется в процессе разработки компоновочных схем сборочных единиц и машины (аппарата). Разработку этих схем ведут параллельно. Компоновочные схемы определяют направление основных осей сборочной единицы или машины (аппарата).
Относительное расположение сборочных единиц в пространстве определяется прежде всего плоскостью движения и траекторией перемещения обрабатываемых изделий или рабочих органов. На компоновочные схемы, кроме того, влияют степень автоматизации машины, требования, предъявляемые к точности обработки или сборки, масштаб выпуска машин данного типа, условия эксплуатации машины и т. п.
Основные схемы компоновки: по горизонтали, вертикали или наклонно в зависимости от конкретных условий работы машины (сборочной единицы) и обработки на ней объекта.
В процессе разработки компоновочных схем ищут такое расположение сборочных единиц и деталей, при котором при наименьших габаритных размерах создаются наибольшие удобства для монтажа и эксплуатации машины. Машину, ее сборочные единицы и детали в процессе компоновки вычерчивают схематически, без подробностей, выдерживая определенный масштаб.
Компоновка, обычно состоит из двух этапов: эскизная ——разработка одного или нескольких вариантов основной схемы и общей конструкции, изделия; рабочая ——уточняющая конструкцию машины и служащая основным материалом для дальнейшего проектирования.
Компоновка сборочных единиц. Схему компоновки сборочных единиц вычерчивают в масштабе 1 :2 в двух-трех проекциях. Сначала на лист бумаги наносят межосевые расстояния деталей, затем контуры по. внешним размерам деталей. Предвари-
тельно также принимают толщину стенки корпуса и его фланцев для крепления к нему других деталей.
При компоновке сборочных единиц решается также ряд других конструкторских задач. К основным из них относятся: пропорциональность основных размеров деталей, удобство сборки и разборки, заполнение корпуса сборочной единицы деталями, условия смазки трущихся деталей. “ ” Основные размеры деталей, которые назначаются при общей компоновке, должны быть пропорциональными, так как размеры деталей обычно бывают взаимозависимыми по условиям прочности.
Удобство сборки и разборки сборочных единиц обусловлено условиями их изготовления, эксплуатации к ремонта.
Очень важно детали сборочной единицы заключить в корпус м!инимального объема, чтобы меньше расходовалось материала на изготовление корпуса и деталей сборочной, единицы и меньше стоило его изготовление.
Благоприятные условия смазки трущихся пар обеспечивают их надежную работу при высоком КПД механизмов.
После выбора окончательного варианта эскизной компоновки составляют рабочую компоновку, на основании которой разрабатывают рабочий проект.
На рабочей компоновке проставляют основные увязочные, присоединительные и габаритные размеры, размеры посадочных и центрирующих соединений, тип посадок и классы точности, номера шарикоподшипников.
На оенованйи рабочей компоновки производят поверочные расчеты деталей на прочность.
Общая компоновка. На основе технологической и структурной схем машин (аппаратов) определяют основные размеры машины (аппарата), составляют так называемую ее эскизную компоновочную схему.
Исходными данными для выбора основных размеров машины (аппарата) являются их технические параметры (загрузочная масса, ширина рабочего прохода или ширина обработки, поверхность теплообмена, габаритные размеры обрабатываемых изделий и т. д.), определяющие рабочее пространство машины (аппарата).
При общей компоновке важно установить последовательность разработки конструкции. Ее начинают с решения главных вопросов конструкции выбора рациональных кинематических и силовых схем, правильных размеров и форм деталей, определения их целесообразного расположения.
Общая схема компоновки должна обеспечить возможность сборки механизма с достаточной точностью взаимного расположения сборочных единиц и деталей, а также последовательности сборки и разборки издекий. Крепление опор валов должно соответствовать требованиям точности, предъявляемым к меж-
центровым расстояниям, параллельности или соосности валов между собой или относительно других деталей; выбор типа муфты должен учитывать допускаемую ею' при сборке погрешность и т. д. В связи с этим лучшей схемой компоновки является более простая схема, не требующая дополнительной обработки деталей и подгонки их по месту в процессе сборки.
В процессе компотовки машины одновременно решается вопрос о делении конструкции на отдельные агрегаты и сборочные единицы, которые можно независимо друг от друга собирать, контролировать, испытывать, ремонтировать. Деление изделий на составные части является важным организационно-техническим мероприятием, целью которого является： расширение конструктивной преемственности; сокращение времени процесса конструирования за счет параллельной разработки испытаний и моделирования отдельных узлов разными группами исполнителей; повышение качества проектирования за счет создания групп исполнителей из конструкторов, специализирующихся в данной области; возможность организации параллельного изготовления, сборки и испытания на специализированных участках и в цехах. Именно таким образом организовано изготовление редукторов, тормозов, гидро- и пневмоаппаратуры и других сборочных единиц, входящих в оборудование различного служебного назначения. Так, в частности, построены конструктивные схемы компоновки машин химической чистки, стиральных машин.
Все это улучшает организацию процесса разработки, планирования производства и сокращает цикл сборки машины.
Конструкция машины (аппарата) с наименьшим количеством отдельно собираемых сборочных единиц называется моноблочной, а с большим количеством сборочных единиц — составной.
Обычно при проектировании крупных мелкосерийных машин часто применяют моноблочные конструкции, что дает возможность уменьшить расходы на модели, обработку стыкуемых поверхностей, крепежные детали и т. д. и повысить виброустойчивость машины. '
В процессе компоновки учитывают все факторы, определяющие работоспособность проектируемого агрегата: разрабатывают рациональные формы и размеры корпусных деталей; разрабатывают системы смазки, охлаждения, сборки-разборки, крепления агрегата и присоединения к нему смежных деталей (приводных валов, коммуникаций, электропроводки); производят расчет размерных цепей: предусматривают условия удобного обслуживания, осмотра и регулировки механизмов; выбирают материалы для основных деталей и решают соотношение размеров деталей и узлов; пред уем атрив а ют способы повышения долговечности, увеличения износостойкости трущихся соединений,, способы защиты от коррозии; исследуют возможности форсирования агрегата и определяют границы его использования; учитывают условия производства, в которых будут изготовляться
проектируемые изделия, условия транспортирования их к месту установки и другие требования. *
Машины одного функционального назначения, но предназначенные для обработки специфичных по конструкции изделий, имеют разные схемы компоновки, например, швейная машина для пошива заготовок верха обуви (рис. 60, а) и швейная ма-
шина для ремонта верха обуви
(рис. 60,б).(рис. 60,б).55◎◎S'S'8tLy-у8tLy-у22 -22 -15151616/7/72/2/2019201918 б18 бРнс. 60. Схема компоновки машин:
(рис. 60,б).
(рис. 60,б).
5
5
◎
◎
S'
S'
8tLy-у
8tLy-у
22 -
22 -
15
15
16
16
/7
/7
2/
2/
2019
2019
18 б
18 б
а——швейной машины для пошива заготовок верха о6у~ ви; б—швейной машины для ремонта верха обувн; в—ма、 шины химической чистки; / — крнвошипио-ползунный механизм нгловоднтеля; 2— роликовый механизм подачи; 3—механизм главного вала; 4—коробка зубчатых передач ведущему ролику и челноку; 5 — коромысловый механизм игловоднтеля и нн- тепритягивателя； 6 — механизм подачи изделия лапкой, движущейся в вертикальной плоскости по траектории зам-
кнутого прямоугольника;вертикальной осью вращения и с реечной передачей движения); растворителя; 5—фильтр; J0—адсорбер; JJ——теплообменник; /2~-кнутого прямоугольника;вертикальной осью вращения и с реечной передачей движения); растворителя; 5—фильтр; J0—адсорбер; JJ——теплообменник; /2~-7—механизм челнока (с7—механизм челнока (с8—бак для получистого 口 _ ，一.
кнутого прямоугольника;
вертикальной осью вращения и с реечной передачей движения); растворителя; 5—фильтр; J0—адсорбер; JJ——теплообменник; /2~-
кнутого прямоугольника;
вертикальной осью вращения и с реечной передачей движения); растворителя; 5—фильтр; J0—адсорбер; JJ——теплообменник; /2~-
7—механизм челнока (с
7—механизм челнока (с
установка рекуперацноиная; /3—шкаф электрический; /4—регулятор уровня; J5—бак для чистого растворителя; /6—привод; /7—барабан моечный; /8—рама； 19—сборинк шлама;
20—куб-нспарнтель; 21——ловушка； 22——иасос20—куб-нспарнтель; 21——ловушка； 22——иасосМашины для обработки изделий, не отличающихся специфичностью конструкции и технологического процесса, обычно имеют одинаковую схему компоновки. Так, гладильные прессы, применяемые в швейном, прачечном производстве и в производстве химчистки, имеют обычную схему компоновки, обеспечивающую проведение прессования прямых изделий подушками с одновременной влажнотепловой обработкой.
20—куб-нспарнтель; 21——ловушка； 22——иасос
20—куб-нспарнтель; 21——ловушка； 22——иасос
Машины химической чистки, стиральные машины и сушильные бйрабаны — это машины в основном агрегатного типа. Они имеют компоновку агрегатов и сборочных единиц как по горизонтали, так и по вертикали, образуя в целом единую конструкцию в виде шкафа (рис. 60, в).
Сопоставление вариантов компоновки проводят из соображений конструктивной, технологической, эксплуатационной целесообразности.
Одним из признаков рациональности конструкции является ее компактность. У компактной конструкции всегда меньше масса, габаритные размеры, больше металлоемкость； конструкция получается наиболее жесткой и прочной.
Для коробчатых конструкций показателем компактности является масса машины или сборочной единицы, отнесенная к массе габаритного объема,
йк=тф/тг,
где /Иф—' фактическая масса машины;恤一：масса габаритного объема.
Однако при компоновке следует учитывать и показатели ре- монтнопригодности конструкции, которая оценивается удобст- ством сборки, доступностью к сборочной единице и детали в период восстановления работоспособности.
Если для ремонта и замены вышедшей из строя детали надо отвернуть большое количество болтов, снять или полностью разобрать несколько узлов, ремонт будет длительным、и коэффициент готовности машины при этом будет низким. Расположение сборочных единиц и агрегатов с редкими отказами в целях компактности следует производить «глубже», а менее надежных—в более доступных местах.
КОНСТРУИРОВАНИЕ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ И ДЕТАЛЕЙ
Сборочные единицы (узлы) могут быть подвижными и неподвижными, разъемными и неразъемными.
Комплекты неподвижных и взаимонеподвижных деталей называют звеньями. Изготовление звеньев из нескольких соединенных между собой деталей обеспечивает: возможность изготовления деталей из разных материалов; удобную замену быстроизнашивающихся деталей при ремонте； возможность сборки сборочной единицы; обеспечение сборки машин; обеспечение изготовления деталей благодаря упрощению их формы и уменьшению размеров; возможность более широкого объединения однотипных деталей в характерные группы.
К конструированию сборочных единиц приступают после предварительной компоновки машины, когда выполнены основные проектные расчеты по определению конструктивных
размеров ответственных деталей и принято разделение конструкции на сборочные единицы.
При ко1нструировании сборочных единиц решают следующие
основные задачи:.。
выбор форм и размеров деталей и самой сборочной единицы^
обеспечение работоспособности элементов самой сборочной единицы;
обеспечение разделения конструкции на подсборочные единицы и комплекты;
выбор метода и характера соединения звеньев, сборки и регулировки сборочной единицы;
，обеспечение обслуживания и ремонта сборочной единицы;。 обеспечение эффективности варианта конструкции сборочной
единицы.
Конструирование сборочных единиц может быть представлено в виде определенной последовательности этапов (схема 3).
Схема 3. Последовательность конструирования сборочных единиц
Фуикциоиальиое заданиеФуикциоиальиое заданиеВыбор принципа действия (варианты)
Фуикциоиальиое задание
Фуикциоиальиое задание
Проектные расчеты и анализ вариантовПроектные расчеты и анализ вариантовВыбор оптимального вариантаВыбор оптимального вариантаПроверка функциональной пригодности
Проектные расчеты и анализ вариантов
Проектные расчеты и анализ вариантов
Выбор оптимального варианта
Выбор оптимального варианта
Выполнение сборочного чертежа
Разрабатывая конструкцию сборочной единицы, конструктор должен обеспечить все предъявляемые к ней требования и определить оптимальный вариант конструкции.
Качество конструкции сборочной единицы определяют такие параметры, как прочность, жесткость, технологичность, компактность, надежность, ремонтопригодность, удобство эксплуатации, другие технико-экономические показатели.
Чертеж сборочной единицы должен содержать:
изображение сборочной единицы, дающее представление о расположении и взаимной связи составных частей, соединяемых по данному чертежу;
сведения, обеспечивающие возможность сборки и контроля сборочной единицы; 、
размеры, предельные отклонения и другие параметры и требования, которые должны быть проконтролированы или выполнены по сборочному чертежу;
” указания о характере сопряжения и методах его осуществления» если точность сопряжения обеспечивается при сборке (подбор деталей, их пригонка и т. п.);
указания о способе- выполнения неразъемных соединений (сварных, паяных и др.);
номера позиций составных частей, входящих в изделие;
основные характеристики изделия;
габаритные размеры, определяющие предельные внешние или внутренние очертания изделия;
установочные размеры, по которым изделие устанавливается на месте монтажа；.
.присоединительные размеры, по которым изделие присоединяется к другим изделиям;
необходимые справочные размеры..
При конструировании сборочных единиц руководствуются следующими принципами.
С точки зрения эксплуатации проектируемые сборочные единицы должны обеспечить:
удобство наладки, регулировки;
достаточность и удобство смазки;
удобство обслуживания;
простоту и удобство управления;
безопасность обслуживания и работы, сборочной единицы;
удобство сборки, разборки и технического обслуживания сборочной единицы.
Обращают внимание на возможно большую компактность конструкции в пределах габаритных размеров сборочных единиц, полученных при о'бщей компоновке машины.
Расчетные размеры деталей при компоновке сборочных единиц приходится изменять и округлять в соответствии с конструктивными соображениями, стандартами и нормалями, применяемыми размерами шарико- и роликоподшипников и т. п.
Для дальнейшей разработки чертежей деталей и сборочных единиц, обеспечения правильного взаимодействия механизмов и правильной сборки необходимо определить, достаточны ли' будут зазоры и натяги в сопряжениях деталей. Для этого требуется установить виды посадок и назначить допуски на их изготовление.
Применение принципиальных схем сборки значительно упрощает проектирование технологического процесса сборки и в соответствии со сборочными чертежами позволяет легко обнаружить конструктивные неувязки по обеспечению сборки. Общее направление работы при конструировании сборочных единиц
должно быть подчинено, кроме того, вопросам конструктивной преемственности и технологичности их конструкции.
В конструкциях сборочных единиц должно быть как можно больше одинаковых посадок, резьб, зенковок и др.
С точки зрения технологии сборки сборочные единицы дол* жны обеспечивать удобство сборки и регулировки при наименьшем количестве звеньев размерной цепи, сокращении объема пригоночных, операций и цикла сборки.
Все детали узлов по возможности должны быть конструктивно просты, не требовать длй изготовления сложных инструментов, специалыных приспособлений и сложного оборудования.
С точки зрения применяемости и распространения детали подразделяют на типовые общего назначения, типовые специальные и оригинальные.
К типовым деталям общего назначен'И я, применяющимся во всех отраслях машиностроения, относятся шкивы, зубчатые колеса, звездочки цепных передач, валы, оси, детали подшипников скольжения и трансмиссионных муфт, пружины, шпонки, крепежные детали. *
Специальные т*и пов ы е детали применяются только в определенных машинах, например: в металлорежущих станках (корпусные детали коробок скоростей и подач, детали суппортов, задних бабок и револьверных головок, шпиндели, подшипники скольжения, маховички и рукоятки, клинья, ходовые винты и т. д.); в швейных машинах (детали игловодителя, нитепри- тягивателя и челнока, корпус и т. д.); в стиральных машинах (детали внутреннего и наружного барабанов, детали корпуса, детали активатора и т. д.).
Оригинальные детали конструируют применительно к определенной машине и они, как правило, не имеют подобного образца. Конструктивная преемственность оригинальных деталей может быть лишь случайной. Отдельные элементы оригинальных деталей не отличаются от соответствующих элементов типовых деталей машин общего назначения.
Конструирование дета л ей подчинено решению задачи по конструктивно-технологическому их формированию, которое определяется эксплуатационными и технологическими требованиями, предъявляемыми к ним.
Вопросы обеспечения эксплуатационных свойств и технологичности при конструировании детали в общем виде сведены в следующую схему (см. с. 183).
Из схемы видно, что формирование эксплуатационных свойств и технологичности включает решение следующих самостоятельных задач по достижению:
оптимальных конструктивных параметров, требующих физических и технических свойств деталей и машины в целом;
наиболее простого, производительного и экономичного произ-* водственных процессов изготовления машин;
Схема 4. Формирование эксплуатационных свойств и технологичности деталей»
наиболее высоких эксплуатационных качеств машины и ее сборочных единиц.
Основные требования к деталям, которые определяют их свойства: прочность и равнопрочность, жесткость и износостойкость, отсутствие недопустимого нагрева, высокий КПД передач машины; технологичность, простота конструкции； малая масса;
применение/недифицитных материалов для изготовления; уменьшение затрат; обеспечение удобства сборки и разборки сборов ных единиц, удобство обслуживания машины, удобство транспортировки; возможно большая бесшумность передач; совершенство внешней формы и отделки. '
Последовательность процесса конструирования обычно следующая:
составление расчетной схемы, в которой максимально упрощается конструкция детали и характер ее сопряжения с другими деталями;
определение величины нагрузок, действующих на деталь;
выбор материала на основании его физико-механических характеристик с учетом экономических факторов: стоимости, доступности и т. д.;
предварительный расчет наиболее характерных размеров детали по наиболее важным критериям работоспособности и согласование этих размеров с действующими государственными стандартами;
вычерчивание детали в общем виде сборочной единицы с последующей деталировкой, т. е. подробной конструктивной разработкой детали с указанием на чертеже всех ее размеров, допусков, классов чистоты поверхностей, специальных технологических требований (термообработки, покрытий и др.);
выполнение проверочных расчетов по основным критериям работоспособности, т. е. определение запасов прочности в расчетных сечениях, деформаций (прогибов, углов закручивания), критических скоростей и сопоставление их величины с допускаемыми значениями. В тех случаях, когда требуемое соответствие между этими величинами не обеспечивается, в конструкцию следует внести изменения, после чего вновь произвести проверочные расчеты. Последовательным приближением удается обеспечить требуемое соответствие между расчетными и допустимыми значениями запасов прочности, прогибов и т. д.
В процессе конструирования должно быть найдено оптимальное решение, требующее разработки нескольких вариантов конструкций, их сопоставления и оценки.
С целью повышения технико-экономических показателей при проектировании следует учитывать стоимость материалов, расходуемых на деталь, и себестоимость ее изготовления. Стоимость материалов в конструкции можно уменьшить за счет уменьшения массы деталей; сокращения отходов материала в производстве; замены дорогостоящих материалов более дешевыми, но равнопрочными; применения прогрессивных способов изготовления заготовок для деталей машин.
Себестоимость изготовления детали за счет ее конструкции можно снизить, упростив форму деталей, используя при этом употребительные в практике машиностроения поверхности — плоскость и поверхность тела вращения, которые легко можно
получить на определенных станках; уменьшив поверхности обработки; сократив число обрабатываемых поверхностей; придав деталям формы, удобные для закрепления, установки и обработки; выбрав формы деталей, соответствующие спосрбам их производства; снизив классы точности изготовления и чистоты обработки в соответствии с необходимыми, ■ обеспечивающими нормальную работу сопряжения.
Экономного расходования материалов, особенно металла, достигают рациональной конструкцией детали и обоснованным их применением.
Требуемой прочности и жесткости деталей следует добиваться введением ребер жесткости и рациональным р асцр ед ел ением металла в детали, а не увеличением толщины ее стенок; не следует также допускать скоплений металла в отдельных ее частях. Б ненагруженной или малонагруженной зоне детали рекомендуется делать окна и выемки для более равномерного нагружения материала. Вместо металла следует применять по возможности пластмассовые и другие неметаллические материалы. Везде, где это целесообразно, рекомендуется вместо стали использовать чугун, вместо дорогих марок стали ——дешевые, применять составные, сборные конструкции деталей (среднюю часть детали из чугуна, зубчатый венец из- стали, бронзы и т. п.).
Правильное решение вопроса технологичности детали дает возможность сократить станочную обработку; проводя значительную часть формообразоваиия детали в заготовительных операциях, т. е. при изготовлении заготовок.
Выбор способа получения заготовок основывается на проведении сравнительного технико-экономического анализа себестоимости готовых деталей при разных способах изготовления и при изготовлении из разных материалов, учитывая при этом размер или серийность выпуска деталей и машин.
' При конструировании деталей необходимо учитывать особенности производства получения заготовок.
Основными видами заготовок являются отливки из чугуна, стали, цветных металлов; поковки из стали, получаемые методом свободной ковки и в штампах; сварные заготовки.
Основные требования литейного производства заготовок закреплены в соответствующих Государственных стандартах /на заготовки.
Простая обтекаемая внешняя форма без резких переходов, крутых изгибов и разветвлений внутренних стенок ——важнейшее требование к конструированию литых деталей. Во избежание напряжений и трещин после литья следует применять равномерную толщину стенок отливки и постепенные переходы от одной толщины к другой. Чрезмерные тонкие стенки чугунной от- ливки приводят к отбелу чугуна, хрупкости и затрудняют механическую обработку отбеленной поверхности. '
Основные требования к поковкам, выполняемым в штампах:
обеспечение уклонов в направлении выемки заготовки из штампа, соблюдение плавных закруглений углов.
При конструировании горячештампованных деталей учитывают расположение волокон металла, которые не должны перерезаться. На штампуемой детали не должно быть глубоких впадин. Если в штампованной детали нельзя избежать ребер, то их следует делать с соблюдением штамповочных уклонов и других требований Г о суд арств енных стандартов. Линию разъема штампов располагают по необрабатываемым поверхностям, что способствует сокращению времени обработки детали.
Основные требования технологии механической обработки к конструкции деталей: создание удобных баз для установки и мест крепления деталей в,приспособлении или столе станка； обеспечение легкого доступа к обрабатываемым поверхностям как режущего, так и измерительного инструмента; уменьшение размеров обрабатываемых поверхностей, создание форм, удобных для обработки поверхностей.
На технологичность конструкции детали и узла в большой мере оказывает влияние правильный выбор класса точности. Необходимо иметь в виду, что стоимость обработки возрастает с повышением точности (т. е. с уменьшением допусков) и особенно резко в области малых допусков.
Классы точности размеров должны быть тесно увязаны с классами шероховатости поверхностей. Высокую точность изготовления имеет смысл назначать только для деталей, имеющих малую исходную шероховатость поверхности.
Практически выбор класса точности зависит от точности механизма, вытекающей из его эксплуатационного назначения, от характера необходимых соединений, способствующих требуемому качеству работы соединения при эксплуатации, и от точности машины в целом.
Детали, подвергаемые термической обработке, должны иметь простые геометрические формы и симметричную конфигурацию без острых граней, тонких перемычек и резких переходов в сечениях, способствующих возниканию напряжений и трещин при нагреве и охлаждении. По этой же причине шероховатость поверхности деталей должна быть не ниже 爲=10 мкм.
Сведения о детали представляют на чертеже графически, а также в виде текстового материала. Часть сведений приводится в виде специальных условных обозначений, устанавливаемых соответствующими стандартами.
Текстовой материал чаще всего включает следующие технические требования:
предъявляемые к материалу, заготовке, термической обработке и к свойствам материала готовой детали;
к качеству поверхностей, указания об их отделке, покрытиях; к размерам, предельным отклонениям размеров, форме и взаимному расположению поверхностей;
18в ,
к зазорам, расположению отдельных элементов изделия;
к настройке и регулированию изделия.
По проверенным рабочим чертежам деталей часто вычерчивают контрольно-сборочные чертежи сборочных единиц. При этом легко выявляются ошибки в размерах отдельных деталей, так как при сопряжении их сразу обнаруживается несовпадение.
ТРЕБОВАНИЯ ЭСТЕТИКИ, ЭРГОНОМИКИ И ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ
КОНСТРУИРОВАНИИ
Выполнение требований эстетики и эргономики способствует снижению утомляемости рабочего, уменьшению травматизма и повышению производительности труда.
При эстетической отработке конструкции обязательным является учет основных требований композиции:
соответствие формы конструкции служебному назначению изделия и зависимость ее от окружающей среды и конкретных условий работы;
единство формы и содержания;
понятие тяжести, легкости, статичности, динамичности;
закономерность гармонического построения изделий, целостность композиции, связь отдельных частей конструкции между собой, выделение главного и вспомогательного, второстепенного;
масштабность, направленность, ритм.
Очень важным является отражение во всей композиции изделия его основных свойств: тяжеловесности, мощности, динамичности, легкости, быстроходности и т. п., а также соблюдение гармоничных размерных пропорций. Последнее условие часто сводится к соблюдению в линейных отрезках геометрического подобия. Частным случаем геометрического подобия является золотое сечение, при котором в машине отношение неравных ее частей находится в пропорции:
Малая частьБольшая часть50,618 0,382
Большая частьВесь отрезок8 I0,618“
Основное, что делает форму гармоничной и организованной, ——это четкое отделение главного от второстепенного в конструкции, ее ясновыраженная часть по функциональному назначению, учет среды и условий, в которых она будет работать, и композиционная уравновешенность всех ее элементов.
Эстетическая отработка внешнего вида изделия, проводимая в строгом соответствии с правилами композиции, органически увязывается с ее цветовым оформлением, значение которого и влияние на психофизиологию человека очень велико.
Так, машины шкафного типа ('машины химической чистки, стиральные машины) имеют строгие формы, специальную окраску и хорошо отработанное внешнее оформление. Холодильники,
например, имеющие форму шкафа, оформляются с учетом гармонии с кухонной мебелью и имеют белую окраску, способствующую, кроме того, отражению лучистой и тепловой энергии.
Отработка конструкции со стороны эргономики учитывает соответствие условий работы машины (аппарата) условиям работы человека, которыми он располагает. Это обеспечивает при рациональных условиях труда наибольшую производительность.
Эргономические требования разделяются на четыре группы:
антропометрические, учитывающие рост и массу рабочего, размеры органов его тела, участвующих в процессе пользова- иня машиной, аппаратом;
биомеханические, определяемые характером трудовых движений (рабочего и направленные к тому, чтобы обеспечить минимальную утомляемость рабочего;
физиолого-гигиенические, обусловленные такими органами чувств рабочего, как зрение, слух, осязание, и характером среды, в которой ведется работа (влажность, температура, состав воздуха и пр.);
инженерно-психрлогичес：кие, направленные к наилучшему использованию в системе человек — машина сильных сторон человеческого организма (высокая чувствительность к изменениям температуры, световых и звуковых сигналов, быстрота реакции на перемену условий труда и пр.) и к компенсации машиной его слабых сторон (повышенная утомляемость при монотонной работе, неспособность к быстрому счету и обработке больших массивов информации и т. д.).
Антропометрические требования диктуют условия рациональной орпанизации рабочего места, его устройства, размещения на нем применяемых в работе предметов, позы и положения рабочего и пр. Эти требования для многих машин обеспечиваются рациональной компоновкой и расположением рычагов и кнопок управления.
Биомеханические требоваиия касаются обеспечения ми-ни- мальной протяженности и наибольшей плавности трудовых движений, их скорости н, максимально Допустимой величины усилий.
Физиологические и гигиенические требования для обеспечения нормальных условий работы заключаются в гарантии безопасности при работе оборудования.
Из весьма разнообразных вопросов охраны труда и техники безопасности при конструировании машин и аппаратов бытового назначения чаще всего приходится решать следующие:
предотвращение травматизма;
защита от электрического тока;
защита от тепловых воздействий;
защита от вредных воздействий;
защита от вибраций;
защита от шума;
предупреждение взрывов. '
Многие механизмы машиньГ совершают в пространстве сложные движения (прямолинейное, криволинейное, возвратно-поступательное, вращательное). Действие оборудования связано с использованием энергии газа, пара, электричества, атома, с применением в ряде процессов токсичных, взрывоопасных и агрессивных веществ. Поэтому процесс работы машины или аппарата часто таит в себе потенциальные опасности, и пребывание человека в зоне их действия, особенно при непосредственном контакте с отдельными элементами, сопряжено с возможностью возникновения несчастных случаев ИЛ1И профессионального заболевания.
Безопасность работы машин, аппаратов и механизмов в значительной степени зависит от рационально запроектированной конструкции, качества примененных материалов, наличия предохранительных устройств и ограждений, целесообразного размещения оборудования и нормального ведения режимов эксплуатации.
В процессе действия машины возникает опасная зона ——пространство, ограниченное крайними точками движения рабочего органа (инструмента) или перемещающихся частей. Опасная зона может быть обусловлена вылетом мелких частиц обрабатьь ваемого материала (стружки) и скоплением паров, газа, пыли в том или ином аппарате или на рабочем месте. В этих зонах постоянно или периодически возникает опасность для жизни и здоровья рабочего.
Всякая движущаяся часть механизма (зацепление зубчатых колес, жало вращающихся вальцов, набегающие ветви приводных ремней, выступающие элементы машины ——гайки, болты, шпонки, совершенно гладкие по поверхности различные валы и Др.) представляет определенную опасность для работающего.
Рационально сконструированная машина полностью предотвращает возможность попадания работающего в опасные зоны.
Минимальное количество выступающих и движущихся частей машины уменьшает опасность захватов рук и ног, одежды, волос работающего; приводящих к серьезным случаям травматизма ('например, устройство зубчатых колес с внутренним зацеплением вместо внешнего, деталей и др.).
Защита от попадания в опасные зоны машины, от действия электрического тока и повышенного (сверх допустимого) давления в рабочих агрегатах, от скоростей движения выше допустимых обеспечивается специально сконструированными предохранительными приборами, приспособлениями, арматурой и механизмами.
Предупреждение об опасности при работе агрегата возлагается на приборы и устройства контрольно-измерительного и сигнализирующего действия (водомерное стекло на котлах, мано-
метры на ссудах под давлением, световые и звуковые сигналы и др.). Надежная система ограждений опасных зон, защитные блокирующие устройства, предотвращающие опасное действие механизма, а также тщательно выполненная герметизация и кап- сюлирование аппаратов, ликвидирующие выделение вредных веществ в воздушное пространство рабочего места, являются наиболее действенными техническими средствами борьбы с травматизмом и профессиональными заболеваниями на производстве.
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАШИН И АППАРАТОВ
Существующие методы расчета машин и аппаратов в некоторых случаях требуют очень сложных математических операций, в других случаях расчетные формулы не всегда обеспечивают желательную точность или не охватывают все возможные варианты конструкции. В таких случаях при конструировании используют моделирование и экспериментальное исследование или проверку выбранного технического решения.
Моделирование технических решений. При экспериментальном исследовании (изучении) процессов машин, аппаратов эмпирические уравнения, получаемые на основе опытов, являются частными 'И не .могут быть р аопростр а йены на другие условия протекания процессов.
Для обобщения результатов опытов и распространения их на широкий круг явлений пользуются методом теории подобия, лежащим в основе моделирования процессов. Применение теории подобия позволяет выполнять исследования на моделях вместо дорогостоящих трудоемких опытов на действующих машинах и аппаратах.
В современной экспериментальной практике широко применяют физическое и математическое моделирование.
Принцип физического моделирования заключается в изучении необходимых динамических процессов не на самой машине, а на ее физической модели, построенной на основе теории подобия.
Сущность теории подобия применительно к механическим динамическим системам состоит в том, что движение для натурального образца и модели, описываемые дифференциальными уравнениями, подобны.
Условия подобия вытекают из сравнения этих движений. Например, для одномассовой системы движения в дифференциальной форме описывается уравнением
mnd2sJd^ = P^ (Ю. 1) ^a2sJd^=P^ (10.21
где /Ин, $н, s. Ph — параметры движения натурного образца (соответствен* но масса, движущая сила, перемещение и время); /Им,户м, s^, тм — соответ- ственно аналогичные параметры модели.
При изготовлении модели масштабные коэффициенты kmt ^s, kx — величины известные или заданные.
Подставив значения параметров с учетом масштабных коэффициентов в уравнение (10.1), получим
%м^ = А нлн 苛® 壹)=&(10.3)
Так как выражение в скобках уравнения (10.3) на основании выражения (10.2) равно Рм, то окончательно получим
『Рм = Рн・(10.4)
Из формулы (10.4) можно определить коэффициент 々口 подобия как отношение
^п=Р』Рм=%hs咸 или kn/Hl(kmks)= 1.(10.5)
Таким образом, в динамически подобных механических системах масштабные коэффициенты параметров системы при инерционном движении связаны соотношением (10.5), которое называют условием инвариантности уравнений движения подвижных систем (критерий подобия). Его записывают в более общем виде
П=Рт^1 (m5) =idem,(10.6)
где П——обозначение критерия подобия; idem ——латинское обозначение понятия «одинаковый».
В сложных процессах находят на -моделях опытным путем зависимость между критериями подобия П, 〃], П2,..., Пп и представляют математическое выражение процесса в виде обобщенного критериального уравнения
尸(〃，〃】，〃2,・.・，厶)=0.
Это уравнение в обобщенных переменных справедливо для всех подобных явлений в исследованных пределах изменения критериев подобия.
Теория подобия позволяет установить связь различных параметров проектируемых машин и механизмов с их линейными размерами и их звеньями. Например, установлено, что масса машины -пропорциональна кубу ее линейных размеров, а в геометрически подобных машинах»—квадрату мощности.
Принцип математического моделирования заключается в том, что за объект исследования принимаются не машины, а их электрические модели — аналоги, построенные
Рис. 61. Структурная (〃) и аналоговая электрическая (6) схемы механической системыРис. 61. Структурная (〃) и аналоговая электрическая (6) схемы механической системы
Рис. 61. Структурная (〃) и аналоговая электрическая (6) схемы механической системы
Рис. 61. Структурная (〃) и аналоговая электрическая (6) схемы механической системы
при помощи систем аналогий, основанных на сходстве дифференциальных уравнений, описывающих различные по своей физической природе явления. Математическое моделирование может быть осуществлено на моделях-аналогах и счетно-решаю
щих устройствах. Наибольшее применение из систем аналогии получили электромеханические.
Рассмотрим поведение при колебани- ниях механической системы и ее аналога —электрической (рис. 61).
Поведение 1-й системы описывается уравнением
m^k^vy=p^ W7)
где иг ——масса; у ——перемещение;財 ——коэффициент скорости; 6,一податливость; Р(т)—возмущающая сила.
Поведение 2-й системы — уравнением
L 爵+ R ^-V-^-q = U^(10. 8)
где L — индуктивность катушки; q — величина электрического заряда конденсатора； R ——активное сопротивление цепи; С — электрическая емкость конденсатора; U(т)—переменное напряже
ние. .
Сравнивая эти уравнения заключаем, что процесс изменения заряда на конденсаторе будет протекать во времени аналогично процессу движения массы в механической системе.
Принцип работы современных аналоговых электронных вычислительных машин основан на использовании аналогии между электрическими явлениями и математическими действиями. При этом математическая модель превращается в счетно-решающее устройство. На этих машинах решают дифференциальные уравнения в виде непрерывных зав|йсимостей (аналоговые машины) и в цифровом виде (дискретные или цифровые машины).
Применение математического моделирования по сравнению с физическим моделированием позволяет значительно более экономно и эффективно изучить характеристики сложных явлений.
Заключительным этапом при моделировании процессов является их оптимизация — выбор наилучших или оптимальных условий проведения процесса.
Экспериментальные натурные исследования механизмов и машин. Анализ уравнения движения машины указывает пять основных параметров, измерение которых необходимо и достаточно для всестороннего экспериментального исследования механизмов: перемещение, скорость, ускорение, силу и крутящий момент. Величины деформаций, напряжений, неравномерности 192
хода, КПД и вибрации определяются результатами измерений пяти указанных основных механических параметров.
Механические параметры машин удобно определять путем их преобразования в электрические величины с помощью электрических 'первичных преобразователей (датчиков), различных по физической сущности (параметрических: реостатных, кон- тактного сопротивления, проволочных, электролитических, маг- нитоупругих, индуктивных, емкостных, фотоэлектрических, ионизационных; генераторных: индукционных, термоэлектрических и пьезоэлектрических). Из всех групп датчиков для преобразования механических параметров в пропорциональные им электрические величины наибольшее распространение получили проволочные датчики омического сапротивления вследствие возможности дистанционного измерения быстропротекающих процессов, высокой чувствительности и других преимуществ. Датчики омического сопротивления рабочей базой /б (рис. 62, а) наклеива- ют на поверхность исследуемого объекта, который в процессе работы подвергается под действием силы Рц деформациям (рис. 62,.6), передающимся затем на наклеенный датчик, который Ход действием сил Р растягивается (рис. 62, а).
Рис. 62. Схема электротеизометри< ческого моста:
Рис. 63. Схема тензометрического устройства для измерения больших линейных перемещенийРис. 63. Схема тензометрического устройства для измерения больших линейных перемещенийа—схема проволочного первичного преобразователя (датчика)； 6—схема установки датчика на объекте; в—электрическая схема измерительного моста
Рис. 63. Схема тензометрического устройства для измерения больших линейных перемещений
Рис. 63. Схема тензометрического устройства для измерения больших линейных перемещений
Деформации датчика, включенного в измерительную цепь, преобразуются в электрические изменения тока в цепи, регистрируемого измерительными приборами (осциллографом)«
Простейшая схема одинарного электрического моста (рис. 62,8)состоит из четырех резисторов сопротивления Ri, &2, &з,
1931937 Заказ № 266
193
193
R* соединенных последовательно в замкнутый четырехугольник ABCD. Каждый резистор образует одно из четырех плеч моста. В одну диагональ четырехугольника включают источник питания 5, а в другую, измерительную диагональ, — чувствительный индикатор (осциллограф Г). Величины сопротивлений плеч моста можно подобрать так, чтобы ток в измерительной диагонали моста стал равен нулю. Для этого сопротивления должны находиться в следующем соотношении:
R1R3 = R2R&.
Схему моста можно сбалансировать или разбалансировать, изменяя значения сопротивления,любого плеча с помощью балансировочного (регулируемого) датчика, а разбаланс производится в результате работы (деформации) датчика, включенного в одно или два плеча моста.
Истинные значения измеряемых механических величин получают путем расшифровки осциллограмм, записываемых осциллографом с помощью тарировочных графиков x=f(P) (х— показание осциллографа, Р ——тарированная механическая величина) .
Схема устройства для измерения больших линейных перемещений с помощью реохордного датчика приведена на рис. 63.
При среднем положении контакта b на реохорде мост уравновешен й шлейф Ш осциллографа будет показывать нуль. При перемещении контакта b сопротивления RlR+RJ левого и Rd=R4+R4' правого плеч моста получают изменения разных знаков, мост разбалансируется и в регистрирующем приборе появится ток, пропорциональный перемещению контакта.
Для экспериментального исследования поведения обрабатываемых материалов при взаимодействии с рабочими органами машины наряду с электрическими методами пользуются также оптическими, фотооптическими и др. методами, скоростной киносъемкой или рассматривают процесс с помощью строботахо- метра или стробоскопа. Скоростной киносъемочной камерой производят съемку процесса, а затем с помощью кинопроектора просматривают весь процесс работы машины и исследуют параметры процесса во времени. С помощью строботахометра или стробоскопа можно рассмотреть любой процесс взаимодействия обрабатываемого материала с рабочими органами, установить периодичность возникновения процесса, однако этот способ не позволяет зафиксировать тот или иной момент работы машины.
Испытания оборудования. Испытания составляют заключительный этап в создании оборудования. В результате натурных испытаний определяют общую эффективность оборудования, действительные нагрузки на элементы "конструкции механизмов и отдельных деталей. Как правило, мощность, экономичность и другие оценочные показатели оборудования, его надежность и
долговечность устанавливают при испытаниях на стендах и в эксплуатационных условиях. ,
В обобщенном виде цель испытаний можно охарактеризовать как исследование рабочего процесса и изыскание путей повышения экономичности и надежности оборудования для снижения эксплуатационных затрат. Конкретная цель формулируется в программе испытаний. '
С целью эффективности проведения эксперимента (минимальный объем и требуемая точность) применяют математическую теорию и планирование эксперимента [1].
Одной из распространенных идей теории эксперимента является концепция оптимального использования факторного пространства, или концепция многофакторного эксперимента. Она заключается в том, что состояние исследуемого объекта в каждом опыте определяется по результату одновременного варьирования факторов, вызывающих изменение состояния объекта. П р ед пол аг ается, что в модели объекта существуют функциональные связи любой выходной переменной со всеми входными, которые в общем виде записываются в виде уравнений
Входные величины 尤卜...，尤左 называют факторами, а выходные уь..., у^— откликами. Правые части уравнений (10.9) называют функциями огклика.
Факторы представляют собой способы воздействия на объект исследования. Факторы должны быть независимы друг от друга и управляемы. Они бывают количественными и качественными. Каждый из факторов может принимать определенный ряд значений, называемых уровнями. Для количественных факторов уровни означают то или иное число на оси их значений. Для качественных факторов числовую ось приходится создавать искусственно, ставя в соответствие уровням некоторый ряд чисел (отметок). Обычно полагают, что любой фактор для выбранного объекта может принимать только определенное число дискретных уровней. Сочетание уровней по всем факторам образует условие одного опыта для модели объекта.
Сформулированная таким образом начальная модель объекта с дискретными условиями факторов позволяет подсчитать максимально возможное число условий N для опытов при одинаковом числе уровней р по формуле N=pn, где л — число факторов.
Для каждого из N условий можно провести опыт, измерить значение отклика у и использовать полученные результаты для построения окончательной модели объекта. Разброс значений откликов характеризует случайные ошибки при измерении у и воздействие ряда неконтролируемых факторов.
Результаты испытаний излагают в отчете об испытаниях.
Раздел второй
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ И УСТРОЙСТВ ТИПОВЫХ МАШИН И АППАРАТОВ БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Глава XI
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ РАБОЧИХ БАРАБАНОВ МАШИН СТИРАЛЬНЫХ, ХИМИЧЕСКОЙ ЧИСТКИ И СУШИЛЬНЫХ
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧИХ БАРАБАНОВ МАШИН СТИРАЛЬНЫХ И ХИМИЧЕСКОЙ ЧИСТКИ
? Наиболее распространенными типам1й рабочих органов стиральных машин являются моечные барабаны, мешалки и активаторы. 'Рабочими органами машин химической чистки являются моечные барабаны.
1 Применение определенного типа рабочего органа связано С требуемой степенью воздействия его на обрабатываемый материал, с обрабатываемой массой изделий, с возможностью совмещения нескольких технологических операций (мойка, центробежный отжим, конвективная сушка) и процессов механического и гидромеханического воздействия на изделия, с прочностью и особенностью изготовления рабочего органа и другими фак
торами.
Основной рабочий орган производственных и бытовых автоматизированных стиральных машин, а также машин химической чистки представляет собой вращающийся цилиндрический ба* рабан 8 (рис. 64), помещенный в резервуар с рабочей жидкостью, в который загружают изделия.
Внутренний барабан представляет собой полый цилиндр, изготовленный из листовой нержавеющей стали. Боковая поверхность цилиндра (обечайка) перфорирована для возможности поступления рабочей жидкости. По всей длине внутренней боко
вой поверхности цилиндра расположены на одинаковом расстоянии гребни 2 (обычно три гребня, предназначенные для подъема и переваливания изделий во время вращения барабана).
С одной торцевой стороны он имеет отверстие для загрузки изделий, а с другой — днище, на котором укреплена полуось 9. Полуось вставляется в опору наружного барабана.
Наружный барабан является резервуаром для рабочей жидкости и кожухом внутреннего барабана. Он имеет загрузочный
люк, крышка 3 которого во время работы герметически закры
вается.
Крышка снабжена смотровым окном 4. Вращательное движение полуоси 9 от привода осуществляется клиноременной передачей. В нижней ласти наружного барабана смонтировано устройство для нагревания рабочей жидкости, включающее корпус 6, в котором помещены электронагреватели 5, и датчик-реле 7 температуры.
Рис. 64. Схема рабочих органов стиральной машины барабанного типа с торцевым обслуживанием:
j н 5——барабаны наружный и внутренний; 2 — гребень; 3 — крышка; 4 — окно смотровое; 5 — электронагреватель； 6— корпус; 7 — датчик-реле; 9 — полуось
Кроме описанной конструкции барабана стиральных машин, существует конструкция 'машины барабанного типа (рис. 65), у которой изделия загружаются и выгружаются через люк, выполненный в обечайке барабана.
При вращении внутреннего барабана изделия, находящиеся внутри него, захватываются гребнями, поднимаются на некоторую высоту, затем соскальзывают с гребней и падают в жидкость, омываясь ею. При таком периодическом движении изделий, механическом и гидромеханическом воздействии достигается необходимый эффект обработки.
Для предотвращения скручивания изделий барабану сообщается прерывисто-реверсивное вращательное движение.
В бытовых стиральных машинах с активатором (рис. 66) основным рабочим органом служит активатор, представляющий собой диск с ребрами.
При помощи активатора, размещенного в баке стиральной машины, движущейся жидкости в процесс стирки сообщается энергия.
Рнс. 65. Схема бытовой стиральной машины барабанного типа:Рнс. 65. Схема бытовой стиральной машины барабанного типа:/—барабан; 2—крышка Л1рка; 3—бак;4—корпус; 5—насос； (5—электродвигатель/—барабан; 2—крышка Л1рка; 3—бак;4—корпус; 5—насос； (5—электродвигательРис. 66. Активаторы стиральных машин:Рис. 66. Активаторы стиральных машин:Бытовые стиральные машины с мешалкой состоят из наружного бака, внутри которого установлены стиральный бак-центрифуга и лопастная мешалка： Стирка белья в машине производится вращением лопастной мешалки. При этом бак-центри-
Рнс. 65. Схема бытовой стиральной машины барабанного типа:
Рнс. 65. Схема бытовой стиральной машины барабанного типа:
/—барабан; 2—крышка Л1рка; 3—бак;
4—корпус; 5—насос； (5—электродвигатель
/—барабан; 2—крышка Л1рка; 3—бак;
4—корпус; 5—насос； (5—электродвигатель
Рис. 66. Активаторы стиральных машин:
Рис. 66. Активаторы стиральных машин:
а—с радиальными ребрами； б—со спиральными ребрами; 7—диск; 2—ребра
фуга остается неподвижным. При отжиме, когда вращается бак- центрифуга, белье отжимается под действием центробежной силы. Мешалка при отжиме не работает.
Во избежание закручивания белья мешалка имеет поворотно-реверсивное вращательное движение.
Вместимость моечного барабана (или стирального бака) машины определяют исходя из загрузочной массы изделий и удельной вместимости изделий
九=(п//4)〃=^卫衣， (И.1)
где Об и 厶一соответственно диаметр и длина барабана (бака); т3 — загрузочная масса изделий; Uy ——удельная вместимость изделий' (для стиральных машин барабанного типа 卩了=14——15 дм3/кг);岛 ——коэффициент, учитывающий объем, занимаемый гребнями и другими частями, выступающими внутрь барабана.
Практикой эксплуатации определены оптимальные соотношения 厶6/刀6・ Для барабанов с торцовой загрузкой £б/^б = 0,4— —0,6; для барабанов с боковой загрузкой 厶6/7)6=^2.
Процент перфорации внутренних барабанов ограничивается их прочностью и жесткостью. Обычно он составляет 25—30% от общей поверхности бара'бана.
Высоту гребней принимают равной (0,12—0,15)Рб.
Частота вращения внутреннего барабана влияет не только на качество обработки одежды, но и на производитель- 198
ность машины. Чем большее число оборотов делает внутренний барабан, тем больше частота падений одежды в единицу времени и, следовательно, тем быстрее осуществляется процесс мойки.
Повышение числа оборотов барабана ограничивается критической частотой вращения, при которой изделия под действием центробежной силы прижимаются к обечайке барабана и нарушается процесс переваливания (ворошения) изделий.
Критическую частоту вращения и=икр барабана определяют из соотношения
0=尸И/2=加国Q(%8)=82/?/g=4г2也2.a9,81= 1, (И. 2) где Ф — фактор разделения (безразмерная величина); fц = m(^R — центробежная сила (①一угловая скорость, R—раднус барабана, т ——масса тела); Рт — сила тяжести, '
откуда
&р^0,7 M瓦.(11.3)
Обычно рабочая частота вращения барабана при мойке составляет
孔 м==0,87п1{р.(11.4)
Частота вращения барабана на операции отжима 孔。определяе.т- ся фактором разделения (см. принцип центробежного отжима . влаги, гл. XII, § 1), соответствующим рабочей частоте вращения барабана Ио^Им.
Объем рабочей жидкости, заливаемой в моечный ба-- рабан или в стиральный бак, определяют по формуле
^ж^з>(1 1.5)
где иж ——жидкостный модуль.，
Величина жидкостного модуля в значительной мере зависит 0T степени загрязненности изделий. В машинах химической чистки величина。出=8—10 л/кг; в стиральных машинах 0出= =5—7 л/кг.
РАСЧЕТ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ
РАБОЧИМ БАРАБАНОМ МАШИН СТИРАЛЬНЫХ И ХИМИЧЕСКОЙ ЧИСТКИ
В машинах химической чистки и в стиральных машинах с рабочим барабаном момент полезных сопротивлений в режиме мойки определяется из условий равновесия массы из- делнй и жидкости, находящихся, внутри подвижного внутреннего барабана.
При врйцении внутреннего барабана изделия, находящиеся в нем, .поднимаются под действием гребней. Одновременно с подъемом изделий поднимается часть жидкости. Масса изделий
и жидкости во вращающемся барабане принимает конфигура
цию цилиндрического сегмента, соответствующую в сечении контуру кругового сегмента ABD (рис. 67, а), несколько смещенно- му относительно вертикали в сторону вращения. При вращении центр тяжести Со занимает положение С и находится на расстоянии e = asinB от оси вра-
Рис. 67. Схема нагружения рабочего барабана:Рис. 67. Схема нагружения рабочего барабана:д_-схема действия нагрузки; 6—график использования объема барабанад_-схема действия нагрузки; 6—график использования объема барабанащения.
Рис. 67. Схема нагружения рабочего барабана:
Рис. 67. Схема нагружения рабочего барабана:
д_-схема действия нагрузки; 6—график использования объема барабана
д_-схема действия нагрузки; 6—график использования объема барабана
Величину 'общего момента сопротивления вращению барабана при установившемся движении определяют по формуле
Мс = Мюл+Мв.с,(1L6)
где Мцол = М1 + М2+Мз (”1+財2+ +Мз ——суммарный момент от силы тяжести一 соответственно массы изделий и части свободной рабочей жидкости, поднимаемой гребнями и вызываемый ударом изделий о жидкость) ;AfB.c=Af4+M5 (М4—момент от сил трения в опорах и уплотне- барабана о слой жидкости и со-
ниях в подшипниках; М5 — момент трения противления перемещению кольцевого ренним и наружным барабанами).ниях в подшипниках; М5 — момент трения противления перемещению кольцевого ренним и наружным барабанами).слоя жидкости в зазоре между внут-
ниях в подшипниках; М5 — момент трения противления перемещению кольцевого ренним и наружным барабанами).
ниях в подшипниках; М5 — момент трения противления перемещению кольцевого ренним и наружным барабанами).
Моменты MJn0J1=M1-[-M2 определяют из условий равновесия массы изделий и жидкости, занимающей пространство цилиндрического сегмента ABD, несколько смещенного относительно вертикали в сторону вращения на угол ₽.
ТогдаТогдаМ；°н=Ре = Ра sin 因М；°н=Ре = Ра sin 因(Н.7)(Н.7)где а ——расстояние от центра тяжести сегмента до оси О (величина а зависит от коэффициента использования объема барабана); Р — сила тяжести цилиндрического сегмента.
Тогда
Тогда
М；°н=Ре = Ра sin 因
М；°н=Ре = Ра sin 因
(Н.7)
(Н.7)
k=VJV2=Sil/(S2l)=R^a-sina)lK2^)^
— (a — sin а)/(2л), (П.8) где % и % — объемы соответственно сегмента и барабана; Si и S2 — площади сегмента и барабана; 2 и R——длина и радиус барабана； а — центральный угол сегмента.
График функции 々=f(a) =fi (и?, Уж) показан на рис. 67, б. Пользуясь этим графиком, можно легко найти значение центрального угла сегмента а для заданного значения 比 после чего расстояние от оси вращения барабана до центра тяжести С сегмента может быть определено из геометрической зависимости величины е и площади сегмента в функции угла а по формуле
Величина угла § зависит от степени заполнения барабана, размеров изделий, особенностей технологического процесса и
определяется поворотом барабана на угол, при котором изделия, отрываясь от его обечайки, падают. Отрыв изделий возможен при определенном соотношении силы тяжести и центробежной силы, определяющейся рабочей частотой вращения барабана.
араб V%p・
Наблюдениями установлено, что по достижении установившейся скорости(Оуст барабана обрабатываемая масса в барабане занимает положение при угле р<л/2. Обычно при расчетах принимают В % 60°.
Момент М3 оценивается коэффициентом удара (динамичности) ^д=1,1—1,2 в величине момента 7ИпОЛ» тогда
MUOil=(Mr+M2)k^(11.9)
Момент трения в опорах барабана определяют по формуле
где Рг ——геометрическая сумма сил от массы барабана, жидкости, изделий и напряжения ремней; f ——коэффициент трения в подшипниках (для шарикоподшипников /=0,001—0,004); г — радиус цапфы вала.
Момент на преодоление сопротивления в сальниках рассчитывают по формуле
M^Prfz.
где P=2p《r'i — сила трения сальниковых уплотнений (р‘ ——сила трения, отнесенная к единице рабочей поверхности набивки, /——длина сальникового уплотнения); г' — радиус вала, заклютенного в сальник; w—количество сальников.
Момент Mi составит
где 2 -^тр и 2 -^тр—суммарные моменты трения в подшипниках и уплотнениях.
Момент М5 может быть определен экспериментальным путем, подобно мешалкам
Afg=N5^<йуСТ=у* (*ож, р, D, /)»
где (Оуст—■ установившаяся угловая скорость вращения барабана; р — плотность жидкости; гж——жидкостный модуль ванны.
Часто момент М5 в расчетах не уч-итывают.
Механические характеристики электродвигателя и барабана показывают, что при разгоне электродвигателя и барабана от о)=0 до «уст в величине движущего момента МДв значительную часть занимает динамический момент Мд (см. рис. 50).
По э-копериментальным данным -известно, что большую часть
времени разгона машина работает при равнопеременном движении или близком к нему, поэтому можно считать
€=ds/dp Qconst
Пусковая мощность эл ектр од в ига тел я (кВт) определится по уравнению
"пуск"пускМежует 1000^Межует 1000^/喙t/喙t2тр-10002тр-1000(11.10)(11.10)
"пуск
"пуск
Межует 1000^
Межует 1000^
/喙t
/喙t
2тр-1000
2тр-1000
(11.10)
(11.10)
где Шуст—установившаяся угловая скорость электродвигателя, соответствующая номинальной частоте вращения о)н； Мс, / — приведенные к валу электродвигателя соответственно момент сопротивления и момент инерции масс; тр — время разгона электродвигателя.
Приведенный момент / включает момент инерции барабана, сегмента, заполненного массой т3, и ротора электродвигателя.
Время Тр равно
"уст
‘％=/ j ofw/ЛГд,(11.11)
6•
где Л4д=Л1дВ—Л!с — динамический момент при разгоне электродвигателя.
Учитывая, что разгон осуществляется при е=const и что в конце разгона Мд = 0, окончательно получаем *
Тр'-^-ЗуСГ(1U2)
Считают, что при реверсивном вращении барабана мощность электродвигателя, выбранную по средней пусковой мощности, следует увеличить ориентировочно на 30—50%.
^Мощность, потребляемую рабочим барабаном в режиме центробежного отжима, определяют с учетом периода разгона. В данный период мощность наибольшая, так как сюда входят затраты на преодоление инерции покоя масс внутреннего барабана и мокрых изделий с жидкостью, а также, сопротивления трения вращающихся элементов внутреннего барабана.
В период установившегося вращения мощность затрачивается на преодоление сопротивлений трения в опорах рабочего барабана и его обечайки о воздух.
Мощность, потребную для разгона рабочего барабана при отжиме, определяют по формуле
Д/рпМ+М+^Муст,(11.13)
где ^1 — мощность, затрачиваемая на преодоление инерции массы внутреннего барабана; У2 — мощность, затрачиваемая на преодоление инерции массы влажных изделий; йУуСт — часть мощности при установившемся вращении барабана (论=0,6 учитывает изменение угловой скорости при разгоне от з=0 до установившейся ш=шУст)-
202
Мощность М (кВт) равна
лУст
M = J Мр.б"唄000=Мр.бЗуст/1000, о
где Мр.б — крутящий момент, потребный для разгона барабана; d& — приращение угловой скорости барабана.
Момент Мр.б определяют по формуле, считая, что е« const 川 рб=/б&
где /д ■—момент инерции массы барабана; 8 ——угловое ускорение, равное 8》ст/Тр (Тр—время разгона внутреннего барабана).
Мощность 乂2 (кВт) определяют по формуле 孑уст
n2= f мP/唄000=0,联(染*"I000，
где Мр.з = / tdl —/и.зсре^0Л^и.зе — крутящий момент для разгона загрузки (7и.зср—среднее значение момента инерции массы загрузки, /и.з — значение момента инерции в начале разгона загрузки).
Мощность %ст (кВт) рав'на
N уст=工 ЛГуст^уст/1000,(И. 14)
гДе £ Муи = МА+МВ^М^(Ма и Мв — крутящие максимальные момен- тн от сил трения в опорах Л и В, вызванные неуравновешенной силой, вследствие неравномерной раскладки изделий; ^7 —крутящий момент, вызванный трением барабана о воздух. Моменты МА и Мв равны Ра,в^/а,в/2, гДе Ра,в ——реакции в опорах Л и В от неуравновешенной центробежной силы; / — коэффициент трения подшипников: dAtB — диаметры полуоси в подшипниках.
Момент MJ определяют по формуле N；1000/(o, где N；мощность, расходуемая на трение о воздух).
Избыточную неуравновешенную центробежную силу Р0M определяют iro формуле”
\Рц.м=т(о2е,(11.15)
где т ——массахмокрых изделий к моменту уста новившегося вращения бара- бана; е ——эксцентриситет раскладки изделий, равный гп(Yn — отноше-
нне массы одной половины кольца изделий во внутреннем барабане с меньшим значением к другой с большей массой; гп ——радиус центра тяжести полукольца изделий с большим значением массы от оси вращения Экспериментально установлено %口 = 0,8—0,9, e*0Q8R, R — радиус барабана [20]). Потребная мощность привода машины химической чистки в режиме - мойки и отжима в зависимости от загрузочной массы приведена на рис. 68.
ция НИЯция НИЯРис.Рис.требной мощности привода машины химической чистки в режиметребной мощности привода машины химической чистки в режиме68. График зависимости по-68. График зависимости по-мойки (/) . и отжима (2) от грузочиой массымойки (/) . и отжима (2) от грузочиой массыза-за-му движению жидкости, при котором происходитму движению жидкости, при котором происходито6о6(11. 16)(11. 16)
ция НИЯ
ция НИЯ
Рис.
Рис.
требной мощности привода машины химической чистки в режиме
требной мощности привода машины химической чистки в режиме
68. График зависимости по-
68. График зависимости по-
мойки (/) . и отжима (2) от грузочиой массы
мойки (/) . и отжима (2) от грузочиой массы
за-
за-
му движению жидкости, при котором происходит
му движению жидкости, при котором происходит
о6
о6
(11. 16)
(11. 16)
В отличие от стиральных машин барабанного типа в стиральных машинах с активатором рабочая нагрузка обусловлена созданием циркуляции wuikocth в баке. Интенсивная циркуля-
осуществляется при сравнительно большой частоте враще- активатора (8,6—13,3 об/с). При этом возникают 'потоки жидкости (основной ——в плоскости вращения активатора и вторичные—в направлении движения жидкости под действием центробежных сил, т. е. от центра оси вращения активатора к стенке бака), -вследствие чего у оси вра- щения активатора возникает пониженное давление. В область
пониженного давления всасывается жидкость от слоев, лежащих выше лопастей, в результате чего в баке циркулирует жидкость. Вторичные потоки, складываясь с основным потоком по кругово-
создают сложное движение жидкости, интенсивная циркуляция слоев жидко
сти по высоте. Интенсивность циркуляции возрастает с увеличением частоты вращения активатора, однако рост мощности, потребляемой активатором, опережает рост частоты вращения по кубической зависимости.
Для усиления осевого потока жидкости применяют активаторы с наклонными (винтовыми) ребрами ——лопастями (см. рис. 66, 6). При такой конструкции активатора увеличивается осевое давление жидкости.
Рабочая нагрузка в стиральных машинах с мешалкой включает нагрузку, обусловленную преодолением сопротивлений при перемешивании белья и жидкости и сопротивлением вследствие трения белья о стенку бака.
В период пуска активатора (мешалки) энергия расходуется в основном на выведение жидкости и белья из состояния покоя, т. е. на преодоление сил инерции. В рабочий период энергия расходуется на преодоление сил трения активатора о жидкость и белье, а также на образование завихренных потоков.
Сила сопротивления среды Рс в общем виде выражается
где 白——коэффициент сопротивления среды; h——высота вращающейся лопасти; ш——угловая скорость лопасти; х ——расстояние от оси вращения до элементарной площадки лопасти шириной dx; г——радиус лопасти.
詠詠204
詠
詠
I Мощность, необходимая для вращения активатора в рабочий период, равна “
(11.17)(11.17)Na—(,h^ I *3壮*=匸份国「4/4=(s询3/4,
(11.17)
(11.17)
где S—hr ——площадь, на которую действует сила сопротивления. -
Коэффициент 白 определяют опытным путем в зависимости от типа активатора и режима его движения. Пусковая мощность А% превышает рабочую Л^р в 2 и более раз в зависимости от типа активатора (мешалки). Однако эта мощность расходуется непродолжительное время. Поэтому мощность электродвигателя выбирают по мощности в рабочий период Np с учетом кратковременной перегрузки, характеризующейся соответствующей величиной коэффициента кратности пускового момента.
РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ РАБОЧИХ БАРАБАНОВ МАШИН СТИРАЛЬНЫХ И ХИМИЧЕСКОЙ ЧИСТКИ
Расчетные схемы рабочих барабанов приведены на рис. 69. Полуоси барабанов лежат на опорах и изгибаются под действием нагрузок от массы, натяжения ремней привода, окружного усилия от суммарного крутящего момента Мкр, раз-
Рис. 69.Рис. 69.Расчетные схемы рабочих барабанов：Расчетные схемы рабочих барабанов：■ — с боковым обслуживанием; б—с торцевым обслуживанием■ — с боковым обслуживанием; б—с торцевым обслуживанием
Рис. 69.
Рис. 69.
Расчетные схемы рабочих барабанов：
Расчетные схемы рабочих барабанов：
■ — с боковым обслуживанием; б—с торцевым обслуживанием
■ — с боковым обслуживанием; б—с торцевым обслуживанием
виваемого приводом на преодоление сопротивлений вращению бад^бана.•
% Силовые факторы нагружения характеризуются следующими допущениями:-
силу тяжести элементов* конструкции барабана считают равномерно распределенной на его длине
①=Р т.б/丄 6,
где Рт.б — сила тяжести барабана;厶一длина барабана;
сила тяжести загрузки, состоящая из изделий и жидкости, примерно распределенных по длине барабана,
Ph =Р Т.м/丄 6,
где Рт.м — сила тяжести изделии и жидкости (загрузки);
крутящий момент ЛГКр, развиваемый приводом на преодоление сопротивлений вращению барабана, определяют по формуле
Л1кр =1ООО^(о,
где N — мощность на полуоси барабана, кВт；
окружное усилие на шкиве от крутящего момента равно
Ро = Л1кр/А
где Rm — радиус приводного шкива;
результирующая сила Ррез, равная геометрической сумме сил натяжения ремней и усилия Ро.
Указанные выше нагрузки создают в опорах реакции РА и Рв_ Для барабанов с боковым обслуживанием (рис. 69, а) изгибающий момент в любом сечении части пролета от Л до 1 мо> жет быть определен по формуле
где Х[ — расстояние от опоры Л до проверяемого сечения.
В сечениях пролета от / до 〃 изгибающий момент
Мзг = %*2 Т〃£ + %)沁—/1)2/2.
В сечениях пролета от // до В изгибающий момент
МзГ=Р/*3 -4 (仍 + 〃厶)(*3 -厶-厶/2).
Приведенный момент от изгиба и кручения
mp=/死3鸣
Действующее напряжение в проверяемом сечении o=MipW,
где W——момент сопротивления проверяемого сечения..
；.^06
Йзгибающие моменты барабана с торцевым обслуживанием в сечениях обечайки и полуоси на расстояниях хь х2 и х3 от сечения / определяются аналогично по известным положениям расчета на нзгнб балки при соответствующем ее нагружении.
Реакции в опорах определяются из условий проекции сил на вертикаль и суммы моментов сил относительно какой-либо опоры.
Толщину обечайки выбирают исходя из условий работы в самом неблагоприятном расположении мокрых изделий ——во время центробежного отжима. При этом расчет обечайки на прочность производят аналогично расчету обечайки ротора центрифуги (см. ниже).
При расчете на прочность барабанов с торцевым обслуживанием (рис. 69,6) учитывают, что ведущий фланец является наиболее нагруженным (от изгиба под действием нагрузок от массы, окружного усилия Ро на шкиве и усилия натяжения ремней Рц, представляющих геометрическую сумму Ррез сил). Напряжения во фланце (без спиц) от изгиба определяют по формулам изгиба круглой пластины, заделанной по контуру (рис.
Рис. 70. Расчетная схема узла фланца рабочего барабана
на внутреннем контуре фланца
\1区执
на наружном контуре фланца 、
2 公执
где М©——.изгибающий момент в центре фланца; b ——толщина фланца;论］и Л2 ——коэффициенты, характерйзующиеея отношейием радиуса внутреннего
контура фланца Rb к наружному Rh и определяющиеся по следующим/дан- Я ным:1
Rb/Rh0,50,60,70,8I
自1,140,6350,4650,262|
也20,5730,4520,3250,212I
Напряжения во фланце со спицами|
о=Л1ф2р/(и^2),I
где 2Р — количество спиц, участвующих в работе (~2/3 г); IF — момент со- | противления сечения спицы;г — количество спиц. ||
Изгибающий момент 7Иизг=Л1ф у фланца барабана с торце- j внм обслуживанием (см. рис. 69)1
'盟|)= Ррез (4 +4 + 厶)+ РА (Л + 勾)一厶乙九I
у фланца барабана с боковым обслуживанием|
盟^/为+伐^仏+厶)，I
Так как полуось барабана обычно соединяется с ее торце- 1 вым фланцем болтами, то в процессе конструирования сбороч- 1 ной единицы барабана количество болтов и их диаметр опре- 1 деляют из условий их прочности.|
Изгибающий момент Мизг=М0 в плоскости опрокидывания 1 фланца (см. рис. 70) вызывает упругие удлинетия и напряже- | ния в болтах прямо пропорционально их расстояниям от оси 4 опрокидывания О——О фланца,. Учитывая это, а также выражая I усилие, приходящееся на каждый болт, через усилие Р【н верх- j нем болте напишем уравнение равновесия|
ЛГо=(У； + 2质十2d+ 2у：+圖 ~^~ 4(IL 18) I
Из этого уравнения определяют усилие Р〉|
Момент сопротивления площади стыка фланца полуоси с | фланцем барабана|
W = 0,1 ^d\一般)/右.I
Напряжение сжатия стыка под действием момента от усилий в 1 болтах, ура вновешивающего изгибающий момент^]
ac^MQIW.,
Площадь стыка《
Sctk="^(储-通.j
Необходимое общее усилие предварительнойзатяжкибол*,
тов из условия нераскрывания стыка с учетомкоэффициентаj
запаса 1,5 будет|
Ср审нее усилие предварительной затяжки болта
Р ii.3.6 = Рк.з.о/2, где г — количество болтов.
Сложное напряжение в материале самого напряженного1— верхнего болта с учетом его закручивания при предварительной затяжке
“uR/Se + Pg,/(饱 $6)《瓦°J, (11.19) где Sc — площадь сечения по внутреннему диаметру болта; k0 ——коэффициент одновременности работы болтов (0,75—0,80).
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ УПРУГОЙ ПОДВЕСКИ РАБОЧЕГО БАРАБАНА
С ДЕМПФИРОВАНИЕМ
В машинах химчистки и в стирально-отжимных машинах, работающих в режиме центробежного отжима, из-за неравномерности раскладки белья по контуру рабочего барабана- возникают значительные периодические динамические нагрузки^ передающиеся на опоры барабана и основание машины.Проход через резонанс при пуске и динамические нагрузки на неподвижные части машин зависят от значений массы m подвесной части (рис. 71), коэффициента упругости k (жесткости упругих элементов), постоянной 卮 характеризующей темп затухания, собственной ①。 и вынужденной Q частот колебаний, возмущающей силы Р° и определяются с достаточной точностью по формулам для системы с одной степенью свободы, для которой(оо=]Л k/m, 、右 c//n=2v, где 也 с ——коэффициент, равный величине демпфирующей силы при скорости колебаний, равной единице; коэффициент затухания.Во внерезонансной области при Q>1,3 so влияние затухания незнаВ машинах химчистки и в стирально-отжимных машинах, работающих в режиме центробежного отжима, из-за неравномерности раскладки белья по контуру рабочего барабана- возникают значительные периодические динамические нагрузки^ передающиеся на опоры барабана и основание машины.Проход через резонанс при пуске и динамические нагрузки на неподвижные части машин зависят от значений массы m подвесной части (рис. 71), коэффициента упругости k (жесткости упругих элементов), постоянной 卮 характеризующей темп затухания, собственной ①。 и вынужденной Q частот колебаний, возмущающей силы Р° и определяются с достаточной точностью по формулам для системы с одной степенью свободы, для которой(оо=]Л k/m, 、右 c//n=2v, где 也 с ——коэффициент, равный величине демпфирующей силы при скорости колебаний, равной единице; коэффициент затухания.Во внерезонансной области при Q>1,3 so влияние затухания незнаР中队俨0/2〃为/〃〃>〃/Р中队俨0/2〃为/〃〃>〃/РРО QО Qua§+&ua§+&7〃7〃竹任：-1| -у^-Р竹任：-1| -у^-Р777777777777777777Рис. 71. Расчетная схема 箱黑「^н МохРис. 71. Расчетная схема 箱黑「^н Мох
В машинах химчистки и в стирально-отжимных машинах, работающих в режиме центробежного отжима, из-за неравномерности раскладки белья по контуру рабочего барабана- возникают значительные периодические динамические нагрузки^ передающиеся на опоры барабана и основание машины.
Проход через резонанс при пуске и динамические нагрузки на неподвижные части машин зависят от значений массы m подвесной части (рис. 71), коэффициента упругости k (жесткости упругих элементов), постоянной 卮 характеризующей темп затухания, собственной ①。 и вынужденной Q частот колебаний, возмущающей силы Р° и определяются с достаточной точностью по формулам для системы с одной степенью свободы, для которой
(оо=]Л k/m, 、右 c//n=2v, где 也 с ——коэффициент, равный величине демпфирующей силы при скорости колебаний, равной единице; коэффициент затухания.
Во внерезонансной области при Q>1,3 so влияние затухания незна
В машинах химчистки и в стирально-отжимных машинах, работающих в режиме центробежного отжима, из-за неравномерности раскладки белья по контуру рабочего барабана- возникают значительные периодические динамические нагрузки^ передающиеся на опоры барабана и основание машины.
Проход через резонанс при пуске и динамические нагрузки на неподвижные части машин зависят от значений массы m подвесной части (рис. 71), коэффициента упругости k (жесткости упругих элементов), постоянной 卮 характеризующей темп затухания, собственной ①。 и вынужденной Q частот колебаний, возмущающей силы Р° и определяются с достаточной точностью по формулам для системы с одной степенью свободы, для которой
(оо=]Л k/m, 、右 c//n=2v, где 也 с ——коэффициент, равный величине демпфирующей силы при скорости колебаний, равной единице; коэффициент затухания.
Во внерезонансной области при Q>1,3 so влияние затухания незна
Р中队俨0/2
〃为/〃〃>〃/
Р中队俨0/2
〃为/〃〃>〃/
Р
Р
О Q
О Q
ua§+&
ua§+&
7〃
7〃
竹任：-1| -у^-Р
竹任：-1| -у^-Р
777777777
777777777
Рис. 71. Расчетная схема 箱黑「^н Мох
Рис. 71. Расчетная схема 箱黑「^н Мох
чительно и может не учитываться. В этих случаях абсолютное значение амплитуды Лд вынужденных колебаний можно считать по формуле
也 \1~Q2/^)/
Снижение собственной частоты колебаний (о0 выгодно, поскольку' при этом проход через резонанс (s=Q) будет совер-
шаться при меньших оборотах барабана с меньшей затратой энергии, т. е. при меньших затратах на преодоление вибрационных потерь, так как с уменьшением со перемещения, скорости и ускорения колебаний рабочего органа резко снижаются.
Величина сопротивления гидроамортизаторов Рс пропорциональна скорости колебательного движения.
С увеличением суммарной силы сопротивления, назначение которой характеризуется коэффициентами kc и v, уменьшается значение амплитуды колебания при резонансе. Следовательно, гидроа мортизаторы необходимо подбирать по значению коэффициента 々с・ Следует учитывать, что с увеличением силы сопротивления гидроамортизаторов возрастают динамические нагрузки на несущие конструкции в период отжима.
Амплитудное значение возмущающей силы определяют по формуле
Po = mQrQt(11.20)
где 7ИО — масса дисбаланса; ч — эксцентриситет.
Для нормальной (без значительных вибраций) работы машины в режиме отжима допустимо, когда то=О,15 m3(m3 — расчетная загрузоина兄 масса) при gR§ (欠6 — внутренний радиус барабана).
По вычисленному значению Ро определяют с -помощью формулы (11.20) абсолютное значение амплитуды Лд в установившемся режиме отжима.
Динамические нагрузки, передаваемые на несущие конструкции и фундамент при работе машины, характеризуются частотой и величиной передаваемой части возмущающей силы Ро.
Величину передаваемой силы на фундамент определяют по формуле
.(ц,21)
Ф /(1 — 22/(о2)2 十 VQ2/UJ4'/
7?б — 0,38 м;色二 1100 Н • с/м;1100 厂”F=5,8 1/с;m 3,14-802 .Q =』^ = ——^ 84 рад/с.7?б — 0,38 м;色二 1100 Н • с/м;1100 厂”F=5,8 1/с;m 3,14-802 .Q =』^ = ——^ 84 рад/с.Пример. Определить величину передаваемой возмущающей силы на фундамент стирально-отжимной машины АСМО-18 и коэффициент передачи силы при следующие данных: т3 — 18 кг;
7?б — 0,38 м;
色二 1100 Н • с/м;
1100 厂
”F=5,8 1/с;
m 3,14-802 .
Q =』^ = ——^ 84 рад/с.
7?б — 0,38 м;
色二 1100 Н • с/м;
1100 厂
”F=5,8 1/с;
m 3,14-802 .
Q =』^ = ——^ 84 рад/с.
тг = 84 об/мин;
т — 210 кг;
(о = 17,7 рад/с;
Амплитудное значение возмущающей силы определяем по формуле Ро = 0,15-18-9,81 •0,38-842^7340 Н.
Величину передаваемой силы Р© на фундамент определяем по формуле
(11.21) без учета затухания(Y=0)
7340尸巾=f^340 H；
—：-— 1
17.72
с учетом затухания
尸巾=尸巾=842 \25,82・84217^/ + 17,74842 \25,82・84217^/ + 17,74734073401 +1 +5,82・84217,74 —5,82・84217,74 —^ 640 Н.^ 640 Н.
尸巾=
尸巾=
842 \25,82・842
17^/ + 17,74
842 \25,82・842
17^/ + 17,74
7340
7340
1 +
1 +
5,82・842
17,74 —
5,82・842
17,74 —
^ 640 Н.
^ 640 Н.
Коэффициент передачи силы
也口.с = 640: 7340 = 0,087.
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ РАБОЧЕГО БАРАБАНА СУШИЛЬНОЙ МАШИНЫ
Рис. 72. Схема положения изделий при вращении рабочего барабана в сушильной машине:Рис. 72. Схема положения изделий при вращении рабочего барабана в сушильной машине:Сушильные машины барабанного типа по своему кон стр уктивном у устройству аналогичны стиральным машинам с торцевым обслуживанием, только в них вместо моющих растворов и воды подается горячий воздух и внутренний (рабочий) барабан имеет одностороннее вращение (рис. 72,6).
Рис. 72. Схема положения изделий при вращении рабочего барабана в сушильной машине:
Рис. 72. Схема положения изделий при вращении рабочего барабана в сушильной машине:
Вместимость сушильных барабанов доходит до 25 дм3 на 1 кг сухих изделий. Скорость на окружности работего барабана составляет 2,2—2,3 м/с. Скорость движения воздуха по воздуховодам колеблется от 4 до 6 м/с.
Вместимость рабочего барабана определяют по формуле
а—в период разгона; 6—при установившемся движении -а—в период разгона; 6—при установившемся движении -V6=m3vQk9
а—в период разгона; 6—при установившемся движении -
а—в период разгона; 6—при установившемся движении -
10一3 мз/кг; k — коэффициент, учитьгвя-10一3 мз/кг; k — коэффициент, учитьгвя-где т3 ——загрузочная масса; и。—— удельная вместимость (для белья — 25・1。13 мЗ/кг, для одежды (16—17)
10一3 мз/кг; k — коэффициент, учитьгвя-
10一3 мз/кг; k — коэффициент, учитьгвя-
ющий объем, занимаемый гребнями (々=1,02——1,06).
В практике значение диаметра барабана принимают для белья— Z)6=(0,115-нО, 135) для одежды Z)6=(0,135 -s- ^0,I50)/I/6.
В зависимости от движения воздуха через изделия сушильные машины разделяются на машины с подачей его сверху вниз, снизу вверх и в бельевое кольцо.
По источнику энергии калориферы разделяются на нагреваемые паром, газом и электричеством.
По принципу работы сушильные машины барабанного типа можно разделить на машины с системой однократного и частичного использования отработавшего воздуха с рециркуляцией. Вместе с тем существуют сушильные машины с замкнутой
циркуляцией воздуха (сушильно->рекуперационные системы машин химической чистки).
Расчет потребного - количества воздуха и количества удаляемой влаги в процессе сушки (массообмена) рассмотрен в специальной литературе.
Продолжительность сушки хлопчатобумажных изделий в сушильных машинах барабанного типа составляет примерно 30 мин. Температура подав'аемого в барабан воздуха 90—100℃, а выходящего из машины — 40—50° С.
Влажность изделий, поступающих в сушку, должна быть не выше 40—45%.
Для машин химической чистки, работающих на хлористых растворителях, температура воздуха на входе в барабан 50― В0℃ (в зависимости от вида растворителя). При выходе из барабана температура воздуха 30—60℃, на выходе из конденсатора 10—15℃.
Время основной сушки и проветривания занимает не менее 25 мин.
Наибольшую мощность потребляет барабан в начальный период, когда изделия еще достаточно не распределены по внутренней поверхности обечайки барабана и при этом они занимают положение цилиндрического сегмента, у которого центр тяжести смещен относительно оси вращения (рис. 72,а). Следовательно, полезное сопротивление определяется по аналогии с процессом работы моечного барабана при 沁75°. В последующий период его вращения величина расстояния а (см. рис. 67, а) уменьшается вследствие большей равномерности распределения изделий по поверхности обечайки барабана, и потребляемая барабаном мощность М уменьшается.
Оптимальная частота вращения рабочего барабана в процессе сушки определяется величиной центробежной силы 尸用 при которой изделия находятся во взвешенном состоянии и неплот- но прижимаются к его стенке, занимая положение кольца.
Величину силы & принимают равной 1,06 от силы тяжести изделия Рт или
Рц=ФРт=1,06Рт,(11.22)
где@=s2Rcp/g= (2”z)2Rcp/g；(11.23)
Rcp ——средний радиус кольца изделий.
При этом расчетная рабочая частота вращения барабана будет равна
l,06g/(4m%)=圭 Н ,06g/Qp.(11.24)
В конце сушки потребление мощности снижается еще за счет уменьшения массы высушенных изделий.
Вредные сопротивления при вращении барабана складываются из сопротивлений, обусловленных трением изделий, трением в опорах и трением воздуха о стенки барабана.
Момент сопротивлений от трений изделий и стенок барабана о воздух учитывают путем введения поправочного коэффициента 々с=1，2 к общей мощности, затрачиваемой на вращение барабана
『跳低^+%). (U.25)
Глава XII
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ОТЖИМНЫХ МАШИН
РОТОР ЦЕНТРИФУГИ
Центробежный отжим влаги из изделий (одежды)——наиболее эффективный способ отжима до относительной влажности (40—50%).
Удаление влаги из изделий при центробежном отжиме основано на использовании центробежной силы, развивающейся при быстром вращении рабочего органа центрифуги — ротора, в который закладывают изделия, подлежащие отжиму. Центробежная сила действующая на массу материала изделий, создает внутреннее давление в слоях' материала, кроме того, эта сила иепосредственно действует на массу самой влаги. В результате влага стремится удалиться из материала.
Для характеристики величины напряженности центробежного силового поля используют термин «фактор разделения».
Фактор разделения является величиной безразмерной, показывающей соотношение центробежной силы 尸耳，действующей на единичную массу на рассстоянии г, к силе ее тяжести Рт
0=FJ2=l・d〃(Lg) = o)2〃g. (12.1)
Центрифуги различной вместимости в принципе одинаковы, однако конструкции опор роторов вносят определенные различия в конструкцию центрифуг. Так, одноопорные центрифуги (рис. 73, а) имеют ротор 1, опорный стакан 3 и резиновое амортизационное кольцо 2 с основанием 4. Трехопорные центрифуги (рис. 73,6) снабжены ротором 5, кожухом 6 и корпусом 7 со стаканом 8. Крепление к основанию 10 осуществляется посредством упругих подвесок 9. У центрифуг со скользящими опорами 12 (рис. 73,6)амортизация ротора 11, установленного на этих опорах, осуществляется посредством упругих элементов 13, которые установлены на основании 14.
Ротор центрифуги выполнен из листовой нержавеющей или конструкционной стали с последующим нанесением антикоррозионного покрытия. Обечайка ротора должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать напряжения, возникающие при рабо-
Рис. 73. Расчетные принципиальные схемы центрифуг:а—одноопорной; 6—трехопорной； в—со скользящими опорами；Л 5 и 11—роторы; 2—кольцо амортизационное; 3 и 8—стаканы： 4, 10 и 14— основания; 6—кожух; 7—корпус: 9—подвески; 12—скользящие опоры; 13—упругие элементы 'Рис. 73. Расчетные принципиальные схемы центрифуг:а—одноопорной; 6—трехопорной； в—со скользящими опорами；Л 5 и 11—роторы; 2—кольцо амортизационное; 3 и 8—стаканы： 4, 10 и 14— основания; 6—кожух; 7—корпус: 9—подвески; 12—скользящие опоры; 13—упругие элементы '
Рис. 73. Расчетные принципиальные схемы центрифуг:
а—одноопорной; 6—трехопорной； в—со скользящими опорами；
Л 5 и 11—роторы; 2—кольцо амортизационное; 3 и 8—стаканы： 4, 10 и 14— основания; 6—кожух; 7—корпус: 9—подвески; 12—скользящие опоры; 13—упругие элементы '
Рис. 73. Расчетные принципиальные схемы центрифуг:
а—одноопорной; 6—трехопорной； в—со скользящими опорами；
Л 5 и 11—роторы; 2—кольцо амортизационное; 3 и 8—стаканы： 4, 10 и 14— основания; 6—кожух; 7—корпус: 9—подвески; 12—скользящие опоры; 13—упругие элементы '
те центрифуги. В отдельных случаях обечайку укрепляют бандажами. Полезную вместимость ротора центрифуг с цилиндрической обечайкой определяют по формуле
『P=W〃P —几 т，(12.2)
где Dp и Яр — соответственно диаметр и высота ротора; Уст — объем, занимаемый ступицей.
Полезная вместимость ротора % соответствует вместимости определенной загрузочной массы изделий
Vp=uym3,(12.3)
где Uy——удельная вместимость ротора (5—6 дм3/кг); т3 — загрузочная масса изделий в воздушносухом состоянии.
Различают две конструкции роторов производственных центрифуг. В одной из них ступица (рис. 74, а) является одновременно тормозным ободом и корпусом для размещения сборочной единицы подшипников вала, в другой (рис. 74,6) ―• ступица является углубленным днищем ротора, позволяющим снизить он- рокидыва^эщий момент от неуравновешенной центробежной силы.
Некоторые конструкции роторов центрифуг бытовых стиральных машин имеют обечайку в виде усеченного конуса с перфорированным днищем (рис 74,8). Такая форма обечайки ротора обеспечивает скольжение изделий вдоль образующей при условии, что
m^r sin а + mg cos а〉/ (加切2r cos а — mg sin а),
214
где т — масса частицы, примыкающей к обечайке; г — радиус; а — угол наклона образующей конуса; f — коэффициент трения.
Из этого неравенства получаем
tga> 加2r •—；tga> '①,
так как Ф》* 1/Ф — величина малая.
Рис. 74. Схемы роторов центрифуг:
а—с выступающей ступицей; 6——с углубленной ступицей; 8—бытовой центрифуги
Для уравновешивания и нормальной работы центрифуги подвешивают к основанию по способу маятника или устанавливают на специальные амортизационные устройства. По конструкции опоры центрифуги разделяются на одноопорные, трехопорные и со скользящей опорой (см. рис. 73).
На обечайку ротора действует суммарная центробежная сила, растягивающая стенку обечайки в сечении 尤一尤(рис. 75, а) и стремящаяся ее оторвать.
Суммарная центробежная сила равна
"Н=尸1 +尸2+尸3+尸4, (12.4)
где Fi — центробежная сила, приложенная к центру тяжести полукольца обечайки; F2.——центробежная сила, приложенная к центру тяжести массы полукольца загрузки; F3一 центробежная сила, приложенная к центру тяжести полукассеты; 尸4 — центробежная сила, создаваемая неравномерностью вращающихся масс вследствие неравномерной раскладки в роторе отжимаемых изделий.
2
где /п ——масса обечайки ротора; г。=—/*сР ——радиус приложения силы.
尸 2 = —^—G.T，
где /Пз — масса загрузки к моменту установившегося вращения ротора; Гц.т — расстояние (радиус) центра тяжести полукольца загрузки от оси вра- щеняя
Рис. 75. Расчетные схемы обечайки ротора:
。一сил, действующих иа обечайку ротора: б——сил, действующих в сопряжении обечайки и днища; в—сил, действующих на элемент обечайки
4 一 г：
где гн и гв ——наружный и внутренний радиусы полукольца загрузки. р тик' _ / 3—2 ПК，
где /Пик ——масса полукассеты; гцк — радиус центра тяжести полукассеты.
尸4=恤(0%,
где е — эксцентриситет загрузки (еа0,08 Гц.т).
Исследования показывают, что кольцевые напряжения в обечайке ротора центрифуги всегда больше радиальных и достигают максимальных значений на внутренней поверхности.
Для обечайки без учета влияния днища ротора напряжение растяжения (тангенциальное, кольцевое) определяют по формуле
2 尸/26"。包，(12.5)
где 6 ——толщина обечайки； Яо ——высота обечайки; й0=(5——d)/s — коэффициент ослабления сечения обечайки отверстиями (s ——шаг отверстий, d ——диаметр отверстий).
Определим значения напряжений в опасном сечении в месте сопряжения обечайки с днищем ротора.
216
На кольцевую часть обечайки действует реакция днища в виде поперечной силы Q' и изгибающего момента ЛГИзг, стремящихся прогнуть их внутрь -—уменьшить радиальную деформацию (рнс. 75, 6).
Обозначим интенсивность перерезывающей силы и изгибающего момента, отнесенных к единице длины серединной поверхности окружности обечайки, через р； и mz; радиус серединной окружности обечайки г, толщина ее стенки 6.
Выделим на обечайке полоску шириной, равной 1 (рнс. 75,8), и определ1им коэффициент жесткости (упругости) k при изгибе полоски.
Относительная кольцевая деформация полоски ^ = ylrt кольцевое напряжение 仇-Еу/r, а кольцевые силы на единицу длины. Р-=8 (6 — толщина полоски).
Относительные деформации полоски по осям ОХ и OZ при изгибе
①)=0,
где Е ——модуль упругости материала; рк ——радиус кривизны; Ц一коэффициент Пуассона.
Напряжение ож и oz для полоски
£Е у£城
е = — ; о =х=■
РкРк1 —曲 ” 1 — м Рк 1 — М 1 —世2
Рк
Рк
Изгибающий момент для всего сечения полоски 0,560,55
f J(1一必)％ J ' "12(1 — М)Рк
—0,55—0,53
Следовательно, кривизна полоски
*1 _12mMi - 曲)_ml L
工一 ~—，
где Ся=£63/12(1—g2) —изгибная цилиндрическая жесткость.
Как известно из теории сопротивления материалов, дифференциальное уравнение изогнутой оси горизонтальной полоски как балки, лежащей на упругом основании, описывается уравнением
Е/d4yldx*=—ky.(12.6)
Для наших условий
Ск找= М &=£/ или 总=-4附，(12.7)
dX47*2/-2dX4
Левая.часть уравнения представляет собой силу упругости в сетении полоски, а правая ——реакцию внешней распределен-
ной нагрузки 0T действия центробежных сил давления, пропорциональную прогибу у (по оси ОУ), изменяющемуся по высоте обечайки ротора (ось 0Z)
Решение уравнения (12.7) имеет вид
[死 c°s 跳-^mt (cos 旣—Sim 映)].(12.8)
Данное уравнение характеризует волнообразную кривую с быстрым затуханием с периодом 2r и длиной волны / (см. рис. 75,6).
p/ = 2Г；/== 2г]/ .
В И 3(1-曲)
При небольшой толщине стенки б зона деформации полоски невелика и напряжения быстро падают уже вблизи стыка днища с обечайкой.
Прогиб от нагрузки определяют при подстановке х=0:
y=~^{Pi-^-X(12.9)
а угол, наклона касательной к упругой линии в этой точке получается дифференцированием уравнения (12.8):
*=(割…-太⑵-2叫).*=(割…-太⑵-2叫).(12.10)(12.10)
*=(割…-太⑵-2叫).
*=(割…-太⑵-2叫).
(12.10)
(12.10)
Считаем, что при надлежащей жесткости днища и сопряжения стенки с днищем угол наклона равен 0, а радиальное перемещение днища под действием сил р； ничтожно мало, т.上・ сближение днища с обечайкой происходит за счет деформации изгиба стенки обечайки. Следовательно, из уравнения (12.9) и (12.10) имеем ，
誅№-М) = А， (12.11) 鳥丁⑵ -20叫)=。или ^ = 2₽тг, (12.12).
где А — суммарная радиальная деформация обечайки за счет центробежной силы, действующей на массу обечайки, Ai и давления материала на ее стенки Д2.
Значение А определяется суммой
Д=Д1+Д2,
где Д1 = рш2г3/Е (р ——плотность материала обечайки, г—текущий радиус точки по сеченню стенки).
218
Значение & определяют так:
厶 2=^=£Е=十若伉-司3，(12J3)
где а — напряжение изгиба стенки обечайки; р ——давление на стенку обечайки от слоя загрузки р3 и 6з—плотность материала н толщина слоя загрузки; гн и га — радиусы кольца слоя материала загрузки.
, На основании уравнений (12.11) и (12.12) получаем
皿=2 俨 СИА,(12.14)
卩=4俨e心.(12.15)
Напряжения изгиба и сдвига, вызванные моментом ги, и силой 仞：
°%ах = М"/取=6/戸，(12,16)
T'=Q'/16=pc/6,(12.17)
где Q' — поперечная сила.
На условия работы вала и, следовательно, на особенности его расчета влияет конструкция опор центрифуги.
Рассмотрим расчет вала одноопорной и трехопорной центрифуг.
На вал одноопорной центрифуги (см. рис. 73,а) действуют усилия от силы тяжести 卩工 вращающихся масс mt изгибающий момент от избыточной центробежной силы М覽欧 и гироскопический момент Мт.
Изгибающий момент от избыточной центробежной силы
Мизг=т(о12е(/+/3),(12.18)
где Z3 — расстояние от места крепления ротора до расчетного опасного сече* ння, которым является среднее круговое сечение верхнего подшипника, расположенного ближе к месту крепления ротора.
При вращении ротора в нем возникают гироскопические явления, связанные с тем, что под действием внешней нагрузки (момента от силы тяжести) геометрическая ось OD, проходящая через неподвижную ось точки на опоре и центре тяжести Ci загруженного ротора, наклоняется на угол а, т. е. угол нутации (рис. 76, а), который определяется условиями динамического равновесия.
На ось OD действует гироскопический момент, представляющий главный момент сил инерции, численно равный
Mr=/z®S2sin а,(12.19)
где Iz — момент ннерцин ротора относительно оси снмметрнн oz; ©i и о)2 — угловые скорости ротора относительно.
грузки.грузки.Гироскопический момент действует в плоскости, перпендикулярной той плоскости, где действует момент от внешней на
грузки.
грузки.
Ротор находится в динамическом равновесии, описывающемся уравнением
鸠=/初192 sin a = рt/ sin a.
(12.20)
Действуя на ось ODf гироскопический тинный момент Мо в заделке, т. е. в опоре
Таким образом, имеем Мт — М^
Угол нутации а при жесткой опоре вала
момент создает реак- 0.
центрифуги по длине
вала является переменным.
С целью снижения нагрузки ротора на опору от момента МОт динамических нагрузок на опору О и осно
снижения величины
z
рт
с
0 a о
S '
вание центрифуги, опору выполняют «пла- j вающей», применяя при этом кольцевой уп- ругий амортизатор 2 (см. рис. 73,а).
Снижение чувствительности центрифуги i к неуравновешенности ротора и снижение динамических нагрузок на основание дости- j гается путем применения шарнирного креп- ? ления ротора с его валом (рис. 76, б). J В процессе разгона ротор под действием j гироскопического момента поворачивается j относительно шарнира, стремясь занять свое j устойчивое равновесное положение, обус-] ловленное значением Мг в установившемся ] движении, т. е. ротор самоцентрируется по 1 отношению к оси 0Z.
Гироскопический момент1
Мг = 厶 ~~ 厶 + 々п /Пео^р#,八十2
(12.21)
Рис. 76. Схемы рабочих положений вала одноопорной центрифуги:
а—■с жестким валом; 6— с шарнирным валом
где /0—1 момент инерции вращающихся ~масс относительно оси симметрии; /а—экваториальный момент инерции вращающихся масс относительно оси, проходящей через центр тяжести;论"一коэффициент влияния.
Так как Л103r и Мг действуют во взаимно перпендикулярных плоскостях, то приведен-
ный момент
MpW砥不码
(12.22)
Действительный изгибающий момент, действующий в опасном сечении
М =財 пр 论《ц,
где йд -— коэффициент динамичности конструкции в момент прохождения критической скорости (йд.Кр = 1/v ——коэффициент динамичности критический; V——коэффициент затухания, равный 0,8—1; для скорости установившегося вращения 以= Wp/*，гДе ®кР — критическая угловая скорость)
Напряжение в опасном сечении вала, в точке максимального сжатия,
о=4Рт/^2+32Л1/^3,(12.23?
где Рт——сила тяжести сборочной единицы ротора и загрузки; d——диаметр' вала в опасном сечении.
Величина допускаемого напряжения
[Одап]^3 От 仇 з.
где От — предел текучести материала вала; й3 — коэффициент запаса.
Величину о)нр определяют из условий резонанса по формуле-
(12.24>(12.24>
(12.24>
(12.24>
где 也н и 论22——коэффициенты влияния;
自1 = 4 (4+")优百,局2=1/融汇
也一коэффициент упругости амортизатора.
Следовательно, при увеличении расстояния 乙+Z между точкой крепления ротора к валу и центром тяжести вращающихся' масс и при установке упругой опоры величины юКр, зкр/® и 紘 уменьшаются. Это расстояние выбирают с учетом габаритных. размеров центрифуги.
Для предварительных расчетов
где Рр—диаметр ротора.
Для трехопорной центрифуги
и)кр=|//Г^-(1+y-j ；(12.25》
Л1Изг=те®21 (；! + /);
Л1—А1из^/^д.
Коэффициент динамичности, напряжения в материале вала： и другие величины определяют аналогично одноопорным центрифугам.
На опоры трехопорной центрифуги попеременно действуют изменяющиеся опрокидывающие моменты (рис. 77, а).
Максимальная величина опрокидывающего момента относительно центра тяжести 0. когда центр тяжести находится в плоскости амортизатора ，
%=0,5f也(12.26)
где 0,5 — примерная величина, учитывающая уменьшение опрокидывающего
■момента вследствие действия инерционного момента Л4и=/е (/ — момент инерции массы, е — угловое ускорение).
Статическая нагрузка на пружину амортизатораРа = Р/3,
где Р=Рп4-РзЧ-Рб+Рдо1г 一 общая масса, включающая соответственно массу подвешенной части центрифуги, массу электродвигателя, массу мокрого белья, дополнительную массу для уравновешивания электродвигателя относительно оси вращения ротора.
Сила сжатия нижних пружин, направленная вниз, например в точке Л расположения амортизатора (рис. 77, б),
Рпр Модр/%, где /2 — плечо силы.
Осадка нижних пружин при статической нагрузке
%=九1 +九2,
где 九 1,九2 — осадки соответственно от сил Ра и РПр.
Осадка верхних пружин при динамической нагрузке при двойном ходе верхних пружин, когда возмущающая сила направлена вверх и если осадка 入2 равна осадке 九2’一 предварительного натяга верхних пружин,
九2 +九2' =%2+九2 = 2%2.
Напряжение кручения в сечении верхней пружины от действия. динамической силы Рд=2Рпр, соответствующей значению осадки 2九2,
т/ = 8_Оср2Рцр/nd3.
Частота свободных колебаний пружины должна быть
^o—VglK 詮 °>кр・(12.27)
Период колебания
Т=2лМ 入 z/g・(12.28}
На рис. 77, в приведен график последовательного изменения сил сжатия пружин амортизаторов, откуда видно, что эти силы изменяются по закону синусоиды с одинаковой интенсивностью для всех амортизаторов. Текущие значения опрокидывающих моментов в плоскости осей
х—х Мх=ТИопр cos а,у—у 嶋=Л401rp sin а.
Величину действующих на каждую пружину сил в данный момент времени определяют как алгебраически суммарное значение их от моментов 此 и Му с учетом плеч сил /2 или Г, на которые действуют эти силы относительно опор А, В или С.
Так, например, на амортизатор С будет действовать сил建 Php = MJ12, а на амортизаторы А и В — сила
/=m認2士嶋/，.(12.29>
ПРИВОД ЦЕНТРИФУГИ
Энергия при центрифугировании расходуется в двух: характерных периодах: в период пуска центрифуги и в период, самого процесса отжима.
В период пуска преодолевается инерция ротора и загрузки： (массы изделий). Частота вращения ротора при этом увеличивается от нуля до постоянного значения, при котором происходит отжим. Кроме того, в пусковой период мощность расходуется на преодоление трения вала центрифуги в подшипниках и ротора о воздух.'
Расход энергии на преодолении инерции ротора, считая движение равноускоренным,
2，(12.30>
где /р — момент инерции ротора;(о — средняя угловая скорость ротора.
Расход энергии на преодоление загрузки с учетом изменения радиуса массы загрузки
\ d/з 0,375岩.(12.31>
преодоление(12.32)преодоление(12.32)Расход энергии в единицу времени (кВт) на инерции
преодоление
(12.32)
преодоление
(12.32)
и тп.1000
где Тп ——продолжительность пуска.
На преодоление трения вала центрифуги в подшипниках мощность, кВт,
(加P+m3)g/尸0)
-*V td■ ■",
₽1000
где f — коэффциент треиия в подшипниках; г — радиус вала центрифуги.
На преодоление трения барабана о воздух затрачивается мощность, (кВт), определяемая по эмпирической формуле
MfsPd[况(1+5^)+龙(1+5襄)],(12.33)
тле йэ—экспериментальный коэффициент, равный 3--10-6; р ——плотность воздуха; Ов ——внутренний диаметр кольца, образованного уплотненными изделиями; 〃в ——высота кольца изделий.一
Пусков ая мощность
Nr=Nh+N^p+Nr.(12.34)
Отжим происходит при постоянном числе оборотов ротора; расход мощности на преодоление инерции равен нулю, поэтому мощность, расходуемая при отжиме, определяется так:
乂=叫什小，(12.35)
«обычно
N°=<0,25+0,30)Nn・
Эл ектр одни г ател ь центрифуги подбирают по пусковой мощности.
Для обеспечения плавного пуска и торможения ротора применяют центробежные кулачковые и гидродинамические муфты. Центробежная сила, разниваемая одним кулачком 2 центр。- бежной муфты (рис. 78, а) при прижиме к корпусу /
где z ——число тормозных кулачков; f ——коэффициент трения прокладки (ао бест по чугуну /=0,3); Рт—сила тяжести кулачка; гц.т — расстояние центра тяжести кулачка от оси вращения шкива.
Крутящий момент на валу ротор а с гидродинамической муфтой (рис. 78, б) *
= М2 п，
.几2
7И,——крутящий момент, передаваемый центробежной муфтой; я,——частота вращения гидродинамической муфты; п2 ——частота вращения ротора цеитри- -фуги; n=0,9S ——К.ПД клиноремеиной передачи привода на корпус муфты.
Рис. 78. Схемы устройств привода и определение времени разгона центрифуги:Рис. 78. Схемы устройств привода и определение времени разгона центрифуги:
Рис. 78. Схемы устройств привода и определение времени разгона центрифуги:
Рис. 78. Схемы устройств привода и определение времени разгона центрифуги:
а—центробежной муфты; б—гидродинамической мУ“ты; в—шииио-лневматического тормоза; г—график для определения временя разгона центрифуги: / ™ корпус; 2 — кулачок; 3—шкив; 4—обод; 5—ниппель; 6—накладка; 7—ш^ив тормоза； 8—^баллон
Угловое ускорение при разгоне в условиях равноускоренного вращения
е=Ми//= (М — 0,6WM)〃，(12,36)
где Мн ——крутящий момент, расходуемый на преодоление инерции покоя массы ротора с загрузкой при разгоне; / ——момент Инерции ротора; WM — суммарный крутящий момент иа валу ротора при установившейся частоте вращения, равный М+М2+М3+М4 (соответственно моменты от трения: обечайки о воздух, в опорах от горизонтальных сил давления, от вертикаль' ной силы давления, в уплотнениях); 0,6 ——коэффициент уменьшения суммарною крутящего момента вследствие изменения угловой скорости ротора оГ 。ДО (Оуст；
Время разгона ротора до скорости установившегося враще
ния (Оуст
- 0,6 2-W)-,12.37)
Торможение ротора центрифуги после окончания процесса центробежного отжима или же экстренная остановка машины производится с помощью различных тормозных, устройств.
На рис. 78,6 показана схема шинно-пневматического тормоза, который является более удобным в ремонте, так как не тре・ бует разборки многих сборочных единиц машины.
Муфта состоит из обода 4, шиннснпиевматнуеского баллона 8, фрикционной накладки 6 и ниппеля 5. При торможении ротора
8 Заказ № 266225
в баллон через ниппель подается сжатый возух. Баллон расширяется и захватывает фрикционными накладками тормозной шкив 7, установленный на валу ротора. Тормозной момент передается через обод 4, укрепленный на корпусе центрифуги. Такой тормоз равномерно передает нагрузку на поверхность тормозного шкива.
Необходимый тормозной момент определяют по выражению
7Ит=71(оУст/тт,(12.38)
где 厶——тормозной момент инерции ротора с загрузкой в конце цикла отжима; тт — длительность торможения.
Расчетное тормозное усилие
Рт = 2Мт/0т,
где %—диаметр тормозного шкива.
Давление на поверхности тормозного шкива р —- Рт/лЬ/^щ, где b — ширина фрикционной накладки.
Время пуска и торможения привода центрифуги можно определить, решив уравнение движения привода
也(З)=к(З)+…)*+m(叽也(З)=к(З)+…)*+m(叽(12.39)(12.39)
也(З)=к(З)+…)*+m(叽
也(З)=к(З)+…)*+m(叽
(12.39)
(12.39)
Входящие в уравнение М^, I, Мс и Мт являются сложными функциями угловой скорости ротора центрифуги, вследствие чего аналитическое решение его связано с большими трудностями. В этом случае целесообразно воспользоваться графоаналитическим методом, используя экспериментальные кривые механических характеристик %в(з) и Мс (з), а также / (з).
Учитывая, что масса изделий и, вследствие этого, момент инерции ротора с загруженной массой являются переменными в период отжима, экспериментальную кривую /=/ (з) строят на основе данных количества удаляемой влаги за отдельные промежутки времени. По известным значениям массы изделий для каждого момента центрифугирования определяют плотность и момент инерции этой массы. Для периода пуска Мц(з) = =Мдв(з)——MG (з), для периода торможения при наличии тормоза 兩д(о>)=—ТИс(й>)―Л4т((о), для периода торможения при естественном выбеге Л4д((о) =—Мс((о).
Учитывая, что 也=/(<о) 券 ,разделим экспериментальные кривые тИд и / на z участков (см. рис. 78).
Тогда для г-го участка уравнение М^=МЛ (з) залишем в ви-
де
以Н4以Н4AqAq
以Н4
以Н4
Aq
Aq
гдегдеЛ4Д/ и Ц—соответственно динамический момент и момент инерции иа
где
где
Рис. 79. Принципиальная схема рабочих органов отжимной машины валкового типа:Рис. 79. Принципиальная схема рабочих органов отжимной машины валкового типа:1 и 2—отжимные валки； 3-белье1 и 2—отжимные валки； 3-белье
Рис. 79. Принципиальная схема рабочих органов отжимной машины валкового типа:
Рис. 79. Принципиальная схема рабочих органов отжимной машины валкового типа:
1 и 2—отжимные валки； 3-белье
1 и 2—отжимные валки； 3-белье
рассматриваемом участке. Значения 乂口； и Ц являются средними значениями кривых Л/д и Z иа рассматриваемом участке.
Время, за которое угловая скорость ротора изменяется на Аз,
Тогда полное время переходного периода (пуска, разбега, торможения)
2
1
§ 3. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ВАЛКОВЫХ ОТЖИМНЫХ МАШИН
Наряду с центробежным способом отжима влаги
применяют также распространенный в бытовых стиральных машинах способ отжима прессованием с помощью валковых пар. Процесс валкового отжима характеризуется падением влажности обрабатываемых изделий от 250 до 60% и происходит на узкой площадке контакта валков, об
разованной при сжатии мокрого материала.
При прохождении мокрого материала (изделия) через зону сжатия валками под действием сдавливающих усилий возникает встречный горизонтальный поток отжимаемой жидкости.
Валковый отжим является непрерывным процессом и одним из наиболее производительных для прямого белья.
На рис. 79 показана принципиальная схема рабочих органов отжимной машины валкового типа. Основным рабочим органом этой машины является отжимной валок Д представляющий собой ролик с пневматическим резиновым баллоном, наполненным жидкостью (〜75%) с целью ужесточения
характеристик отжима и нижний валок 2 жесткой конструкции; между валками / и 2 располагается отжимаемое белье 3. ”
Применение машин с эластичными отжимными устройствами для отжима белья вследствие сильного его спрессования требу ет применения растрясывающих машин.
Применение валковых отжимных машин по сравнению с эластичными отжимными устройствами не требует применения растр ясы в ающих машин.
Глава ХШ
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ВАЛКОВЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАШИН
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ
一Валковые исполнительные механизмы нашли широ
кое применение в машинах бытового назначения. Это машины химической чистки одежды (сушильно-гладильные вакуумные катки, гладильные каландры, машины для отжима влаги из прямого белья,, машины для обработки ковров), в швейном производстве (гладильные каландры, механизмы подата материала и деталей одежды), в обувном производстве (валковые прессы, механизмы подачи материала и плоских деталей обуви), в бытовых машинах (валковые механизмы для отжима влаги из белья, гладильные механизмы).
Работа валковых механизмов характеризуется процессом механического взаимодействия рабочих валков с обрабатываемым материалом (изделием), испытывающим соответствующие технологические нагрузки и деформации.
Валковые механизмы имеют следующие структурные схемы： валковая пара (см. рис. 80), вал в паре с неподвижной опорой (см. рис. 83) и валковый механизм в паре с гибкой связью (см. рис. 84).
Фрикционную валковую пару применяют в качестве механизмов на, операциях подачи плоских материалов, формования, прессования, отжима влаги и глажения изделий.
Фрикционный вал в паре с прямолинейной опорной поверхностью применяют для транспортирования плоских деталей обуви и одежды. Фрикционный вал в паре с криволинейной опорной поверхностью применяют в сушильно-гладильных вакуумных катках.
Валковые механизмы с гибкой связью применяют в сушильно-гладильных машинах (каландрах).
В зависимости от требований, предъявляемых к технологическому процессу, осуществляемому при помощи валковых механизмов, рабочие валки выполняют различных конструктивных модификаций.
Основные конструктивные варианты рабочих валков:
полые (гладильные каландры, смесительные вальцы)—для устройства внутреннего обогревания и охлаждения；
обрезиненные (отжимные устройства бытовых стиральных машин, транспортирующие устройства машин) ■—для упругой компенсации и предотвращения раздавливания различных утолщений материала, проходящего через зазор между валками, а т^кжегуз^л^^[ия коэффициента трения между поверхностью валков й транспортируемым матерйалом; 一
с подпружиненными опорами (двоильные машины)- — для са-
моустановки валка по отношению к другому валку с жесткими опорами при разной толщине по краям транспортируемого материала;
с подпружиненной цилиндрической текстильной оболочкой (сушильно-гладильные вакуумные катки)——для упругой компенсации утолщений обрабатываемого материала и отсоса паров влаги внутрь полости валка через поры текстильной оболочки;
рифленые (двоильные машины)——для увелитения силы сцепления между валками и транспортируемым материалом;
с взаимно выпуклой и вогнутой поверхностями (машины для формования подошв и стелек) —для придания обрабатываемым деталям обуви выпуклой формы в процессе прессования.
Диаметр валков в зависимости от технологического назначения от 40 до 500 мм и более, длина от 250 до 2500 мм, средняя нагрузка в «жале» валков при глажении и транспортировании материалов до 45 кПа, а при прессовании сырой резины и от- жиме до 0,8— 1 МПа.
Валки должны быть прочными, жесткими, с износостойкой рабочей поверхностью (двоильные машины, вальцы для рифле； ния сырой резины, резиносмесительные вальцы и др.), в соответствующих случаях теплопроводными (гладильные каландры, резиносмесительные вальцы), со строго цилиндрической поверхностью (двоильные и двоильно-ленточные машины, вальцы, гладильные каландры).
Подшипники валков должны обеспечивать параллельность геометрических осей и иметь надежные смазочные устройства.
§ 2, СИЛОВОЙ РАСЧЕТ МЕХАНИЗМОВ
При взаимодействии валковой пары с упругим материалом, например при транспортировании резины в двоильной машине, на дуге, контакта валков с материалом возникают распределенные давления р (рис. 80), которые могут быть определены из условий деформации материала.
Относительная бесконечно малая деформация элемента, расположенного на дуге контакта с углом а под углом <р, будет
成=也=里』中，(13.1)
где d6 ——бесконечно малая деформация, "6 = "(5к + 厶)；厶 = 2及(1 ——cos 屮)； R ——радиус валков.
Для упругого материала
〃£ = —и о= —\ Ed^=\ sm cos +
(13.2)
где о — напряжение сжатия; Е ——модуль упругости материала
8* Зак. № 266,229
Рис. 80. Схема силового взаимодействия валковой пары с упругим материаломРис. 80. Схема силового взаимодействия валковой пары с упругим материаломопределяют из уравненияопределяют из уравненияоткудаоткудаa = аге cos ( 1a = аге cos ( 12^-丿2^-丿(13.4)(13.4)
Рис. 80. Схема силового взаимодействия валковой пары с упругим материалом
Рис. 80. Схема силового взаимодействия валковой пары с упругим материалом
определяют из уравнения
определяют из уравнения
откуда
откуда
a = аге cos ( 1
a = аге cos ( 1
2^-丿
2^-丿
(13.4)
(13.4)
Постоянную интегрирования находят из начальных условий при q)=a, 6=0.
Тогда С=cos а.
Подставляя значение С, получим окончательно для о
а=—幺(cos 甲— cos a).(13.3)
При деформации сжатия наряду с напряжениями сжатия возникают еще напряжения сдвига т[ обусловленные скольжением материала относительно валков. Эпюра напряжений сдви- рга r，= f(p, когда валки нахо-
Iдятся в покое, показана на
「Lг рис. 80. Из-за малой сопо-
ставимой величины зоны деформации материала абсолютное удлинение в направлении движения материала незначительно, поэтому скольжение материала при его деформации относительно поверхности валков вдоль направления движения также незначительно.
Пренебрегая скольжением материала относительно валков и силами трения и учитывая малую величину угла 2a, при котором =р cos G^p, элементарная сила давления валков на материал будет dP『pdS^ ^GdS' (где ^ — элементарная площадка сжатия материала). Следовательно, 夕 о =(cos ф——cos а) и
наибольшее удельное давление Ртах будет при(р = 0.
Угол контакта а с материалом
R — R cos a= (6о — 6к)/2,
где б。一 начальная толщина материала; 6毀一наименьшая толщина 'материала, когда он проходит между валками.
Угол и соответствующая ему дуга контакта валков с материалом зависят от сил, действующих на материал, свойств материала и, как показывает полученная формула (13.4), от его деформации и размеров валков.
Величину распорного усилия Рр находят, интегрируя в пределах от ф = 0 до(р=а выражение для элементарной силы распора по дуге йф при ширине материала b (считая постоянной) и удваивая результат для дуги 2а:
dPp=obRd甲(cos 屮一cos ct) bd(p；
n 4ER26：
Pp =\ (cos 屮一cos a)碑.
о
После интегрирования и простейших преобразований, считая при небольших значениях угла а, что a=sina, получаем
Рр=sin Ct (1 — cos Ct).(13・5)
Среднее удельное давление рСр при площади зоны контакта SK=2/? аб равно
Рср ==sin a (1 — cos a)
Sk 60a
и сила трения
F*rp==。CpS^^ Ppf«
При небольшом угле захвата
Pcp*2ER/6o(l—cos a).(13.6)
В условиях движения валков максимум кривой p^f^) сдвигается в сторону (см. рис. 87), противоположную движению валков, на величину 麻 обусловливающую момент сопротивления качению
M = Pp^K, где Рр = Р (Р — внешняя сила давления валка); йк — коэффициент трения качения.、
При небольшом угле а принимают 々к ^4/4, где /х — длина хорды, соответствующая углу а.
Характер распределения касательных напряжений от трения т/=/(ф) в условиях движения также меняется.
В условиях валковой пары, когда скорость вэлков различна, скорость движения детали (материала) может меняться в зависимости от соотношения сил, действующих на деталь.
Если деталь движется со скоростью, соответствующей скорости нижнего валка ^—^^ то Pfi VP%—Pc,"
где Р н f]——соответственно сила давления между быстро вращающимся (верхним) валком и деталью и коэффициент трения; % ——коэффициент трения между медленно вращающимся (нижним) валком и деталью; Рс — сила сопротивления.
Деталь будет перемещаться со скоростью g валка, если
PQP/2 + Pc.
Для большинства машин разность скоростей невелика, но например, для шлифовальных машин обувного производства скорость W\ шлифующего валика в 70—150 раз больше скорости ш2 подающего валка.
В основе расчета привода валковой пары при взаимодействии с ней упругого материала лежит следующее выражение мощности, кВт:
ат 2Л4(о[2Р (^к + fR) 4- А1тр — Л4И]
N==(13.7)
1000-q1000''
где £М — суммарный момент; (M — 2P(kK+fR)—суммарный момент от сил Р=Рр в процессе качения и трения скольжения валков о материал, (?Pf —— суммарная движущая сила при подаче материала валками; Pf^Pc, где Рс一 сила сопротивления подаче); со ——угловая скорость * валка; Мтр 一 момент треиия в подшипниках; Мн ——момент от еил инерции;
При малой толщине материала дуга контакта валков с материалом, а также величина kK малы, поэтому величиной 2P电: иногда пренебрегают.'
Момент трения в подшипниках валка
Мтр=£Р",(13.8)
где £Р ——геометрическая сумма' реакций в подшипниках; f — коэффициент трения шейки радиусом г валка в подшипнике.
Момент от силы инерции валка, считая движение при пуске машины равноускоренным,
鳩=/*(13.9)
где / ——момент инерции масы валка; е ——угловое ускорение.
При взаимодействии с упруго пластичным м а- териалом, например с кожей, тканью, дуга контакта валков относительно вертикали, проведенной через центры валков, состоит из двух неравных частей, так как при этом толщина материала при входе в зазор между валками 60 и при выходе из него 61 неодинаковы, т. е. до>6ь
Методика силового расчета, валков в первом приближении может быть использована как и в предыдущем случае, но с учетом силового нагружения для разных величин дуг захвата.
Рассмотрим расчет потребной мощности привода отжимной машины валкового типа, применяемой для отжима влаги из текстильных тканых материалов изделий.
Потребная мощность привода отжимной машины валкового типа с пневмошиной, выраженная через моменты сопротивления
силы трения в подшипниках.силы трения в подшипниках.Рис. 81. Схема силового взаимодействия валковой пары с отжимаемым материалом: а—в процессе отжима; 6—в процессе деформации шины； /—тнНа; 2—отжимаемая ткань; 3— валокРис. 81. Схема силового взаимодействия валковой пары с отжимаемым материалом: а—в процессе отжима; 6—в процессе деформации шины； /—тнНа; 2—отжимаемая ткань; 3— валокна ведущем валке, может быть определена по уравнению (рис.
силы трения в подшипниках.
силы трения в подшипниках.
Рис. 81. Схема силового взаимодействия валковой пары с отжимаемым материалом: а—в процессе отжима; 6—в процессе деформации шины； /—тнНа; 2—отжимаемая ткань; 3— валок
Рис. 81. Схема силового взаимодействия валковой пары с отжимаемым материалом: а—в процессе отжима; 6—в процессе деформации шины； /—тнНа; 2—отжимаемая ткань; 3— валок
'• ^лв=Afi + Л[2 + М3 + М, + м5 + Л4тр, (13.10) где Afi —> момент, технологических сопротивлений, связанных с деформацией тканн 2 и отжимом из нее влаги; М2 一 момент силы трения перекатыванию валка 3 с находящейся между ними тканью 2; М3 — момент силы трения скольжения валка, вызванный радиальной и тангенциальной деформациями иинн 1; M《一момент равнодействующей силы упругости Pz эластичной ча- сти шины / относительно оси ее вращения, определяющей необратимую часть затрат энергии на деформацию эластичного покрытия; М5 — момент силы инерции валка; Мтр —момент
При качении валка 3 деформации в передней части шины 1 увеличиваются, а в задней уменьшаются. Поэтому на участках шины, находящихся на одинаковом удалении спереди л сзади от линии диаметров валка и шины и имеющих одинаковые деформации, действуют разные силы, проявляющиеся в процессе гистерезисной деформации шины (см. рис. 81)・ Так, при одной и тцй же деформации участок шины в пе
редней ее части нагружен силой Р/, а участок в задней части — силой Р". Следовательно, элементарные нормальные реакции в передней части контакта больше, чем в задней (см. рис. 81,а), • а равнодействующая Pz'—нормальная реакция смещена относительно линии диаметров валков впереди на расстояние аш. В результате смещения точки приложения силы • Pz возникает .момент 尸也口 Этот момент уравновешивается общим моментом
m1+m2+m3=2ап1.(13.11)
Величина 仪皿 может быть определена экспериментальным путем.
Момент М4 может быть определен по экспериментально полученным кривым на рис 81,6 по средней величине силы АР% за цикл деформации
：тде Sok z'to — площадь петли, выражающая работу, связанную с необрати- .мыми потерями в шине (гистерезисом).
Тогда момент М4 определится по формуле
M4=^PZcpr.(13.12)
Моменты Af5 и ЛТтр определяют по формулам для двух валков (13.8) и (13.9).
При взаимодействии валковой пары с пластичным материалом, например при вальцевании сырой резины, валки испытывают распорное усилие Рр, которое при малой дуге контакта с материалом приложено примерно на расстоянии 左=告 sin а по отношению к валкам (рис. 82). Тогда момент сопротивления от распорного усилия для двух валков
составит:составит:Мх RO sin -—■.Мх RO sin -—■.(13.13)(13.13)
составит:
составит:
Мх RO sin -—■.
Мх RO sin -—■.
(13.13)
(13.13)
Обычно силу распора определяют опытным путем и относят ее к единице длины рабочей части валка, т. е. находят линейную величину силы распоря р Н/см, тогда
P»=pL,
где L ——длина рабочей части валка.
Суммарный момент сопротивления вращению валков ~
(13Л4)(13Л4)ствия валковой пары с пластичным материаломствия валковой пары с пластичным материалом234234ствия вала, работающего в паре с неподвижной опоройствия вала, работающего в паре с неподвижной опоройN=1000可N=1000可nм几50而nм几50而М=М +М2,где М2 — момент сопротивления качению валков в подшипниках.Мощность (кВт) привода валков равнаМ=М +М2,где М2 — момент сопротивления качению валков в подшипниках.Мощность (кВт) привода валков равна
(13Л4)
(13Л4)
ствия валковой пары с пластичным материалом
ствия валковой пары с пластичным материалом
234
234
ствия вала, работающего в паре с неподвижной опорой
ствия вала, работающего в паре с неподвижной опорой
N=
1000可
N=
1000可
nм几
50而
nм几
50而
М=М +М2,
где М2 — момент сопротивления качению валков в подшипниках.
Мощность (кВт) привода валков равна
М=М +М2,
где М2 — момент сопротивления качению валков в подшипниках.
Мощность (кВт) привода валков равна
Валковый механизм, работающий в паре с неподвижной опорой. При помощи вала осуществляется подача по криволинейной гладильной поверхности и глажение прямого белья в валковых сушильно-гладильных машинах. Отжатое влажное белье / (рис. 83) подается относительно нагретой гладильной поверхности лотка 3. Получает движение белье 1 от вала 2 с упругим покрытием в результате производимого валом давления и действия сцепления его с бельем. При движении вала на белье также действуют силы трения о лоток, направленные против движения белья.
Напишем уравнение равновесия для элемента белья, ограниченного сечениями mmb пп{ с центральным углом dtp по проекциям на биссектрису угла d^.
dP=F sin 号 + (e+吟 sing .
Учитывая, что при малом угле sin 穹——>^- , и пренебрегая бесконечно малой второго порядка, получаем величину силы давления гладильной поверхности на элемент белья dP = = Fd(p и силу трения белья о гладильную поверхность с учетом коэффициента трения / белья о лоток (при f=const)
dPf=Fd^f.
При ширине белья b и радиусе R удельное давление составит
p = dPlbRd& = FlbR.
Проектируя все силы на касательную, будем иметь:
Feos粤 + 合/Rd屮b —(F —dF)cos*=0. '
Учитывая, что при малом угле cos ■—1, получаем dF =
q Fd研.
■ После интегрирования получим
\x\F=f^-\-C или F=Ce^=F?e抉、
где С = &—~ постоянная интегрирования.
Отсюда удельное давление гладильной поверхности на белье в зависимости от угла <р изменяется по закону
р=-号=С?(13.15)
У bR bRI '
Следовательно, удельное давление гладильной поверхности лотка увеличивается в направлении, обратном вращению вала,
235
и достигает максимальной величины на набегающем конце белья на лоток
Р尸и F] = FfR (13.16)
где 尸1 н 尸？——силы натяжения по концам дуги контакта белья с лотком.
Вследствие повышенного коэффициента трения белья о лоток наиболее влажной части белья, поступающей со стороны набегающей ветви, давление р\ соответственно возрастает по сравнению с давлением р2 У сбегающей ветви, где влажность и коэффициент трения белья о лоток ниже.
В результате потерь на трение при качении вала относительно лотка, вертикальная реакция вала Рр получает смещение от его геометрической оси на расстояние 々к・
Окружная сила трения белья о лоток
а、
尸0= 3成Rd中/ =尸2 0" о
Эпюры распределения удельного давления гладильной поверхности лотка на белье по дуге, соответствующей углу •«, р— =f(Ф)и в проекции на вертикаль pb=f(<р), показаны на рис. 83.
Для обеспечения движения белья без проскальзывания относительно вала должно соблюдаться условие
pf>pf или f'>f,
где % — коэффициент трения вала о белье.
(13.19)(13.19)Мощность (кВт), затрачиваемая на подачу белья с учетом среднего давления по длине дуги, соответствующей центральному углу а, мPcpfKDHbRo
(13.19)
(13.19)
口 =
1000360-1000
где среднее давление рср лотка на белье по площади лотка S равно
0 _尸。)尸。.360“СР fS fnDab
Сила Р прижима вала к лотку определяется по применяемому среднему удельному давлению р ср по проекции площади S на горизонтальную плоскость
/?cd=—= 0,75 — 1 Н/см2.
2R力 sin —
Для обеспечения гарантированного натяжения обрабатываемых изделий и более качественного их глажения в сутильно-
236
гладильных вакуумных катках необходимо обеспечить возрастающую разность скоростей скольжения изделия относительно лотка по направлению к выходу из зоны глажения. Это может быть достигнуто конструированием секционных и эластичных листовых лотков за счет изменения радиуса кривизны лотка по ходу белья. При этом скорость движения изделия определяется равенством '
w—^Rk,
где(о ——угловая скорость вала; Rk — радиус кривизны лотка.
Валковый механизм с гибкой связью. Для затягивания белья 1 валками и его расправки в гладильном каландре (рис. 84) линейная скорость на поверхности каждого прижимного валка 7, 6, 5 постепенно увеличь счет постепенного увеличения диаметров валков на 3 мм с частотой вращения 8, 22, 13, 23 и 17, 64 об/мин. Для обеспечения скольжения белья / относительно наружной поверхности гладильного вала 3 линейная скорость на поверхности этого вала должна быть больше линейной скорости на поверхности прижимных валков и ленты 4 облегающего конвейера.
Основными силовыми факторами нагружения гладильного вала являются силы давления и силы трения, обусловливающие момент трения этого вала о белье.
в направлении движения оелья зав направлении движения оелья за母仪母仪Рис. 84. Расчетная схема валкового механизма с гибкой связью:Рис. 84. Расчетная схема валкового механизма с гибкой связью:/—белье; 2—ведущий вал конвейера; 3—гладильный вал; 4—лента конвейера; 6, 6, 7— прижимные валки/—белье; 2—ведущий вал конвейера; 3—гладильный вал; 4—лента конвейера; 6, 6, 7— прижимные валкиНагрузку на гладильный вал определяют из условий динамического равновесия белья на его набегающей и сбегающей ветвях.
в направлении движения оелья за
в направлении движения оелья за
母仪
母仪
Рис. 84. Расчетная схема валкового механизма с гибкой связью:
Рис. 84. Расчетная схема валкового механизма с гибкой связью:
/—белье; 2—ведущий вал конвейера; 3—гладильный вал; 4—лента конвейера; 6, 6, 7— прижимные валки
/—белье; 2—ведущий вал конвейера; 3—гладильный вал; 4—лента конвейера; 6, 6, 7— прижимные валки
Запишем условия динамического равновесия белья сначала на валке 7. В сечении, на сбегающей ветви, отстоящем на малом расстоянии от области действия силы 尸卜 это условие при-
(13.20)(13.20)мет вид
(13.20)
(13.20)
где 尸()и' Fi ——внутренние силы натяжения белья; /0 и fi——коэффициенты трения белья о вал 3 и валок 7; ао — дуга обхвата.
Условия динамического равновесия на участках дуги скольжения белья относительно гладильного вала 3 следующие:
по дуге, соответствующей углу ai, на сбегающей и набегающей ветвях в сечениях, расположенных на малом расстоянии от областей действия силы Р\ и 尸2
(2/—2%+尸 2)/储=〃3(13.21)
где Pzf—■ сила трения валка 6 о белье; F2 — внутренняя сила натяжения белья в рассматриваемом сечении;
по дуге, соответствующей углу а2, на сбегающей и набегающей ветвях в сечениях, расположенных на малых расстояниях от областей действия сил Р2 и Р3
(2/一鼻九+尸3)/尸2 = e加，(13.22)
где Рз,з — сила трения валка 5 о белье;尸з — внутренняя сила натяжения белья в рассматриваемом сечении;
по дуге, соответствующей углу а3, на сбегающейся набегающей ветвях в сечениях, расположенных на малых расстояниях от областей действия силы Рз и давления облегающего конвейера
FJFiR(13.23)
где 尸4 — внутренняя сила, натяжения белья в рассматриваемом сеченин;
по дуге, соответствующей углу 仪击 окружная сила трения F& о гладильный вал определяется по выражению
尸% =尸4一 (居+尸5/ 一尸5九)一尸4九，
где 卩4=尸4十尸5 ——геометрически суммарная сила давления ленты конвейера на белье;尸5 ——усилие натяжения белья на сбегающей ветвн дуги, соответствующей углу а4； /к ——коэффициент трения ленты о белье;
силу натяжения F5 определяют из условий динамического равновесия белья на ведущем валу 2 облегчающего конвейера
尸5 =尸6他叫
где 尸6 — сила, приложенная к белью прн выходе нз конвейера; /4 — коэффициент трения белья о Нал 2; а7 — угол обхвата._
Из условий динамического равновесия белья на дуге гладильного вала, соответствующей углу аВ1 =仪1+畋+仪3 с учетом уравнений (13.20), (13.21), (13.22) и (13.23) определяют зависимость между усилиями натяжения ветвей 户4 и Fo-
Окружную силу и момент трения гладильного вала на дуге, соответствующей углу аВр определяют по формулам
尸5=尸4 -尸0
“p尸(尸4 一尸。)а
где R — радиус гладильного вала.
238
Рис. 85. Схемы валка для расчетов;а—на прочность; 6—на жесткостьРис. 85. Схемы валка для расчетов;а—на прочность; 6—на жесткостьи горизонтальных сил подачи маи горизонтальных сил подачи ма
Рис. 85. Схемы валка для расчетов;
а—на прочность; 6—на жесткость
Рис. 85. Схемы валка для расчетов;
а—на прочность; 6—на жесткость
и горизонтальных сил подачи ма
и горизонтальных сил подачи ма
Момент трения гладильного вала о белье на дуге, соответствующей углу
Мтрз = (F^F5 + P5f)R=尸。△•
Суммарная окружная сила трения гладильного вала на дуге, соответствующей углу аВ1 + «4 составит
尸03 =尸①+尸%，
Суммарный момент трения гладильного вала Af —= Afjpj +А/тр “
Мощность привода гладильного вала сушильно-гладильной машины определяют по моменту М, и моменту сопротивлений, возникающему в подшипниках гладильного вала.
§ 3. РАСЧЕТ РАБОЧИХ ВАЛКОВ НА ПРОЧНОСТЬ И ЖЕСТКОСТЬ
Валки рассчитывают на прочность, как балку, лежащую на двух опорах. Интенсивность нагрузки 卩 соответствует давлению валка на обрабатываемый материал. При заданных внешнем диаметре D и рабочей длине / валка (рис. 85) расче
том определяется толщина 6 стенки полого цилиндра—тела валка (6= =0—d, d — внутренний диаметр).
При такой схеме нагрузки, считая ее действие -симметричным, максимальный изгибающий момент в среднем сечении балки будет (рис. 85, а):
+
max 8Z /
На валок действует система сил и крутящих моментов, поэтому необходимо учитывать их действие при изгибе в вертикальной и горизонтальной плоскости (：т. е. действие вертикальных сил давлений
териала, действие сил со стороны приводных механизмов, обусловливающих передачу крутящего момента).
Имея эпюры изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскости, можно определить опасное сечение, мо-
мент, в котором М№ принимается равным геометрической сумме изгибающих моментов, действующих в вертикальной и горизонтальной плоскости:
С учетом действующего на вал крутящего момента AfKp приведенный (р асчетный) момент
Момент сопротивления кольцевого сечения валка определяют по формуле (рис. 85,6)
10 = 21(04 —”4).
D
Зная Мщ, и F, можно определить напряжения при изгибе
Мир•
Допускаемые напряжения при изгибе, когда повторность действия нагрузок больше 103 циклов, определяют с учетом переменного значения напряжений, т. е, из условия выносливости.
Уравнение при расчете на выносливость имеет вид
Мдр/闪i/焉，
где От — предел выносливости материала валка; й3 — запас прочности при данном характере изменения напряжения.
Рассмотрим в самом общем случае расчет на прочность рабочих валков с учетом температурных напряжений при внутреннем обогреве и охлаждении.
Изменение температуры стенки вала вычисляют на основании решения уравнения теплопроводности для радиально направленного теплового потока
Q= Х2отг "” ,
где 九 ——коэффициент линейного расширения; dt——повышение (приращение) температуры при увеличении радиуса цилиндрической поверхности на dr,
Отсюда
где f и г—текущие значения температуры и радиуса; Rh и гв — наружный и внутренний радиусы; /н и /в—температура на наружной и внутренней поверхности.
Температурный перепад (например, /в—/н) создает в стенке температурные напряжения в радиальном и осевом направлении (соответственно радиальные а и осевые w) и в направлении 240
касательных к концентрическим окружностям (тангенциальные %) • .
На рис. 86, а показаны элемент стенки, ограниченный сечениями тт» и пп\ с дугой, соответствующей углу dtp, и направления соответствующих напряжений. Проектируя напряжения на биссектрису угла dtp, получают уравнение равновесия элемента. Затем определяют относительные деформации элемента с учетом модуля упругости материала и коэффициента линейного расширения, а кроме того, относительное увеличение объема элемента с учетом коэффициента Пуассона.
Ряс. 86. Расчетные схемы напряжений вала:Ряс. 86. Расчетные схемы напряжений вала:а——при действии температурных напряжений на элемент стенки вала; 6—при изменении температурных напряжений в стенке (внутреннее охлаждение); 6——при изменении температурных напряжений (внутренний обогрев); г——при действии механических напряженийа——при действии температурных напряжений на элемент стенки вала; 6—при изменении температурных напряжений в стенке (внутреннее охлаждение); 6——при изменении температурных напряжений (внутренний обогрев); г——при действии механических напряжений
Ряс. 86. Расчетные схемы напряжений вала:
Ряс. 86. Расчетные схемы напряжений вала:
а——при действии температурных напряжений на элемент стенки вала; 6—при изменении температурных напряжений в стенке (внутреннее охлаждение); 6——при изменении температурных напряжений (внутренний обогрев); г——при действии механических напряжений
а——при действии температурных напряжений на элемент стенки вала; 6—при изменении температурных напряжений в стенке (внутреннее охлаждение); 6——при изменении температурных напряжений (внутренний обогрев); г——при действии механических напряжений
Решая системы уравнений и производя преобразования при некоторых допущениях, получают формулы для температурных напряжений.
Величину радиальных напряжений определяют по формуле
2(—)(* 硝 In 豊2(—)(* 硝 In 豊XX(13.25)(13.25)
2(—)(* 硝 In 豊
2(—)(* 硝 In 豊
X
X
(13.25)
(13.25)
где р — коэффициент линейного расширения; Е ——модуль упругости материала .вала; /в——方н ——температура на внутренней и наружной поверхности； Rh, Rb, г — соответственно наружный, внутренний и текущий радиусы;卩一коэффициент Пуассона.
Тангенциальные напряжения имеют значения
(13.26)(13.26)X .疋(l — ln§)_R“l_ln 乎)_^Лп 条卜
(13.26)
(13.26)
Осевые напряжения равны
支=*竺&二^［心_ 2In区)一店- 21n
2(f)代_増 In备 L
'(13.27)
Графики изменения температурных напряжений, соответственно при внутреннем охлаждении (рис. 86,6) и обогреве (рис. 86,8) дают возможность сделать вывод, что температурные напряжения пропорциональны перепаду температур по стенке вала и меняют свои знаки в зависимости от направления теплового потока (внутреннее или наружное охлаждение).
Для вала с внутренним охлаждением (^>^в) радиальные напряжения положительны, т. е. имеет место растяжение. Для наружных и внутренних поверхностей ог=0.*
Кольцевые (тангенциальные) напряжения достигают предельных значений на внешней и внутренней поверхности. Такие же значения приобретают и осевые напряжения на наружной и внутренней поверхности вала.
При внутреннем нагреве (/в>^н) напряжения пт и пг в наружных слоях；—растягивающие, во внутренних'—сжимающие.
Опасным сечением является кольцевое, нормальное к оси валка и расположенное посредине. Здесь имеет место максимальный изгибающий момент от технологической нагрузки, действующей на вал.
Крайние точки опасного сечения, лежащие на плоскости центров, испытывают наибольшие растягивающие и сжимающие напряжения (±о/ от изгиба под действием технологической (распорной) нагрузки (рис. 86,а).
В расчет следует ввести также действие изгибающего момента от реакций связей передаточных механизмов.
Осевое главное напряжение от распорной нагрузки и реакций связи передаточных механизмов подсчитывается для нескольких точек опасного сечения, например: возле внутренней и наружной поверхности и в середине сечения ь］仃幻 ь； и т. д.
После этого находят для этих же точек касательные напряжения (т/, т", т/" и т. д.) от крутящего момента.
Затем определяют обычным путем приведенные (эквивалентные) главные механические напряжения ам\ ам\ ьм” в этих точках
w=%/2+ 1/2/吗/4+4(%/啕 В,
где 舞 н Тв — пределы прочности материала прн изгибе н кручении.
Далее рассчитывают главные температурные напряжения для этих точек
""£' 尸 ” tn
“，％，冤；“，％ ,冤 и Т. Д.
После этого алгебраически суммируют соответствующие механические и температурные напряжения и находят результирующие напряжения в этих точках: ь「,仃工,аг; аг,仃工,ь； и т. д. Затем получаем (например, для хрупкого материала'—чугуна)
Ьтахр< [°доп] и °тахсж < [°доп]，(13.28)
где Ьтахр н атахсж 一 соответственно максимальные растягивающие и сжимающие напряжения.
При расчете необходимо учитывать знаки температурных напряжений.
На качество обработки изделий в машинах валкового типа влияют прогибы рабочих валков (вальцы для вальцевания сырой резины, двоильные машины, гладильные каландры и др.), поэтому очень важно производить расчеты этих валков на жесткость.
Общая расчетная схема рабочего валка приведена на рис. 85, 6.
При учете только изгибающего момента от основной распределенной нагрузки р? уравнения изогнутой оси цапфы и цилиндра в дифференциальной форме имеют вид:
•ЕЗ 寸(13.29)
上2/21/2 =历/%2/2 "- pi(X2 ■—力)2/2,(13.30)
где EJ] и 邑厶一жесткость соответственно цапфы и цилиндра; У\ н у?— прогиб соответственно цапфы и цилиндра на расстоянии 刁 и х2 от начала координат.一
Интегрируя дважды каждое из этих уравнений, получим
£丿也；=4//,4 + &; Exfхух = pll^\2-\-Crxl-[-C2E2[2y2=ptl^l4： - ” б — 〃)3/6 + Cj;
Е2【?У2 =厶/用 /12 - ” (融一也 24 + Сз& + &.
Постоянные интегрирования Cb C2, Сз и С4 находят по граничным условиям:
1) при 尤i = 0 и у1 = 0; 2) при 尤2 = L/2 = %+〃2 и 贝'=0；
3) при Х1 = Х2=6, у\=У2 и У1 = у2.
Совместное решение уравнений позволяет найти постоянные интегрирования, а следовательно, и уравнения для деформаций цапфы и рабочего цилиндра.
у； =(А//48)[12 (必一加)因厶 +( 12〃 2 一 3丄2 T /2)怎甸；(13.31) 协=4〃48e/ [4占(注 一 3〃2) 4- (£/%///2) (12加-3/2 +22)]；(卅.32)
y^^/ASE^^ [12/4 - 8 (X2 — 邮一3〃2 + 用； (13.33)
g2= (〃/48上2 /2)[4/盟一2 (%2 一 力)4 - 3/£旣2 + /仅2 +
+ 8/〃3(1_e/2/吕//■(13.34)
Вычислив по уравнениям (13.32) и (13.34) максимальные фактические прогибы, сопоставляют их с допускаемыми по ус- повиям технологического процесса.
Глава XIV.
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАШИН ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ И С ПОМОЩЬЮ ТРЕНИЯ
Среди операций, применяемых в технологических процессах на предприятиях бытового обслуживания, распространена группа операций, в основе которых лежат механические процессы резания и трения. К первым относятся операции раскроя материалов, обработки ^деталей одежды и обуви резанием, операций личной гигиены (бритье, стрижка волос), обработка продуктов питания и др., осуществляющиеся с помощью различных механизмов резания.
Ко вторым относятся операции механической чистки одежды и обуви, полирование обуви и ее деталей (с применением волосяных щеток).
В основе проектирования данных машин лежат вопросы, про* ектирования исполнительных механизмов, работа которых определяется их кинематическими и силовыми факторами, обусловливающими качество обработки и производительность этих машин.
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МАШИН ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ
Технологические способы резания. Процесс резания материалов заключается в том, что при взаимодействии заостренного в форме клина лезвия режущего инструмента с обрабатываемыми материалами возникают значительные сконцентрированные лезвием контактные давления и соответствующие им напряжения, которые превосходят по величине напряжения, обусловленные прочностью материала, вследствие чего материал разрушается в ориентированном лезвием направлении.
Процесс резания определяется характером- движения режущих инструментов относительно обрабатываемого материала и возникающими при этом усилиями. Различают три основные группы режущих инструментов, работающих по способам ножа, пилы и ножниц.
Первый способ характеризуется тем, что нож в его плоскости надвигается на обрабатываемый материал поперек режущей кромки. По данному способу работают вырубочные прессы, двоильные машины, безопасные* и опасные бритвы, машины для фрезерования уреза обуви и др. Этот способ обычно применяют для сравнительно жесткого материала.
При втором способе нож кроме движения поперек режущей кромки движется еще и вдоль нее. По этому способу работают машины для раскроя текстильных материалов, некоторые бытовые режущие инструменты н др. Его применяют также для резания мягких материалов, которые легко деформируются под действием значительных усилий при надвигании их на нож.
При резании по третьему способу участвуют два ножа (нож
ницы) ,движущиеся в одной плоскости навстречу друг другу; обрабатываемый материал расположен между ним'и. Этот способ применяют для резания сравнительно тонкого и мягкого материала.
Материалом для ножей обычно служат термообработанные углеродистые статгя марок У 8А и У 10А, а также легированные кремнемарганцовистые стали.
Исполнительные механизмы машин для резания материалов по способу ножа. Для резания материалов этим способом применяют следующие исполнительные механизмы:
кривошипно-ползунные (вы- рубочные прессы, машины для крепления металлических крепителей и др.);
гидравлические механизмы (вырубочные прессы);
Рис. 87. Схема работы кривошип- ио-ползунного механизма ударника вырубочного пресса:Рис. 87. Схема работы кривошип- ио-ползунного механизма ударника вырубочного пресса:.7——главный вал механизма; 2——резак; 3——НИЯ уреза обуви) ；материал; 4—подушка; 5—ударникСхема кривошипноползунного механизма ударника вырубочного пресса с электромеханическим приводом приведена на рис. 87.Основной нагрузкой сил сопротивления на главном валу / пресса является усилие прорубания резаком 2 материала 3, уло- женного на специальную подушку 4 (деревянную или пластмас-.7——главный вал механизма; 2——резак; 3——НИЯ уреза обуви) ；материал; 4—подушка; 5—ударникСхема кривошипноползунного механизма ударника вырубочного пресса с электромеханическим приводом приведена на рис. 87.Основной нагрузкой сил сопротивления на главном валу / пресса является усилие прорубания резаком 2 материала 3, уло- женного на специальную подушку 4 (деревянную или пластмас-однозвенные механизмы в виде вращающегося ножевого вала (маш'ины для фрезерова-
Рис. 87. Схема работы кривошип- ио-ползунного механизма ударника вырубочного пресса:
Рис. 87. Схема работы кривошип- ио-ползунного механизма ударника вырубочного пресса:
.7——главный вал механизма; 2——резак; 3——
НИЯ уреза обуви) ；материал; 4—подушка; 5—ударник
Схема кривошипно
ползунного механизма ударника вырубочного пресса с электромеханическим приводом приведена на рис. 87.
Основной нагрузкой сил сопротивления на главном валу / пресса является усилие прорубания резаком 2 материала 3, уло- женного на специальную подушку 4 (деревянную или пластмас-
.7——главный вал механизма; 2——резак; 3——
НИЯ уреза обуви) ；материал; 4—подушка; 5—ударник
Схема кривошипно
ползунного механизма ударника вырубочного пресса с электромеханическим приводом приведена на рис. 87.
Основной нагрузкой сил сопротивления на главном валу / пресса является усилие прорубания резаком 2 материала 3, уло- женного на специальную подушку 4 (деревянную или пластмас-
совую), находящуюся на столе пресса. Резак 2 помещают на поверхности прорубаемого материала 3.
Резак представляет собой нож, контур лезвия которого воспроизводит конфигурацию вырубаемой детали.
Внешнюю нагрузку, воспринимаемую исполнительным механизмом, определяют из условий равновесия резака* в процессе резания материала
& = £ X = Р* + 尸TP COS 0R + 尸;р + Рв = =А (sin % + /cos %)+Pyf+Рв， где Рх — Рп sin ан — составляющая нормальной силы Рн по оси X; Ftp н Л^р—-силы трения по плоскостям резания; Ру ——сила, направленная по оси Y;尸в—сила сопротивления вершины лезвия резака; f — коэффициент трения резака о материал.
Усилие резания Рр является функцией скорости резания и зависит от динамичности нагрузки, т. е.
Рр=Рр.СТ%,
где Рр.д и Рр.ст—соответственно усилия резания при динамическом и статическом их действии;為口 ——коэффициент динамичности, зависящий от скорости резаиия, определяемый опытным путем.
Общее усилие резания определяют исходя из удельной нагрузки pi, умноженной на периметр L резака, т. е.
Pp=P(L・
С учетом влияния этих факторов, а также затупления ножа и угла его заточки усилие Рр выражается следующей эмпирической зависимостью
7^ ="山生々2々3,
где ^ь 為力左з ——коэффициенты, учитывающие соответственно влияние угла заточки, затупления режущей кромки ножа, скорости резания.
Из опытов по прорубанию материалов для низа обуви найдены следующие пределы указанных коэффициентов: k\= 1 —— — 1,8 (при изменении угла заточки от 10 до 30°),局=1—3,5 (при изменении затупдания от 0,1 до 0,5 мм), k^—\+fw (/ = 0,15— —0,4 — коэффициент трения; ш — скорость резания).
Усилие Рр по толщине прорубаемого материала также изме- няется. Опытными данными установлено, что площадь фигуры ABCDA (см. рис. 87), характеризующей работу прорубания, составляет примерно половину площади прямоугольника, стороны которого равны РРтах и S.
Следовательно, работа прорубания материала выразится формулой
"р=Рртах'2(14.1)
где 3 — толщина прорубаемого материала.
246
Крутящий момент на главном валу механизма пресса изменяется в зависимости от величины усилия резания Рр, угла ф шатуна и от угла а поворота кривошипа, выполненного в виде эксцентрика, сидящего на главном валу.
Текущее значение крутящего момента равно
Мкр=Рр sin(a + <p)r/cos %(14.2)
где г — длина кривошипа (эксцентриситет эксцентрика); V — ■ /厂2
=arccos I/ 1—sin2 a — (J — длина шатуна).
Соотношение между рабочим углом поворота а вала, кривошипа и высотой подъема ударника Н^8 определяется формулой
cosa^ (г — ")/「.
Скорость, с которой производится удар по резаку, может быть определена по формуле
侬=гз sin a
илиw = 2nnr sin a,(14.3)
где со и 九一угловая скорость и частота вращения вала.
В кривошипно-ползунных механизмах прессов для обеспечения динамических и конструктивных требований отношение радиуса кривошипа г к длине / обычно принимают равным % = = г//=0,1.
Важным фактором правильной работы вырубочного пресса является равномерность зазора между прессующими плитами и резаком, что обеспечивает равномерность прорубания материала по контуру лезвия резака.
Этого достигают правильным назначением допусков и на этот зазор. Привод пресса проектируют с учетом необходимости применения маховика, обеспечивающего равномерность вращения главного вала в заданных пределах в течение времени одного оборота.
Мощность электродвигателя (кВт) за цикл работы пресса определяют по формуле
仪4)
где Атр — работа трения в исполнительных механизмах, определяемая как работа сил вредных сопротивлений при холостом ходе; у и т2 ——соответственно время вырубания- материала и холостого хода; п — КПД механизмов привода пресса.
Наиболее прогрессивными конструкциями вырубочных прессов являются прессы с гидравлическими исполнительными механизмами.
По сравнению с прессами с электромеханическим приводом: они имеют следующие преимущества:
возможность значительного повышения усилия прорубания; плавность передачи усилия на резак, пониженный уровень шума;
пониженные динамические нагрузки на основание;
уменьшение опасности травматизма за счет надежных блокировочных устройств.
В основе силового расчета исполнительных механизмов вырубочных прессов' лежит расчет динамики их работы для периодов холостого и рабочего хода.
Основное уравнение динамики пресса, например при рабочем ходе, без учета сил вязкого трения описывается выражением
九_^£，+ р +Сp +飲—pS -a=0,(14.5)
где т—' приведенная к поршню масса перемещающихся деталей; Рр ——усилие резання; Атр ——сила трения поршня и штока; х — путь поршня; т — время; k — коэффициент жесткости возвратных пружин ударника; S — рабочая площадь поршня; р — давление масла в гидроцнлнндре; Рт — сила тяжести перемещаемых деталей.
Решая это уравнение, получают скорость и время резания (прорубания).、
вода.вода.Конструирование и расчет гидравлической системы привода пресса основывают на общих положениях расчета гидропри
вода.
вода.
материала низа обувиматериала низа обувиВ двоильных машинах продольного резания (двоения) для
материала низа обуви
материала низа обуви
Рис. 88. Технологическая схема двонльной машины:Рис. 88. Технологическая схема двонльной машины:/ и 3—валки подающие; 2— нож; 4—стол; 5—материал/ и 3—валки подающие; 2— нож; 4—стол; 5—материалисполнительным механизмом является механизм подающих валков, включающий исполнительный орган，——валковую пару. Валковая пара служит опорой для разрезаемого материала и осуществляет подачу его на нож (рис. 88).
Рис. 88. Технологическая схема двонльной машины:
Рис. 88. Технологическая схема двонльной машины:
/ и 3—валки подающие; 2— нож; 4—стол; 5—материал
/ и 3—валки подающие; 2— нож; 4—стол; 5—материал
Разновидностью обработки резанием способом ножа являются в принципе технологические операции обработки деталей обуви фрезерованием, шлифованием, ше- рохованием. Исполнительными механизмами машин для выполнения этих операций являются однозвенные механизмы, выполненные в виде рабочих валов, на которые посажены дисковые рабочие органы: фрезы, абразивные круги, металлические щетки. В процессе выполнения
технологических операций на деталях обуви, подаваемых к рабочему органу, происходит непрерывная последовательная обработка материала элементарным режущим
инструментом со съемом тонких стружек. Расчет технологиче-
Рис. 89. Схема взаимодействия постоянно движущегося ножа с материалом: /—нож; 2—материалРис. 89. Схема взаимодействия постоянно движущегося ножа с материалом: /—нож; 2—материалских нагрузок на рабочие органы в принципе сводится к определению суммарного значения элементарных сил, действующих в зоне обработки на материал.
Рис. 89. Схема взаимодействия постоянно движущегося ножа с материалом: /—нож; 2—материал
Рис. 89. Схема взаимодействия постоянно движущегося ножа с материалом: /—нож; 2—материал
При конструировании рабочих валов данных машин следует обратить внимание на виброустойчивость валов и виброизоляцию машин, так как рабочие валы работают в диапазоне частот вращения 241—170 с-1, при которых в значительной мере* проявляется неуравновешенность вращающихся масс.
Поскольку данные машины работают с большим пылеобра- зованием, их необходимо снабжать эффективной системой аспирации воздуха.
Исполнительные механизмы машин для резания материалов способом пилы. Для выполнения операций этим способом применяют исполнительные механизмы с постоянной и переменной скоростью движения ножа.
Механизмы с постоянной скоростью ножа встречаются в раскройно-ленточных дисковых машинах для раскроя текстильных материалов, в двоильно-ленточных машинах для двоения деталей заготовок верха обуви, в машинах с чашечным ножом для косого срезания кромок деталей заготовок верха обуви и др.
Механизмы с переменной скоростью ножа применяются в раскройных машинах с ножом возвратно- поступательного движения для раскроя текстильных материалов в швейном и обувном производстве.
При конструировании и расчете данных механизмов необходимо знать нагрузку, действующую на рабочий орган — нож.
Нагрузку на нож определяют кинематическими и силовыми: соотношениями на режущей кромке (рис. 89).
Направление резания характеризуется векторами
①>=或十电 ИA=反+耳， .(14.6А
где &р и Рр ——главные векторы скорости н усилия резання;切口， 5H и Pu Рн — составляющие соответственно главных векторов скорости и резания по направлениям подачи н движения ножа.
Соотношения составляющих векторов wp и Рр определяются углом
a=arctg~^ = arc tg^~ •(14.7}
Векторы Рр и wp определяют работу резания в единицу времени
“Р = Рр?Рр.
(14.8)(14.8)Учитывая, что общие работы резания способом ножа и пилы равны при всех прочих равных условиях, можно написать следующее равенство, характеризующее равенство работ в процессе резания
(14.8)
(14.8)
PpWp —* Рц^П>
Из этого равенства следует
Р1t=Рр 缈 р / 缈 口.
Скорость шп всегда меньше скорости шр, так как%=]/嚼 + 呜 поэтому Рп всегда меньше Рр, и только в одном случае, когда Wh=0, Рр = Рн, т. е. когда резание производят способом ножа.
Вследствие того что при пилящем резании увеличивается относительный путь ножа, рабочий угол резания ар уменьшается (ар<ак, ак ——конструктивный угол заточки), так как уменьшается угол подъема плоскости, в которой скользит материал со скоростью Это способ-
Рнс. 90. Схема механизма нагружения ленточного ножа раскройно-ленточной машины:Рнс. 90. Схема механизма нагружения ленточного ножа раскройно-ленточной машины:7 и 5—шкивы; 2—нож; 3—материал; 4— стол '7 и 5—шкивы; 2—нож; 3—материал; 4— стол 'ствует снижению шероховатости обрабатываемой поверхности.
Рнс. 90. Схема механизма нагружения ленточного ножа раскройно-ленточной машины:
Рнс. 90. Схема механизма нагружения ленточного ножа раскройно-ленточной машины:
7 и 5—шкивы; 2—нож; 3—материал; 4— стол '
7 и 5—шкивы; 2—нож; 3—материал; 4— стол '
Зависимость между углами ар и Ок выражается следующим уравнением
tg ар=tg %%/ ()/迎+ 圖)•
Уменьшение угла ар по сравнению с углом ар = ак для условий резания способом ножа способствует снижению шероховатости разрезанной поверхности и повышению точности обработки.
В раскройно-ленточных машинах ар меньше угла ак в десятки раз (ак ^ 15—20°).
При резании материалов ручной раскройной машиной с ножом, движущимся возвратно-поступательно, угол резания ар изменяется от своего минимального значения до максимального, когда ш = 0, (Хр = <Хк.
Мощность в кВт, расходуемая на перемещение ножа механизма раскройно-ленточной машины (рис. 90), определяют по формуле
^h=Powh/1000ti，
тде Ро — окружное усилие на ведущем шкиве; п — КПД с учетом потерь мощности на трение в парах (нож — направляющие, нож—шкивы) и в приводе.
Окружное усилие Ро определяют по разности усилий натяжения ножа в набегающей 户нб и сбегающей Fcg ветвях, рассматривая сначала равновесие элемента контура ножа с углом da. по проекциям сил на шкиве
£ X =一尸cos号 -d尸тр 一(尸+d尸)cos号 =0,
£y=dP+d/^_Fsin* —，+dF) sing=0,
где d尸口= м 叫切:da — центробежная сила (恤一масса ленты,, приходящаяся на единицу ее длины); dFTp=fdP—сила трения (f ——коэффициенты трения, dP — сила давления).
Из двух последующих уравнений после разделения переменных и, пренебрегая величинами второго порядка малости, получают
dF[F — т^^=fda.•
Так как при натяжении ножа сказывается влияние жесткости, что вызывает яриращение натяжения А戶,получают уравнение -
или兄=£бе% + ( △尸一恤就)(е〃一 1),
где 尸;& н 尸сб—усилия' натяжения соответственно в набегающей'и сбегающей ветвях ножа без учета его жесткости.
На основании теории изгиба значение AF определяют по выражению
^F=EJ/2r\
где EI — изгибная жесткость ленты； г — радиус шкива.
Расчетное окружное усилие Р° равно
p。=尸и6 一尸е6 = Fh6 ("a - 1) + ( А尸—加0欣)@a - 1)]修加.(14.9>
Натяжение в ветвях ножа в зависимости от начальных на
тяжений Fh определяют по выражению
Fh6 + Fc6 = 2Fh・(14.10)
Решая совместно два последних уравнения, получаем
36=久+年；a6=3一崇. (14.11)
Величину усилия Fh6 определяют по величине усилия Fnp, характеризующего предельное значение усилия для упругих деформаций, т. е. в пределах пропорциональности материала ножа при его минимальной ширине
FuGWRip，
Диаграмма распределения усилий по контуру ножа приведена на рис. 90.
Полное максимальное напряжение при работе ножа будет равно сумме напряжений растяжения а! и изгиба 02
°т ах = А +。2 М [°доп] ‘°т ах = А +。2 М [°доп] ‘(14.12)(14.12)
°т ах = А +。2 М [°доп] ‘
°т ах = А +。2 М [°доп] ‘
(14.12)
(14.12)
Рис. 91. Схемы силового нагружения рабочих органов машин резания материалов по способу ножниц:Рис. 91. Схемы силового нагружения рабочих органов машин резания материалов по способу ножниц:а—с ножами, расположенными параллельно; б—с ножами, расположенными под углом; s— с дисковым иожом; /, 2, 4 н 5—ножи; 3, 6 н•8—разрезаемый материал; 7——пазовый ролик; 9—днск режущийа—с ножами, расположенными параллельно; б—с ножами, расположенными под углом; s— с дисковым иожом; /, 2, 4 н 5—ножи; 3, 6 н•8—разрезаемый материал; 7——пазовый ролик; 9—днск режущий
Рис. 91. Схемы силового нагружения рабочих органов машин резания материалов по способу ножниц:
Рис. 91. Схемы силового нагружения рабочих органов машин резания материалов по способу ножниц:
а—с ножами, расположенными параллельно; б—с ножами, расположенными под углом; s— с дисковым иожом; /, 2, 4 н 5—ножи; 3, 6 н
•8—разрезаемый материал; 7——пазовый ролик; 9—днск режущий
а—с ножами, расположенными параллельно; б—с ножами, расположенными под углом; s— с дисковым иожом; /, 2, 4 н 5—ножи; 3, 6 н
•8—разрезаемый материал; 7——пазовый ролик; 9—днск режущий
где и】——максимальное напряжение растяжения ножа;(J2=E5jJ2r (6匕——толщина ножа).
Исполнительные механизмы машин резания материалов способом ножниц. К исполнительным механизмам, осуществляющим процесс этим способом, относятся ножницы с ручным и
механизированным приводом, применяемы^ в швейном производстве для раскроя текстильных материалов, а также рабочие механизмы в швейных машинах для обрезания кромки сшиваемых деталей, прорубания отверстий петель одежды, обрезания кромки деталей обуви, механизмов электробритв, машинок для стрижки волос.
В основе резания по способу ножниц лежит взаимодействие двух ножей с обрабатываемым материалом, лезвия которых расположены взаимно противоположно и касаются плоскостями одно другого.
Разрезаемый по толщине материал помещается в зазоре между движущимися навстречу ножами. .
Исполнительные механизмы для указанного способа резания встречаются в следующих конструктивных вариантах:
в виде ножей с лезвиями, расположенными параллельно од- но другому (рис. 91, а);丿
в виде ножей с лезвиями, расположенными под углом одно к другому (рис. 91, б);
в В'иде дискового ножа и пазового ролика (рис. 91,s).
Усилие резания для ножниц с параллельными ножами, равное Рср=5боср, вызывает на поверхности материала усилие смятия, направленное перпендикулярно наклонной плоскости лезвия ножа (см. рис. 91, а):
PCM = Pcp/sin a=b6%p/sin а=а加см，(14.13)
где b — ширина резания; 6 — толщина детали; аСр — предел прочности материала при срезании; а ——угол заточки ножа; а — величина соприкосновения лезвия иожа с материалом;’ Осм ——предел прочности материала при смятии.
Для ножниц с наклонными ножами полную силу срезания по ширине резания 瓦 можно выразить так (см. рис. 91,6):
ъ &
Pcp = JdP=卜 М%У，(14.14)
о 6
где dP ——элементарная сила, дейе^ВДощая на полоску площадью dxy.
Принимая величину усилия срезания пропорциональной глубине погружения лезвия ножа в материал, имеем
y/8—x/b или у=6х/Ь.
Тогда
尸ср=\ Ьср号 -0
После интегрирования окончательно получим ь
々Р=-"~~" \ xdx = аср8^2/2&= аср8б/2.о
Учитывая, что b^S/tg'ф, получим выражение для
尸叩=acp62/2tg <р.(14.15)
Это выражение показывает, что усилие Рср обратно пропорционально величине угла ф.
Мощность, расходуемую на процесс резания за цикл, определяют по формуле
"ср=РСр^ср»( 14.16)
где Рср——среднее усилие срезания за период изменения угла <р；侬ср — сред
няя скорость ножа.
Процесс резания с применением дискового ножа (рис. 91, в) заключается в том, что при взаимодействии катящегося режущего диска 9 с материалом 8, опирающимся на пазовый ролик 7, происходит ориентированное разрушение материала под действием напряжений вследствие действия нормальных сил Рн и 尸н‘, сил трения FTP и 尸;р, а также силы со стороны вершины лезвия.
Процесс резания в электрических бритвах，и машинках для стрижки волос осуществляется с помощью ножевых блоков. Электрические бритвы снабжены ножевым блоком, состоящим из подвижного и неподвижного ножей (сеток), которые в свою очередь состоят из элементарных лезвий, образованных отверстиями шестигранной формы, или в виде прямых прорезей, а электрическ'ие машинки для стрижки волос снабжены блоком, состоящим из ножей-гребенок. При бритье или стрижке подвижный нож блока срезает волосы, попадающие в отверстия неподвижного ножа — сетки или в прорези неподвижного ножа — гребенки.
По виду ножевого блока бритвы можно разделить на два основных типа: с непрерывным движением подвижных ножей (круглых и тарельчатых，—у бритв); с возвратно-поступательным движением подвижных ножей (гребенчатых ——у бритв и машинок, сетчатых и комбинированных — у бритв). Непрерывное движение создается за счет вращения ножей.
Основные параметры рабочих органов электробритв: относительная скорость движения ножей 2,5—5,5 м/с； угол заострения неподвижного ножа 30——35°, а угол встречи режущих кромок подвижного и неподвижного ножей 14——20°;
удельное давление подвижного ножа на неподвижный 4Х X Ю-2 Н/мм2;
при углах заострения 35—60° и линейной скорости подвижного ножа 2 м/с усилие на срезание одного волоса с условным его диаметром 0,15 мм составляет 0,46-10*—0,6-10 Н. Для угла 90° усилие срезания при той же скорости 1,2-10-— 1,3-10 Н;
Ширина прорези в неподвижном ноже блока 0,2—0,26 мм, а диаметр отверстия в режущей сетке блока, выполненного с отверстиями, 0,5—0,55 мм.
Для привода электробритв с возвратно-поступательным движением ножей применяют в основном электромагнитный вибратор, который обеспечивает до 100 двойных ходов подвижного ножа в секунду. Амплитуда колебаний ножа 2,8——3,5 мм. Для привода электробритв с вращательным движением ножей применяют электродвигатель.
Для привода электромашинки стрижки волос применяют также электромагнитный вибратор, обеспечивающий 10 ходов в секунду подвижного ножа.
Имеются сведения, что электробритвы с возвратно-поступательным движением подвижных ножей могут обеспечить более 254
высокую производительность и высокое качество бритья. Поэтому наблюдается тенденция к разработке конструкций такого типа электробритв.
этим потоком.этим потоком.Принцип действия электромагнитного вибратора основан на взаимодействии магнитного потока обмотки возбуждения I (рис. 92) и подвижного ротора 2, намагниченного一
этим потоком.
этим потоком.
Рис. 92- Принципиальная схема электромагнитного вибратора:Рис. 92- Принципиальная схема электромагнитного вибратора:дечники статора и ротора, обращенные друг к другу разноименными полюсами, создают силу притяжения ротора к полюсу сердечника статора. С изменением потока, вызванного действием переменного тока, изменяется полярность сердечников статора и ротора. При протекании токов за один период ротор притягивается к статору два раза или совершает следующее число колебаний в секунду (частота колебаний)
Рис. 92- Принципиальная схема электромагнитного вибратора:
Рис. 92- Принципиальная схема электромагнитного вибратора:
n=2f=2 * 50= 100 Гц,
где f—частота тока (f=50 Гц).
Силу сцепления (притяжения) полюсов определяют по формуле Максвелла
7—обмотка . возбуждения; '2—ротор подвижный7—обмотка . возбуждения; '2—ротор подвижныйP=4O,682S=4O,60^,(14.17)
7—обмотка . возбуждения; '2—ротор подвижный
7—обмотка . возбуждения; '2—ротор подвижный
где В ——магнитная индукция в воздушном зазоре между ротором н статором; S — площадь полюса статора; Фв — поток возбуждения.
Движущий момент, развиваемый ротором, равен
M№^Pl=Mn.c + MB.c + Ma,(14. 18)
где Р — величина силы сцепления в начальном положении ротора; / — плечо силы Р; Л1П.с и Мв.с — соответственно приведенные моменты полезных и вредных сопротивлений; Л4И ——приведенный момент инерции массы ротора.
Уравнение движения ротора представляется в виде
Р1 — Ме (% = /&,
где Мс ——момент сопротивлений в функции угла 屮 поворота ротора; /屮——момент инерции ротора.
Решая это уравнение, можно определить время перехода т ротора из начального положения в среднее (конечное). Если считать в первом приближении 陷©^应屮(月——коэффициент пропорциональности) ,то
T = ]///Farccos (Pl — k^)fPL
При конструировании электробритв очень важно обеспечить повышенную износостойкость ножей. Износ ножей определяет износ ножевой пары и оказывает существенное влияние на ка-
чество бритья. Степень износа ножей зависит от физико-механических свойств применяемых материалов, а также от скорости скольжения и нагрузки ножевой пары при работе.
Результаты исследований, проведенны'е Всесоюзным научно- исследовательским институтом по электробытовым приборам, показали, что качество электробритв с вращательным движением ножей является наилучш'им при частоте вращения ножей 3,5——4 тыс. об/мин. При увеличении частоты вращения ножа до 10——11 тыс. об/мин качество срезания волос остается практически постоянным.
При создании новых конструкций электробритв необходимо решить ряд конструктивно-технологических проблем: снижение уровня вибрации, повышение надежности ножевых блоков, способствующей повышению производительности и качеству бритья: разработка отсоса волосяной пыли; разработка конструкций, работающих на новых принципах (ультразвуковой, электроискровой) и др.、
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МАШИН ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ТРЕНИЯ
Исполнительные механизмы щёток обеспылива.ю- щих и отделочных машин. Механизм щеток, применяемых в машинах химической чистки, состоит из двух спаренных, вращающихся навстречу волосяных щеток / и 2 (рис. 93, а), изготовленных из капроновых нитей. Щетка 4 установлена в гнездах щек станины, щетка ? — на рычагах подвижной рамы 2, которая при регулировке может поворачиваться относительно пальцев, вставленных в станину, благодаря чему регулируется зазор между щетками.
Обрабатываемое изделие 4 подается сначала в направлении вращения, щеток, а затем против их вращения.
Для сбора грязи и пыли машина снабжена выдвижным ящи- ком-пылесбор ником.
Механизм щетки отделочных машин, применяемых в ремонтно-обувном производстве, представляет собой одну цилиндрическую волосяную щетку, взаимодействующую с обрабатываемым изделием. Обрабатываемое изделие вручную подводят к вращающейся цилиндрической поверхности щетки, которая закреплена в неподвижных опорах.
Ворс щетки представляет собой стержни малой жесткости. Эффект очистки зависит от размеров ворса и его механических характеристик.
Жвсткость ворса оказывает значительное влияние на процесс чистки. Толстый и короткий ворс является чрезмерно жестким и повреждает поверхность ткани. Тонкий и гибкий ворс более 556
Рис. 93. Схема взаимодействия очистительной щетки с обрабатываемым материалом:Рис. 93. Схема взаимодействия очистительной щетки с обрабатываемым материалом:а—в процессе работы обеспыливающей машины; 6—в процессе взаимодействия ворса с материалом; / и 4——щетки; 2—рама; 3—обрабатываемое изделиеа—в процессе работы обеспыливающей машины; 6—в процессе взаимодействия ворса с материалом; / и 4——щетки; 2—рама; 3—обрабатываемое изделие
Рис. 93. Схема взаимодействия очистительной щетки с обрабатываемым материалом:
Рис. 93. Схема взаимодействия очистительной щетки с обрабатываемым материалом:
а—в процессе работы обеспыливающей машины; 6—в процессе взаимодействия ворса с материалом; / и 4——щетки; 2—рама; 3—обрабатываемое изделие
а—в процессе работы обеспыливающей машины; 6—в процессе взаимодействия ворса с материалом; / и 4——щетки; 2—рама; 3—обрабатываемое изделие
эластичен, но сильно сгибается, снижая эффект чистки. Оптимальная жесткость щеточного ворса характеризуется коэффициентом жесткости ворсинки
叁=e人〃，
где Е — модуль упругости (8• 109—1,6• 106 Па); /с — момент инерции сечения; / — длина ворсинки.
При очистке поверхности тканей от пуха коэффициент жесткости ворса щеток лежит в пределах 0,015——0,10 Н-см.
Чтобы поверхность изделия очистить щетаой, к ней необхо
димо приложить силу давления, которая распределяется между элементами щетки ——ворсинками.
При работе щетки по дуге а (рис. 93, 6) различают три характерные ее части, в пределах которых осуществляются различные режимы работы ворсинок. Так, ворсинки, подойдя к границе дуги ai и соприкасаясь с материалом, оказывают на него давление с некоторой силой Р. При повороте щетки и попадании ворсинки в область дуги ai сила давления ворсинки на изделие постепенно увеличивается, увеличивается также ：сила сопротивления перемещению ворсинки, вызванная трением Pf, вследствие чего ворсинка теряет устойчивость на изгиб и деформируется (изгибается). Деформ ация ворсинки увеличивается, при повороте щетки по мере приближения ее к вертикали по диаметру, где величина деформации максимальна.
В области дуги а2 величина деформации ворсинки постепенно уменьшается. Минуя дугу а% т. е. при выходе из контакта с тканью.
концы ворсинки получают резкий скачок скорости w (до 10— 12 м/с) за счет потенциальной энергии изгиба ворсин. Это явление сопровождается колебаниями ворсин.
По данным научных исследований установлено, что частицы пуха и пыли с очищаемой поверхности изделия удаляются не всем ворсом, находящимся в контакте с изделием, а лишь той его частью, которая занимает близкое к нормальному положение по отношению к очищаемой поверхности и расположена в области рабочего угла ар. Ворс, расположенный в области
центрального угла 出+喝 значительно деформирован и угол: его встречи с очищаемой поверхностью больше л/2. Поэтому ворс в этой части поверхности изделия скользит по находящим* ся на ней частицам, не отделяя их от материала.
Между величинами углов аь (Х2, ссз и ар имеются постоянные соотношения, практически неизменяющиеся в тех пределах изменения радиальной деформации ворса, которые имеются при очистке тканей
ф=а1 + а3^；2,1а1;
恤/①力 1/5.(14.19}
Если через w^ обозначить число ворсин щетки, находящихся в контакте с очищаемой поверхностью, а через 2P — рабочее число ворсин, обеспечивающее очищение этой поверхности, д-о
2р/2к^ 1/5.
Если через 2。обозначить общее количество ворсин, равномерно распределенное на цилиндрической поверхности щетки ворса для случая, когда радиус очищаемого участка поверхности г=оо или близок к этому, то значение 之^ может быть определено по формуле
2K=20-2,lai/360,(14.20)
где ai = arc cos (1—AZ/гщ); △/—максимальная радиальная деформация ворса; Гщ — радиус щетки.
Средняя скорость движения концов ворсин при известной амплитуде колебания А определяют по формуле, описывающей колебательное движение ворсины,
др=4А/Т。，
где То — период основного колебания.
Так, при амплитуде 3,6 мм капроновая ворсина диаметром 0,3 мм и длиной 20 мм имеет среднюю скорость движения 2,28 м/с, а ворсина из мексиканской травы при таких же ее размерах 4,8 м/с.
Мощность, расходуемая на процесс чистки в обеспыливающих машинах (кВт), включает мощность, затрачиваемую на воздействие щеток о материал и мощность на йЬдачу изделия.
Мощность Л/щ (кВт) на воздействие щеток на материал определяют по формуле
^щ=2Рщ^щ/1000,(14.21)
где Рщ ——сила давления щетки на материал; f ——коэффициент трения щетки о материал (в зависимости от вида очищаемого материала и материала ворса щетки f=0,27—0,85);陋щ — окружная скорость щеток.
Мощность, расходуемая на подачу материала, кВт
Nn=PiL^\000,(14.22)
где Рц》2尸nJ — усиление подачи; wn — скорость подачи против вращения валов.
Исполнительные механизмы машин полирования и отделки ловерхностей материала. Типовыми механизмами являются рабочие механизмы -полотеров и цилиндрических полировальных щеток обувных отделочных машин.
В основе операции полирования поверхности материала лежит процесс его обработки с помощью трения волосяными щетками (полотеры) или кожаными (машины для отделки боковой поверхности каблуков обуви). Трение щетки об обрабатываемую поверхность сопровождается выделением тепла, способ- •ствукэщего расплавлению мастики, крема, воска или другого вещества, распределяемого равномерно тонким слоем на полируемой поверхности.
Основными вопросами, решаемыми при конструировании исполнительных механизмов машин полирования поверхностей, является правильный выбор конструктивных и рабочих параметров исполнительных органов, определение расчетной потребляемой мощности, конструирование передаточных механизмов привода.
Рабочим органом полотеров являются круглые вращающиеся плоские щетки, оснащенные мягким волосом. Щетки закрепляются в щеткод ер ж а тел е, который приводится во вращение через ременные зубчатые или фрикционные передачи (рис. 94). Частота вращения щеток полотеров составляет 80—100 об/мин.
Качество натирки пола характеризуется состоянием его поверхности после обработки лолоТера и оценивается способностью отражать падающий на него свет.
Рис. 94. Схема механизмов щеток полотеров:
а—однощеточного； 6—двухщеточного; в— трехщеточного; / и 2—ведущее н ведомое конические фрикционные колеса; 3 и 4— ведущие и ведомые зубчатые колеса； 5 и 7—ведущий и ведомые шкивы; 6—ре- мень
Качество натирки пола зависит от материала щеток, частоты их вращения и удельного на них давления. С возрастанием частоты вращения щеток до определенной величины при постоянном удельном давлении на них или при возрастании удельного давления на щетки при постоянной частоте их вращения
качество натирки пола улучшается. При дальнейшем увеличении удельного давления или частоты вращения щетки качество натирки вновь снижается, что обусловлено чрезмерным нагревом мастики, которой покрыт обрабатываемый пол. Удельное давление на щетки принимают равным 2——3,5 кПа. Площадь рабочей поверхности одной щетки составляет 80——100 см2 для трехщеточньгх полотеров, 90——120 см2---для двухщеточных и 140—160 см2 ——для однощеточных.
Производительность полотера (м2/ч) определяют по формуле
где w — скорость перемещения полотера при натирке (вдоль и поперек натираемой полосы), равная 0,5 м/с; и ——число двойных ходов электрополотера при натирке одной полосы до заданного блеска; В — ширина пути; L — длина хода электрополотера.
Рабочим органом машины для полирования обуви являются волосяные щетки (преимущественно для полирования верха обуви) и кожаные (для полирования уреза подошв и боковой поверхности каблуков). Рабочей частью таких щеток является их цилиндрическая поверхность.
Частота вращения щеточного вала, на котором закреплена щетка, составляет около 1300 об/мин.
При конструировании вала щетки обращают внимание На обеспечение его виброустойчивости и эффективность работы отсасывающего устройства, создающего нормальные условия работы для обслуживающего персонала.
Глава XV
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАШИН СКРЕПЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ОДЕЖДЫ И ОБУВИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СПОСОБАМИ
§ 1. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МАШИН НИТОЧНОГО СКРЕПЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ОДЕЖДЫ И ОБУВИ
Основные типы швейных машин и применяемые ис-
полнительные механизмы. Швейные машины, применяемые для ниточного скрепления деталей одежды и обуви, разделяются на промышленные и бытовые.
По технологическому назначению швейные машины делятся на следующие типы：
универсальные, выполняющие при ручном регулировании
различные стачивающие операции (одноигольные стачивающие машины)；- - 一
специализированное, предназначенные для выполнения одной или нескольких специальных строчек (двухигольные, машины зигзагообразной строчки； потайной строчки, с регулируемой посадкой ткани, вышивальные машины, машины для сшивания заготовок верха обуви и для пришивания деталей низа обуви);
Машины специальные полуавтоматического действия для пришивания пуговиц, для обметки петель, для изготовления закрепок 仄 др.; полуавтоматического действия для поузловой обработки (для обработки бортов пальто и костюмов, для обработки прорезных карманов и др.).
При многообразии ниточных скреплений, выполняемых на швейных машинах, применяется один из основных видов машинных стежков: двухниточный челночный или цепной. По этому признаку швейные машины разделяются на машины челночного и цепного стежков.
Типовыми исполнительными механизмами швейных машин являются: механизм иглы; механизм челнока (петлителя；—в машинах цепного стежка)； механизм нитепритягивателя (ните- податчика в машинах цепного стежка) и механизм подачи ткани. . 一 L
Основные требования к конструкции механизмов сводятся к следующему:
обеспечение требуемой надежности механизмов и в соответствии с циклограммой машины качества выполнения технологического процесса;
Минимальные инерционные нагрузки на звенья； достаточная прочность звеньев; .
достаточная износостойкость кинематических пар; надежность смазки трущихся пар;
низкий уровень шума;
обеспечение допускаемой температуры нагрева иглы; технологичность изготовления деталей и узлов.
Проектирование типовых исполнительных механизмов швейных машин. Среди парка швейных машин наиболее распространенными являются челночные швейные машины универсального типа.
Механизм иглы начинают проектировать с установления конструктивных и кинематических параметров иглы, обеспечивающих ее основные функции: прокол швейных материалов, проведение через них верхней нитки, образование петли верхней нитки (напуск) при обратном ходе иглы для захвата петли носиком челнока. Для выполнения этих функций игла совершает прямолинейное возвратно-псх?тупательное движение. Для преобразования вращательного движения главного вала машины в розвратно-поступательное движение иглы обычно применяют центральные кривошипно-ползунные механизмы. При проекти-
ровании механизма иглы сначала определяют длину иглы и величину ее хода, а затем находят кинематические и конструктивные размеры звеньев этого механизма, учитывая следующие условия работы иглы:
ткань должна подаваться тогда, когда игла находится вне ткани;
при перемещении иглы в нижнее положение ее колба (утолщенная часть) не должна касаться поверхности стачиваемых тканей;
иглодержатель не должен касаться прижимной лапки, поднятой в верхнее положение.
Рис. 95. Схема взаимодействия иглы (а) и прижимной лапки с материалом (6)
При определении хода иглы весь ее ход s0 условно разбивают на два участка (рис 95, а):
участок длиной 厶(когда игла находится выше стачиваемых тканей), равный холостому ходу иглы sx;
участок длиной /皿 т. е. /л длина лезвия； (когда игла располагается в ткани), равный рабочему ходу иглы Sp.
При проектировании центрального кривошипно-ползунного механизма общий ход иглы So будет равен двум радиусам кривошипа, т. е.
So=Sx+Sp=2 匚(15.1)
где Sx==l3+32 мм зависит от толщины сшиваемых материалов, от относительной продолжительности хода нитепрнтягнвателя при утягивании стежка и подачн материала; s^^m+c+e+Ъ — рабочий ход иглы (т — расстояние от острия иглы до ушка, равное 4—8 мм; с — ход иглы для обеспечения петли напуска, с=2—8 мм； е — расстояние от верхнего положения носнка челнока до уровня игольной пластинки, равное 7,5 мм; б — толщина сшиваемого материала для универсальных швейных машин 6тах=5+6 мм).
Общая длина иглы в соответствии с рис. 95,6 будет равна
/о=/л + /2+，з,(15.2)
где 勾——расстояние от поверхности материала до иглодержателя (для универсальных швейных машин /2=6 мм); /3^длина колбы нглы, находящейся в иглодержателе 也方隗 где d — диаметр иглы).
Диаметр и угол заточки иглы определяют в зависимости от сшиваемого материала.
Перемещение (путь) s с точки В игловодителя (рис. 96, а) будет равно разности координат
5 = Уо一％•5 = Уо一％•Рис 96. Схемы механизма иглы:Рис 96. Схемы механизма иглы:
5 = Уо一％•
5 = Уо一％•
Рис 96. Схемы механизма иглы:
Рис 96. Схемы механизма иглы:
а — кинематическая; б — в процессе выполнения полезной работы ИГЛОЙ，.
Положение точки В в крайнем нижием положении 8°, соот-
ты 拠где %=〃 厶ты 拠где %=〃 厶ветствующее расстоянию уо, определяется углом 屮=0 в уравнении, полученном в результате аналитического расчета координа
ты 拠
где %=〃 厶
ты 拠
где %=〃 厶
У^=г COS(р + ^———Г shl2(p=r +厶
Путь s для кривошипно-шатунных механизмов
(153,(153,s = r(l — cos 屮)土导 sir12g.
(153,
(153,
Скорость и ускорение точки В определяют, пользуясь предыдущим уравнением
w — sf—mr ^sin 屮干 ^~ sin 2勺),
a=s〃=rN(c0s у 干 / cbs 2y) *
Кинематаческие параметры точки В могут быть найдены также путем графического метода исследования механизма.
Кинематические размеры звеньев центрального кривошипно- ползунного механизма определяют в такой последовательности: сначала по общему ходу иглы s。определяют радиус кривошипа г=ОАй=5^2.
В кривошипно-ползунных механизмах отношение х радиуса кривошипа г к длине шатуна Z называют геометрической характеристикой механизма. В механизмах иглы универсальных швейных машин %=0,22—0,43.
Величина % оказывает влияние на закон изменения ускорения игловодителя, а следовательно, и на динамику этого механизма.
При малом значении % закон изменения ускорения нгловодн- теля приближается к требуемому косинусоидальному, благоприятному в отношении динамических усилий. Увеличение / влечет за собой увеличение габаритных размеров механизма, а уменьшение радиуса лимитируется технологическими и конструктивными условиями..
Длину шатуна I можно найти, задаваясь значением х в указанных пределах.
'Механизм иглы в движении подвержен действию приложенных к нему сил. Расчет механизма в движении производят на основании динамического расчета, при котором решают две основные задачи: уравновешивание механизма и обеспечен ние равномерности движения главного вала машины.
Первую задачу решают путем рационального построения звеньев механизма； устраняющего вредное влияние сил инерции на механизм и корпус машины, вторую1—подбором массы маховика, ；регулирук>щим во время движения вала приращение кинетической энергии.,
:：При динамическом расчете механизма иглы учитывают: движущую силу, сообщаемую ведущему звену движущий момент и определяемую посл^ силового расчета;
силу полезного сопротивления^ равную в первом приближении Р = Ртах(Л—ф)/фр (рИС. 96,6),
где Ртах ——максимальное усилие прокола, равное 4——9 Н;-фр ——рабочий угол поворота главного вала, соответствующий проколу материала; Р — текущее значение силы полезного сопротивления, соответствующее углу срр;
силу вредного сопротивления (обусловленную преодолением треййя) ； учитываемую поправочным коэффициентом 月=1,3'■—1,5 к движущему моменту;•.
силу тяжести звеньев! .(порядка 0,L5y0,5 Н) при расчете обычно не учитывают из-за ее незначительной величины;
силы инерции, являющиеся основными нагрузками в механизме.
Эти силы определяют при кинетостатическом методе расчета механизма.
Полное уравновешивание сил инерции механизма возможно, когда центр массы механизма неподвижен. Этого можно достичь установкой двух противовесов на кривошипе и шатуне. Но установка противовеса у шатуна вызывает появление добавочных нагрузок в шарнирах и направляющих ползуна.
На. рис. 96, а приведена часто применяемая схема механизма нглзы с размещенными массами, позволяющая частично уравновешивать механизм одним противовесом в-точке К
Условие частичного уравновешивания. определяется положением траектории центра масс, совпадающей с направляющей ползуна, т. е. эта траектория вертикальна. При этом уравновешиваются лишь вертикальные составляющие сил инерции, а горизонтальные, оставаясь неуравновешенными, действуют в направлении горизонтальной траектории центра масс.
Массу mF противовеса определяют из условий динамического равновесия центра масс, которая равна
г Z — 6
ПТF —加■? ,
где m2 — масса шатуна; b — расстояние от центра, шарнира шатуна и кривошипа до центра массы шатуна; с—расстояние от оси вращения кривошипа до центра массы противовеса.
Расчет прямых игл производится на продольный изгиб по формуле
尸max《°кр= ^Е1 „ни他2发н，
где Ркр ——продольная критическая сила, при которой ось иглы может полу- чить прогиб, при максимальной нагрузке Ртах；々一коэффициент приведе- ния Длииы иглы 仅=2)； £一модуль первого рода материала иглы; Zmtn — момент инерции ослабленного поперечного сечения; /с.и — свободная длина иглы (от острия до колбы)
При проектировании механизма челнока выби- рают тип челночного устройства и тип механизма. Все челноки классифицируют по их расположению в плоскости движения (вертикальная； горизонтальная), виду движения ^поступательно движущиеся, качающиеся, вращающиеся (ротационные); по фор- ме (цилиндрические, круглые, чашеобразные); по конструкции шпульки (центрально-шпульные и нецентрально-шпульные).
На рис. 97, а показана схема челночного механизма универсальной швейной машины с ротационным челноком. Передача движения от главного вала этому механизму осуществляется при помощи конических зубчатых передач. “
Вместимость челнока (рис. 97,6) определяют оптимальным соотношением DKb^ (D4'—наружный диаметр челнока； Ьч—- ширина челнока).
2652659 Заказ. № 266
265
265
Для машины 1022 кл. Оч/йч = 2,8.
Вместимость шпули определяют в зависимости от размеров челнока '
где At н йг-——конструктивные коэффициенты, учитывающие увеличение дна- метра н длины яелнока за счет толщины стенок челнока; /)шп и Ьщи——диаметр н длина шпулн.
Рис. 97. Схема челночного механизма: _
а—кинематическая схема; б—схема челночного устройства; в—схема силового нагружения шпуледержателя: /—главный вал машины； 2 и 3—зубчатые пары конические： 4 — устройство челночное; 5 и 10 — шпуледержателн; 6 и 9 — шпулн; 7 — вал челнока； 8 — челнок
Вращающиеся челноки применяют, как правило, в быстроходных машинах. Угловая скорость челнока, например, в машине 97 кл. составляет соч=5000—6000 рад/с.
Большая частота вращения вызывает значительные нагрузки на детали челночного устройства. На рис. 104, в показана схема сил, действующих на шпуледержатель в челночном устройстве. Сила Pi ——это геометрическая сумма сил: тяжести Р“ центробежной силы инерции & вследствие неуравновешенности инерционного момента Л4И челнока, и силы Р^ натяжения игольной нити при обводе петли напуска.
Наибольшая величина Р】имеется в период расширения и начала обвода петли. Величина силы РНт^ Ю Н.
Сила Ро=2 исходит от реакции челнока на установочный па- 266
лец шпуледержателя, сила Р』2 — от реакции со стороны челнока на шпуледаржатель.
Реакция Р\=2 без учета трения должна проходить через ось О вращения челнока. С учетом сил трения она будет касаться круга трения, очерченного из центра 0 радиусом r^rof (；о — радиус цилиндрической поверхности ободка; f ——коэффициент трения, равный tg<pTp;(ртр — угол трения).
Для уменьшения износа деталей челнока и шпуледержате- ля нужно уменьшать реакции Р0=2 и Р】=2 за счет облегчения шпуледержателя и шпульного колпачка, снижения силы трения челнока.
Проверку челнока на нагрев производят по выражению
pw^lpw^, (15.4)
где р= PH/b4Dn, w==jiDnn4 (р ——удельное давление; Р齿 ——нормальная сила давления между челноком н шпуледержателем; Ьч ——ширина пояска шпуледержателя; Dn — его диаметр； %ч ——частота вращения челнока). .
При динамическом расчете челночного вала учитывают его крутильные колебания, определяющиеся частотой свободных колебаний
= ]/ 3£'/с/(/1 十/2) /2/п, (15.5) где 々一коэффициент жесткости; т масса челнока; Е н /с — модуль упругости материала н момент ннерцнн поперечного сечення вала; /t н /2 — соответственно расстояния между серединами подшипниковых втулок н от центра тяжести челнока до середины ближайшей подшипниковой втулки челночного вала (см. рис. 97, а).
Мехайиз.м нитепритягивателя проектируют на основе его функциональной схемы, обеспечивающей требуемую закономерность подачи нитйи в зависимости от угла поворота главного вала. ■
Нитепритягиватели служат для подачи нитки игле и челноку, для вытягивания ее из челночного устройства, затяжки стежка и сматывания нитки с катушки при образовании последующего стежка. Длина потребляемой нитки в разные этапы образования стежка различна.
Правильная работа нитепритягивателя обеспечивается при условии, чтобы длина подаваемой или вытягиваемой нитки строго соответствовала длине, необходимой на образование стежка.
Так, общая длина нитки, подаваемой для процесса петлеобразования, определяется суммой длин участков развернутого в вертикальной плоскости контура .нитки при крайнем нижнем положении иглы и при огибании ниткой челнока
/н.н+ ^н.ч»
f/w Zh.h = 2/i+26 4-sCt/2 — необходимая длина нитки при движении нглы вниз (А ——расстояние от ушка иглы в крайнем нижнем положении до поверхности. игольной пластинки; 6 ——толщина стачиваемых материалов； Sct —— шаг стежка); /н.ч 一 необходимая длина нитки при огибании ею челнока.
Величина 及内 соответствует огибаемому контуру нитки (рис. 98, а)
工=% + 2夂 + 2(% — r)4/2)l/cos а.,
Здесь bq и Оч ——ширина и диаметр челнока; 1^—расстояние от игольной пластинки до оси вращения челнока; а>—угол нитки, в петле.
Рис. 98. Схемы работы нитепритягивателя при подаче верхней нити в процессе образования стежка:Рис. 98. Схемы работы нитепритягивателя при подаче верхней нити в процессе образования стежка:3—точка положения нитепритягивателя； С, Л—точки положения нитки, в нитенаправителях; /—лапка прижимная; 2—нитепритягиватель; 3—компенсатор иатяжеиия ииткн; 4—тормоз (регулятор натяжения верхней нитки); 5—игла; 6—челнок
Рис. 98. Схемы работы нитепритягивателя при подаче верхней нити в процессе образования стежка:
Рис. 98. Схемы работы нитепритягивателя при подаче верхней нити в процессе образования стежка:
Общая длина нитки, подаваемой нитепритягивателем при переходе его из положения 5后 в положение Вн для полного цикла петлеобразования, из графического построения (рис. 98) составит
/о.н= (/Вв + СВв) — (АВ^ + СВ^). ,
После определения необходимой общей длины верхней нитки и хода нитепритягивателя 5Н строят график (кривую)厶.н= = f((p), показывающий зависимость количества подаваемой нитки /о.н от угла ср поворота главного вала (кривая подачи нитки) в соответствии с фазами действия рабочих органов (рис. 99). При этом предусматривают резерв (〜15%) на увеличение шага стежка или утолщение сшиваемых материалов. Устранение излишнего резерва нитки достигается пружинным компенсатором натяжения нитки.
Основой для выбора закономерности движения механизма нитепритягивателя является Кривая пэдачи нитки /0H = f((p).
Зная величину подачи нитки для каждого положения главного вала и выбрав схему механизма нитепритягивателя, находят соответствующие положения рычага нитепритягивателя и
添
，Qh"例
06разо8ани,е т 1 петли.
io-。/? тнани.
I Проведение нитки 片 I через ткань
卩 е*〃£КЖ^
“ о5воЗ петпй
Сход петли, с "oq汉К& челнока.
从俨0@ ткана
0 夕5 90 戸$，80 225 270 375 %。夕
Рис. 99. График подачи нитки:
/—подача нитки в соответствии с закономерностью движения иглы; //—отсутствие подачи нитки; /〃一подача нитки, необходимой на расширение и обвод петли через челнок; /V—момент снятия петли с челнока и затягивание стежка '
Рис. 100. Схема силового нагружения верхней нитки:
1—ннтепрнтягиватель; 2—игла; 3—компен- сатор; 4—тормоз (регулятор натяжения нитки)
размеры его звеньев в процессе синтеза механизма. В швейных машинах челночного стежка применяются следующие типы механизмов нитепритягивателя: кулачковый, шарнирно-рычажный, кулисный, вращающийся. Полезной нагрузкой нитепритягивате- 工я является нагрузка от геометрической суммы сил, действующих на сбегающей и набегающей ветвях нитки в《глазке》 (точка В) нитепритягивателя, изображенного на рис. 100, в период утягивания стежка. В этот период имеет место неравенство
Рн6 = Рс<Рс6,'
гпе Рнб—усилие в набегающей ветви; Рс — сила сопротивления при утягивании стежка; РСб——сила, действующая на сбегающей ветви в сторону тормоза (регулятора подачи верхней нитки).
%=26口"，
где f ——коэффициент трения нитки в глазке; а——угол обхвата нитью иите- притягивателя.
IIВ основе расчета тормоза нити положена формула —
(15.6) /i«i
!где 尸[б—сила натяжения ветвн ннткн по направлению от тормоза к ните-
■Iпрнтягнвателю (~ 4H прн Рн 〜]]Н); Рк — сила натяжения ниткн, обуслов-
'ленная сматыванием ннткн с катушкн (〜0,1——0,2 Н); Р^р ——сила давления
спиральной пружины тормоза; “, ,％ fs — коэффициенты треиня соответствен- %но нитки о цилиндрическую поверхность шпильки и о торцовые поверхно-
стн шайб; ai ——угол обхвата шпильки ниткой (а( = л/2).
Рассмотрим метод проектирования механизма подачи на примере проектирования зубчатого реечного механизма, ко- ,1торый применяют у большинства швейных машин универсально-
*го типа и некоторых специализированных машин.
Транспортирование ткани рейкой осуществляется за счет сил сцепления зубцов рейки с материалом 弘 прижима материала '!сверху подпружиненной лапкой. Рейка захватывает зубцами
ткань при каждом обороте главного вала, полуфабрикат при этом движется прерывисто.
Механизм реечной подачи проектируют в определенной последовательности: выбор структурной схемы механизма; определение углов поворота валов подачи и подъема рейки; определв' нн€ размеров звеньев механизмов подачи и подъема рейки; конструктивное оформление.
Механизм реечной подачи представляет собой многозвенную кинематическую цепь с двумя ведущими звеньями и состоит иа трех взаимосвязанных механизмов: механизма взаимодействия зубчатой рейки с материалом и механизмов подъема и продви* 'жения рейки.
Типовой механизм подачи (реечный) универсальной швей' “ной машины приведен на рис. 101, а. В нем для подъема рейки
используется кулиса, что упрощает конструкцию механизма.
!Параметры механизма подачи ткани определяют по зада
ваемому эллипсу, показанному на рис. 101, б. Эллипс соответ- 「ствует траектории вершины расчетного зуба с шагом рейкн
j§1 = 1,2 s (s——шаг строчки) и общей высотой подъема зуба
2Н. Обычно s = 4—5 мм и Н=23 мм. Вертикальная ось эллипса, равная 2Н, соответствует направлению движения иглыу а горизонтальная, равная 邑,параллельна уровню игольной 、пластинки. За расчетный зуб принимают тот, который находит- 、ся на линии движения иглы, когда последняя находится в край
нем верхнем положении. При заданных положениях неподвиж- ；ных опор относительно осей эллипса геометрическим построе
нием определяют углы поворота валов и размеры звеньев.
Среднюю скорость подачи вычисляют по следующей формуле, считая, что за цикл движения рейки ткань перемещается на длину
G^cpu^ 孔 s,(15.7}
где п — частота вращения главного вала.
Силу FTp, необходимую для транспортирования многослойного материала, определяют по формуле
尸 тр=Р 1伉 + (г — 1) 2f2]»
где Pi — сила давления на ткань прнжнмиой лапкн (равная 15—50 Н);厶一 коэффициент сцепления зубцов рейкн с тканью, равный 0,5—1,3; ^—коэффициент трення тканн о ткань, равный 0,4—1,0; z — число слоев транспортируемой тканн.
Рис. 101. Схемы подающего механизма:
с—исполнительного механизма; 6—траектория движения расчетного зуба рейки; 8•—взаимодействие рабочих органов подающего механизма с тканью； / и 3—эксцентрики; ■ 2— кулиса; 4——главный вал; 5——рычаг механизма регулировки шага подачи; 6—рейка; 7 и ff—рычаги угловые; 8 и /0—валы
Для нормальной работы машины движущая сила Рдв должна удовлетворять условию
рдв = ргр^f1+а + а + 戶 дф,
где F[ н 尸2—силы трення материала о лапку н платформу машины (Ft=： = P"i；尸2 = Р"з,『1 = 0,22—0,3;，з = 0,2—0,4; гт — сила тяжёстн изделия); 尸м ——сила ннерцнн изделия, равная—^- ау (ау — горизонтальная составляю-
ща兄 общего ускоренияща兄 общего ускоренияш ——скорость переме-ш ——скорость переме-
ща兄 общего ускорения
ща兄 общего ускорения
ш ——скорость переме-
ш ——скорость переме-
хцення изделия; г — радиус кривизны траектории расчетного зуба рейки); Рд巾 一 сила, затрачиваемая на деформацию материала. ，
На основе кинетостатического расчета механизма опреде- ляют движущую силу ведущих звеньев механизма и рассчи^ тывают прочность деталей механизма.
Расчет привода швейной машины. Мощность электродвигателя привода швейной машины определяют за цикл, исходя из полной работы сил полезкбтх Лп. с и вредных сопротивлений Лв. с, приведенных к главному валу машины, составляющих общую работу сил сопротивлений Дс.
Полная работа сил полезных сопротивлений за один оборот главного вала
(15.8) где АИ} Ач, Ан и Дп—— работа сил полезных сопротивлений соответственно иглы челнока, нитепритягивателя и механизма подачи.
Работу Ли определяют по формуле
4=2рА + 2р,(2/ + 3),
где Pep I ——среднее усилие при прокалывании иглой ткани; 6 ——толщина сшиваемой ткани; РсРз — среднее усилие при выходе иглы из ткани; I ——расстояние от нижнего конца иглы в крайнем нижнем положении до верхней плоскости платформы; 6 ——толщина сшиваемой ткани.
Полезные сопротивления и работа их сил в механизме челнока весьма незначительны. Поэтому ее обычно не учитывают.
Работа Лн идет на преодоление сопротивления • при движении нитепритягивателя. Эго сопротивление обусловлено натяжением верхней нити со стороны тормоза и сопротивлениями при относительном движении ее через .глазок нитепритягивателя, нитенаправители и в процессе затягивания переплетения, верхней и Нижней нитей в материале. Эту работу определяют по геометрической сумме сил натяжения ветвей нити в глазке на пути движения нитепритягивателя.
Работа Лп идет на преодоление усилий подачи материала
4п=Рдв ⑫ СрТц$
raeF — среднее время подачи.
К силам вредных сопротивлений относятся главным образом: силы трения, совершающие отрицательную работу； силы тяжести, работа которых за цикл равна нулю, и силы инерции, возникающие при неравномерном движении звеньев.
-Обычно для упрощения определения сил трения при кинето- статическом расчете сначала определяют давление в кинематических парах, предполагая, что трение между ними отсутствует. В дальнейшем, выбрав значения коэффициентов трения, определяют силы (моменты) трения, возникающие в кинематических парах.
Силы тяжести не вводят в расчет вследствие их малости.
Для быстроходных швейных машин силы инерции имеют пре- валирующее значение. Силы инерции звеньев определяют методом кинетостатики.
При анализе работы швейных машин силы вредного сопротивления определяют исходя из КПД машины, который вытас- ляют по формуле
П = 4цс//дв=(/ав —Авс)/Адв= 1 一 4с/4в=】一Л1*
где Адв — работа движущих сил;巾一，коэффициент потерь.
272
- Для универсальных швейных машин 1022 кл. т] = 0,15—0,2, а П1 = 0,8.
Работа сил полезных сопротивлений за один оборот главного вала обычно составляет в среднем 40 Н-см, тогда
■4дв=24Пс/п = 40 : 0,2=200 Н • см.
Работа сил вредных сопротивлений за один оборот главного вала составит
/в.с=/двП1 = 200・0,8= 160 Н*см.
Работа сил сопротивления определяется равенством /с=/ц.с + 厶вс
Подсчитав зйачения Лс, строят для соответствующих углов поворота главного вала машины диаграмму Лс и Лдв (рис. 102). Эти работы при установившемся движении машины за цикл
движения главного вала должны быть равны, т. е. ЛДВ=ЛС. Внутри же цикла имеем ЛДВ=/=ЛС, что характеризует неравномерное движение главного вала при избыточном значении работы /聪^^/耳讨―/」Избыточная работа затрачивается на изменение кинетической энергии главного вала.
Мощность электродвигателя машины (в кВт) определяют по формуле
M『4j4000, (15.9) 2霏
где 4 = I Azd^/2n — среднее значе- ср о
ние работы сопротивлений за один оборот главного вала (рабочий цикл); п ——частота вращения главного вала.
Для равномерности движения главного вала швейной машины
Рис. 102. Диаграмма работы швейной машиныРис. 102. Диаграмма работы швейной машины^》=4A 4з6тах/^н.х%^》=4A 4з6тах/^н.х%(15. 10)(15. 10)применяют маховик. Маховой момент при этом определяют по формуле
Рис. 102. Диаграмма работы швейной машины
Рис. 102. Диаграмма работы швейной машины
^》=4A 4з6тах/^н.х%
^》=4A 4з6тах/^н.х%
(15. 10)
(15. 10)
где m и D — масса и диаметр маховика; ДАизбтах—максимальное значение избыточной работы; 々н.х ——коэффициент неравномерности хода (йн.х—0,15—— 0,2);(Орс — средняя угловая скорость главного вала.
Маховики швейных машин имеют массу от 1,24 до 0,62 кг и диаметры от 160 до 120 мм. При отсутствии маховика его роль выполняет главный вал со всеми сидящими на нем деталями и шкивом для ремня.
Коэффициент неравномерности хода машины 月氏* у первых соответственно 1/110 и 1/20, а в последнем случае 1/5. Так как у швейной машины период установившегося движения мал, а в некоторых случаях этот период не существует вследствие непрерывного чередования разбега и выбега, то величина 々н.х рекомендуется равной 1/20. При очень малой величине коэффициента 々н.х возникают значительные инерционные нагрузки и вибрации.
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ МАШИН СКРЕПЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НИЗА ОБУВИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ КРЕПИТЕЛЯМИ
Основные требования, предъявляемые к конструкции механизмов. К типовым машинам для механического скрепления деталей низа обуви металлическими крепителями (гвоздями и шпильками) относятся машины для прикрепления подошв, подметок, набоек и каблуков. Эти машины снабжены исполнительными механизмами для поштучного забивания гвоздей и шпилек (машины для прикрепления подошв, подметок, набоек) или механизмами для одновременного впрессовывания нескольких гвоздей (машины для прикрепления каблуков), а также механизмами упоров.
К конструкции исполнительных механизмов и узлов этих машин предъявляют ряд следующих требований:
.обеспечение правильного направления движения крепителей в скрепляемых деталях;
соответствие приведенной массы ударника параметрам процесса забивания;
амортизация удара в момент забивания гвоздей и шпилек; износостойкость деталей сборочных единиц;
требуемая точность сопряжения деталей в сборочных единицах.
Конструирование исполнительных механизмов забивания гвоздей и шпилек. В машинах, поштучного забивания процесс забивания осуществляется под действием ударной нагрузки ударника, время действия которого протекает в течение очень малого времени (тысячной доли секунды).
Движение ударнику сообщается от механизма забивания (кулачкового и эксцентрикового, а также пружинно-кулачкового). При проектирования этих механизмов необходимо знать усилие и работу забивания.
В кулачковых механизмах движение ударника при ударе и при подъеме осуществляется посредством кулачка или эксцентрика. Кулачковые механизмы применяют при небольшой частоте вращения (до 300—400 об/мин) и малых ходах и размерах кулачка. При большой частоте вращения кулачка возникает большая сила удара, приводящая к колебаниям машины.
На рис. 103, а приведена схема эксцентрикового механизма забивания шпилек из навинтованной проволоки.
Ход ударника s определяют по следующей зависимости:
s Q /max+厶 +Ь
где /таг 一максимальная длина шпильки;厶 и 勾—расстояния соответственно между ударником и шпилькой, шпилькой н изделием.
Рис. 103. Схемы механизмов забивания гвоздей (шпилек) машин скрепления деталей низа обуви:Рис. 103. Схемы механизмов забивания гвоздей (шпилек) машин скрепления деталей низа обуви:
Рис. 103. Схемы механизмов забивания гвоздей (шпилек) машин скрепления деталей низа обуви:
Рис. 103. Схемы механизмов забивания гвоздей (шпилек) машин скрепления деталей низа обуви:
«—эксцентрикового; б—пружинно-кулачкового; в—в процессе забивания гвоздя (шпильки); /—патрон — отсекатель шпилек; 2—ударннк; 3—тяга； 4—эксцентрик; 5—муфта; 6— шкнв; 7—пружина; Й—кулачок; 9—звено шарнирное; /0—гвоздь; //—скрепляемый материал
Для уменьшения сил инерции, ускоряющих износ деталей механизма, штангу ударника делают облегченной, но с большой скоростью, увеличивающей кинетическую энергию. У большинства машин масса штанги составляет от 200 до 600 г.
Время, в течение которого опускается ударник, должно быть возможно меньшим, и особенно для быстроходных машин. В зависимости от циклограммы и быстроходности проектируемых машин оно составляет от 0,01 до 0,025 с.
При проектировании кулачковых механизмов и выборе их структурных схем, скоростей и перемещений необходимо учи-
тывать углы давления во избежание быстрого изнашивания деталей и возможного заклинивания механизма. Большое значение для повышения сроков службы деталей механизма имеет рациональная конструкция узла, выбор материала, термообработка и смазка.
На рис. 103, б приведена кинематическая схема пружиннокулачкового механизма для забивания гвоздей. В нем силовое замыкание осуществляется пружиной, которая сообщает ударнику движение для забивания гвоздя.. Штангу ударника поднимает кулачок. Фаза действия механизма согласуется с усилием .пружины и сопротивлением погружению крепителя в материал. Упругие свойства пружины определяются из необходимости обеспечения потребной потенциальной энергии ударника 2 (р-ис. 103,6) на проникание гвоздя 10 в материал 11 под действием ударной нагрузки, исходящей от ударника, с которым жестко связана пружина 7.
Работу пружины ударника определяют по выражению
j Рпр^Х，
где Рцр — текущее значение снлы; dx ——бесконечно малое перемещение ударника.
Заменив неизвестную переменную силу Р^ через начальное значение силы пружины Рцр。, значение си^ы^пружины РПР1 в момент соприкосновения с гвоздем и через ход ударника h на основании соотношения (для пружины с линейной силовой характеристикой)、
(戶呐一 Rp J他=(аp 一戶呐)/(九一 X) определяем выражение силы
Rip= pRpo — ("про — Pupi) х/九
Подставив это значение в выражение работы пружины, находим 4p=j[Pnpo 一 ("про — Pnpi)*/力]dx =
=Pppo" — (P про - P 呐)*/2用 +g0.
Постоянная Со равняется нулю, так как при 尤=0 работа пружины /Пр = 0, тогда
4ip=Q и/ —(戶 про —戶 npJ//2/?・
Значение силы РПр】 определяется величиной силы сопротивления 戶cmad необходимой для забивания гвоздя в материал. /〉弋)■
Текущее значение скорости движения ударника w определяют из уравнения кинетической энергии
加陋/2— /7га^/2=4р+Ат + лтр,( 15.11)
где w0 — скорость ударника в начале движения; А^ — Р^х н ДТр=^тр^— работа от действия снлы .тяжести Рт ударннка и трения 尸тр штангн о направляющие.
Скорость w равна.
■яу = /[2 (Р“р。+ А —尸тр) х/加一(Ар。一戶叩J 尤2/〃加j. (15.12)
В уравнение (15.12) необходимо еще добавить работу сил сопротивления при забивании Рс. Считая в первом приближении, что сила Рс изменяется пропорционально глубине забивания, и заменяя 0е значением "с = "стах“〃("^^^一 максимальное значение силы сопротивления в конце забивания гвоздя длиной /), из уравнения движения ударника получают скорость w в новой системе^координат (рис. 103, в)
-2/成俨揖2/2/+户詞.
Скорость в конце забивания получают при замене переменного х через /.
Сила РПр2 в конце забивания передается как ударная нагрузка на материал и опору.
В машинах для одновременного внедрения в материал нескольких крепителей применяют безударную плавную нагрузку от механизмов, работающих по принципу механизмов прессов, работа которых основана на взаимодействии двух исполнительных механизмов с соответствующими рабочими органами для:
предварительного подпрессования скрепляемых материалов и
забивания гвоздей в скрепляемые материалы/
Механизмы для забивания гвоздей снабжаются либо ручным приводом от маховика с ^системой передач, связанной с опускающимся упором при внедрении крепителей, либо гидроприводом.
Расчетную нагрузку па рабочий орган ——куст молотков при внедрении крепителей определяют по формуле
Р р= Р max^j
где Рр——среднее результирующее уснлне прн внедрении крепителей; Ртах —— максимальная величина снлы сопротивления, необходимая для внедрения одного крепителя; z——количество одновременно внедряемых крепителей.
Механизмы упоров. Упоры служат для установки и перемещения изделия относительно ударника (молотка) и в процессе обработки, воспринимая нагрузку при скреплении деталей.
Основными специфическими вопросами проектирования и расчета механизмов упоров являются: определение ходов, точности установки изделия, регулирования положения, определение нагрузки на опору и ее амортизация, обеспечение правильного направления движения крепителя и его загибания.
На рис. 104, а приведена схема механизма упо^а применительно к машине для скрепления деталей низа обуви гвоздями и шпильками. Нагрузка, приходящаяся на упор, передается от ударника 1, производящего удар по забиваемой шпильке.В процессе внедрения шпильки сила ударника Ру уравновешивается силой сопротивленияНа рис. 104, а приведена схема механизма упо^а применительно к машине для скрепления деталей низа обуви гвоздями и шпильками. Нагрузка, приходящаяся на упор, передается от ударника 1, производящего удар по забиваемой шпильке.В процессе внедрения шпильки сила ударника Ру уравновешивается силой сопротивленияРнс. 104. Схемы механизмов упоров:Рнс. 104. Схемы механизмов упоров:а—принципиальная; 6—процесса загибания гвоздя; /—ударник； 2—кнопка; 3—рог-упор； 4—пружина; 5—скрепляемые деталиа—принципиальная; 6—процесса загибания гвоздя; /—ударник； 2—кнопка; 3—рог-упор； 4—пружина; 5—скрепляемые деталиРс материала внедрению, воспринимаемой упором, В конце операции сила РУ>РС практически не бывает равной нулю, поэтому она расходуется частично на деформацию материала изделия и частично на деформацию пружины упора.
На рис. 104, а приведена схема механизма упо^а применительно к машине для скрепления деталей низа обуви гвоздями и шпильками. Нагрузка, приходящаяся на упор, передается от ударника 1, производящего удар по забиваемой шпильке.
В процессе внедрения шпильки сила ударника Ру уравновешивается силой сопротивления
На рис. 104, а приведена схема механизма упо^а применительно к машине для скрепления деталей низа обуви гвоздями и шпильками. Нагрузка, приходящаяся на упор, передается от ударника 1, производящего удар по забиваемой шпильке.
В процессе внедрения шпильки сила ударника Ру уравновешивается силой сопротивления
Рнс. 104. Схемы механизмов упоров:
Рнс. 104. Схемы механизмов упоров:
а—принципиальная; 6—процесса загибания гвоздя; /—ударник； 2—кнопка; 3—рог-упор； 4—пружина; 5—скрепляемые детали
а—принципиальная; 6—процесса загибания гвоздя; /—ударник； 2—кнопка; 3—рог-упор； 4—пружина; 5—скрепляемые детали
Величину силы упора 力现 определяют из уравнения количества движения
Шуп^ж — ^ yntcp, откуда
戶 уп= ^у@к/Тср,
где /Пуп — масса упора;缈к — конечная скорость ударника; тср ——среднее время внедрения шпнлькн (если принять скорость внедрения шпильки ⑪ постоянной, то Тер—-//^> / ——длина шпнлькн). “
Полученная скорость ударника и упора 5K создает кинетическую энергию £к=^уп^к2/2, которая поглощается силой Рпр пружины упора.
Среднее значение силы пружины определяют по формуле
Рпр = £к/九 пр, где 入пр ——осадка пружины прн перемещении упора, зависящая от упругих свойств пружины.
Следовательно, силу удара, передаваемую на основание машины, можно изменять за счет упругих свойств пружины, амортизирующей удар.
При проектировании упоров машин для скрепления деталей гвоздями необходимо обеспечить правильное загибание гвоздя на кнопке рога-упора. Этого достигают за счет создания эксцентриситета е и определенного угла наклона поверхности кнопки по отношению к вертикали (рис. 104,6).
Для загибания стержня гвоздя под действием силы Р，， преодолевающей силу сопротивления скрепляемого материала гвоздем и вызывающей силу трения гвоздя о материал 2PH力 необходимы условия: ~
戶зг〉尸тр или g sin а〉g/i cos 屮， или tga〉tgy и а〉.
где Рзг — сила、стремящаяся загнуть конец гвоздя； FTP ——сила трення; Ру'——сила удар^, передаваемая на упор; а н 屮—углы наклона конца гвоздя к вертикали н трення о кнопку.
Устройство подачи крепителей. В машинах крепления деталей обуви металлическими крепителями большое значение для рабочего процесса имеют устройства поштучной подачи крепителей, обеспечивающие автоматическую подачу их в рабочую зону под ударник в течение рабочего цикла машины. Применяют устройства поштучной подачи крепителей с бункерной загрузкой и с загрузкой проволочной бухты.
Чтобы крепители подавались в определенное место, в одно и то же время и в одном и том же положении, автоматическая подача осуществляется по следующим этапам:
сортировка гвоздей на кондиционность;
отбор порций крепителей, необходимых для последующей технологической операции;"
подача крепителей к месту выполнения операции; выполнение технологической операции.
На рис. 105 показана схема устройства автоматической подачи гвоздей с барабанной загрузкой.'
дей:
/—гвозди; 2—барабан; 3—кармашки; 4—лоток
Гвозди, поднятые кармашком 3 в верхнюю часть барабана 2 и выпавшие из него, будут двигаться под действием силы инерции по касательной к окружности его вращения вдоль оси ОХ и под действием силы тяжести по оси 0y.
Движение гвоздей по касательной происходит с постоянной скоростью @ = gR （（о — угловая скорость барабана, R ——его радиус）. Движение же вниз происходит по оси OY равномерноускоренно. В результате гвозди движутся по траектории в виде параболы. Существует предельная или критическая угловая скорость ①кр, при которой гвозди под действием центробежной силы не отрываются от стенки барабана и не попадают на наклонный лоток
'综 р=Р 声.（15.13）
279
Положение лотка 4 в барабане зависит от траектории движения гвоздя и определяется по формуле'
MRV^I，(15.14)
где I — расстояние от оси ОХ до траектории движения гвоздя; й0—высота расположения кармашка относительно направляющего лотка на траектории.
Так как лоток находится в наклонном положении, то сила тяжести гвоздя Р раскладывается на две составляющие:
Р[ направленную вдоль плоскости 1—1, и Р", перпендикулярную этой плоскости.
Чтобы гвозди двигались по лотку, сила Рг должна быть больше силы FTp. Для этого необходимо, чтобы
а>ао,(15.15)
где а -- угол наклона лотка; а0—arc tg / — угол трения (/ — коэффициент трения).
Из всей массы гвоздей, собравшейся в конце наклонного канала лотка, отсекатель отбирает определенные порции кондиционных гвоздей (чаще всего по одному) для дальнейшего направления к рабочему органу машины.
Количество гвоздей, захватываемых движущимися карманчиками в единицу времени и впоследствии ссыпаемых на наклонные направляющие лотки (при условии равномерной подачи за каждый оборот вала), определяют по формуле
Zp == 2р2к，抬々з.к,(15.16)
где 2г ——число гвоздей, захватываемых одним кармашком, пропорциональное объему кармашка и размерам гвоздей и зависящее от их уровня н формы; 2К一число кармашков; i — передаточное отношение от главного (распреде-где 2г ——число гвоздей, захватываемых одним кармашком, пропорциональное объему кармашка и размерам гвоздей и зависящее от их уровня н формы; 2К一число кармашков; i — передаточное отношение от главного (распреде-лительного) вала к кармашкам или валу барабана；лительного) вала к кармашкам или валу барабана；главного вала;главного вала;々з,к — коэффициент々з,к — коэффициентп — частота вращенияп — частота вращениязаполнениязаполнениякармашков, зависящий от вероятности захвата.Для затяжной машины при а】^30, i= 14 : 65, 2к=6,孔=2,7 об/с и 々з.к=0,7 величина Z「равна 78 гвоздям в 1 с.Механизм поштучной подачи крепителей машины ПКМР состоит из ударника / (рис. 106), получающего движение от кривошипно-ползунного механизма； бухты 2 с навинтованной проволокой; по-кармашков, зависящий от вероятности захвата.Для затяжной машины при а】^30, i= 14 : 65, 2к=6,孔=2,7 об/с и 々з.к=0,7 величина Z「равна 78 гвоздям в 1 с.Механизм поштучной подачи крепителей машины ПКМР состоит из ударника / (рис. 106), получающего движение от кривошипно-ползунного механизма； бухты 2 с навинтованной проволокой; по-Рис. 106. Схема механизма подачи крепителей из бухты проволоки: -/—ударннк; 2—бухта навиитоваииой проволоки; 3—колесо храповое; 4—подаватель； 5—^рычаг-собачка; 6 и 11— рычаги； 7—тяга; в—поворотный патрон； 9—пластина направляющая; 10—кулачокРис. 106. Схема механизма подачи крепителей из бухты проволоки: -/—ударннк; 2—бухта навиитоваииой проволоки; 3—колесо храповое; 4—подаватель； 5—^рычаг-собачка; 6 и 11— рычаги； 7—тяга; в—поворотный патрон； 9—пластина направляющая; 10—кулачок
где 2г ——число гвоздей, захватываемых одним кармашком, пропорциональное объему кармашка и размерам гвоздей и зависящее от их уровня н формы; 2К一число кармашков; i — передаточное отношение от главного (распреде-
где 2г ——число гвоздей, захватываемых одним кармашком, пропорциональное объему кармашка и размерам гвоздей и зависящее от их уровня н формы; 2К一число кармашков; i — передаточное отношение от главного (распреде-
лительного) вала к кармашкам или валу барабана；
лительного) вала к кармашкам или валу барабана；
главного вала;
главного вала;
々з,к — коэффициент
々з,к — коэффициент
п — частота вращения
п — частота вращения
заполнения
заполнения
кармашков, зависящий от вероятности захвата.
Для затяжной машины при а】^30, i= 14 : 65, 2к=6,孔=2,7 об/с и 々з.к=0,7 величина Z「равна 78 гвоздям в 1 с.
Механизм поштучной подачи крепителей машины ПКМР состоит из ударника / (рис. 106), получающего движение от кривошипно-ползунного механизма； бухты 2 с навинтованной проволокой; по-
кармашков, зависящий от вероятности захвата.
Для затяжной машины при а】^30, i= 14 : 65, 2к=6,孔=2,7 об/с и 々з.к=0,7 величина Z「равна 78 гвоздям в 1 с.
Механизм поштучной подачи крепителей машины ПКМР состоит из ударника / (рис. 106), получающего движение от кривошипно-ползунного механизма； бухты 2 с навинтованной проволокой; по-
Рис. 106. Схема механизма подачи крепителей из бухты проволоки: -
/—ударннк; 2—бухта навиитоваииой проволоки; 3—колесо храповое; 4—подаватель； 5—^рычаг-собачка; 6 и 11— рычаги； 7—тяга; в—поворотный патрон； 9—пластина направляющая; 10—кулачок
Рис. 106. Схема механизма подачи крепителей из бухты проволоки: -
/—ударннк; 2—бухта навиитоваииой проволоки; 3—колесо храповое; 4—подаватель； 5—^рычаг-собачка; 6 и 11— рычаги； 7—тяга; в—поворотный патрон； 9—пластина направляющая; 10—кулачок
давателя проволоки 4； поворотного патрона 8, имеющего в канале движения проволоки режущую кромку, которая при повороте патрона пересекает выходящую из канала направляющей пластины, 9 и входящую в канал патрона 8 проволокуz и отрезает ее. Поворот патрона производится от кулачка 7, укрепленного на ударнике /, взаимодействующего с рычагом 11 и выступом патрона 8. Направляющая пластина и поворотный патрон в принципе образуют ножницы, производящие наклонный срез проволоки.
Работа механизма подачи проволоки согласована в цикле с работой механизма ударника машины.
Благодаря наклонному расположению режущих кромок патрона и направляющей пластины на конце отрезаемой проволочной шпильки создается заострение.
Подаватель проволоки получает движение от кривошипноползунного механизма, ползун которого кинематически связан с собачкой храпового механизма, на валу которого укреплен рычаг с подавателем проволоки.
Основной нагрузкой механизма подачи проволоки является усилие подачи
где т ——масса бухты проволоки; f ——коэффициент трения втулки бухты на опорной оси; г—■ радиус втулки; R — наружный радиус бухты.
Глава XVI
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ, ПРЕССОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ
СИЛОВОЙ РАСЧЕТ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПРЕССОВ И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ
Для обработки материалов прессованием за счет усилий и деформаций сжатия применяют специальный тип машин, называемых прессами.
На предприятиях бытового обслуживания получили распространение гладильные прессы для влажно-тепловой обработки материалов одежды и ее деталей, прессы для скрепления деталей одежды и обуви склеиванием, прессы для формования деталей обуви и др.
В зависимости от выполняемого технологического процесса и конструкции обрабатываемых изделий рабочими органами
прессов являются верхняя и нижняя плиты (подушки) или пуансон и матрица (пресс-форма), эластичная подушка (камера) и упор и т. д. -
Основными техническими параметрами прессов являются: рабочее усилие, давление и температура при прессовании материала. “
Эти параметры определяют режимы обработки, применяемый тип исполнительного механизма и конструкцию пресса.
прессов для влажно-тепловой обработкипрессов для влажно-тепловой обработкиСхема рабочих органовСхема рабочих органовДля формования одежды способом растяжения применяют паровоздушные манекены.
прессов для влажно-тепловой обработки
прессов для влажно-тепловой обработки
Схема рабочих органов
Схема рабочих органов
Рис. 107.
тканей:
/—обрабатываемый материал; 2 и 4—верхняя и нижняя плита; 3—поверхностный слой (закатник); 5—выравнивающий слой (сукно); 6 и S—упругий слой; 7—полосы металлические
Рнс. 108. Схема рабочих органов прессов для приклеивания дета- лей низа обуви:Рнс. 108. Схема рабочих органов прессов для приклеивания дета- лей низа обуви:/—корпус камеры сжатого воздуха; 2— мембрана; 3—обувь; 4—упор/—корпус камеры сжатого воздуха; 2— мембрана; 3—обувь; 4—упорПри формовании заготовок обуви растяжением на колодке применяют затяжные машины. Эти машины находят применение в основном в массовом производстве обуви и поэтому в данной книге це рассматриваются.
Рнс. 108. Схема рабочих органов прессов для приклеивания дета- лей низа обуви:
Рнс. 108. Схема рабочих органов прессов для приклеивания дета- лей низа обуви:
/—корпус камеры сжатого воздуха; 2— мембрана; 3—обувь; 4—упор
/—корпус камеры сжатого воздуха; 2— мембрана; 3—обувь; 4—упор
Большое значение для качества обработки материалов и изделий в гладильных и клеевых
прессах имеет равномерность распределения давления по обрабатываемой поверхности независимо от перепада толщин участков прессуемого материала. Это тре
бование обеспечивается конструкцией рабочих органов.
Схемы рабочих органов плит (подушек) прессов для влажно-тепловой обработки изделий (одежды) и для приклеивания деталей низа обуви приведены на рис. 107 и 108.
Верхняя плита 2 (см. рис. 107) жесткая, имеет гладкую по-
верхность и является базовой поверхностью при прессовании изделий. Нижняя плита 4 для равномерного распределения давления по обрабатываемой поверхности прессуемого материала поверхности имеет эластичное покрытие.
Корпуса плит изготовляют из отливок чугуна, алюминия или силумина. Плита из силумина обладает хорошей теплопроводностью, меньшей массой, меньше подвергается коррозии. Формы плит зависят от обрабатываемых изделий и операций, выполняемых на прессах. В электропрессах плиты имеют лабиринты для размещения электронагревательных элементов, а в паровых —камеры для пропуска пара. Плита с паровым обогревом состоит из двух камер, одна из которых служит для обогрева, а другая ——для пропаривания материала. .
Наиболее распространенная конструкция упругого покрытия нижней плиты состоит .из нескольких слоев, каждый из которых выполняет свои определенные функции, а в целом конструкция покрытия в значительной степени предопределяет качество обработки и эффективность прессования и сушки изделий в процессе влажно-тепловой обработки.
Поверхностный слой 3, или закатник, предохраняет последующие слои от загрязнений, а также от механических и термических повреждений. В качества закатника применяют лавсановую или хлопчатобумажную ткань.
Выравнивающий слой 5 предназначен для стабилизации деформационных свойств поверхности покрытия или сглаживания неравномерности давлений, создаваемых упругим слоем. Выравнивающий слой должен иметь хорошую паро- и влагонепроницаемость, а также высокую упругость. В качестве выравнивающего слоя используют сукно, нетканый армированный синтетический войлок.
Упругий слой 6 и 8 служит для выравнивания давлений на поверхности изделий в местах утолщений. В качестве упругого слоя используют текстильные материалы, металлическую шерсть, пружины и другие материалы.
В настоящее время известно большое разнообразие конструктивных разновидностей покрытий. Одной из определяющих характеристик покрытий является показатель упругости, связывающий зависимость деформации от удельного давления покрытия.
Силовая характеристика покрытия нижней плиты (рис. 109, кривая Р=Р(р,九)зависит от упругости покрытия и определяется его конструктивными особенностями.
Для пружинного упругого покрытия деформацию 九 определяют по формуле
九=女1 (Юоp — Co)m,
где ki — коэффициент (电=0,68 ммм/МН硒)；р — удельное давление на покрытие； Со — постоянная величина (&=0,9 МН/м2); /и=0,645. ■ *
Для тканевого покрытия из трех слоев
九=6h阮月2(1。。p一 C0严，
где 6Н — толщина ненапряженного участка покрытия;財= 0,76 м2т мм/МН 2т 局一коэффициент (^2=0,125) ； Со=О,9 МН/м2; /и=0,43.
Работу прессования определяют по формуле
р max
0，0，где dK — бесконечно малое приращение функции X=f(p).где dK — бесконечно малое приращение функции X=f(p).Рис. 110. График необходимого времени т выдержки давления р в процессе влажно-тепловой обработки при температуре:Рис. 110. График необходимого времени т выдержки давления р в процессе влажно-тепловой обработки при температуре:Рис. 109. Графики работы прессов: для влажно-тепловой обработки тканей кривая Р=»Р(Р,入цр)； Для приклеивания деталей низа обуви кривые деформации материалов различной жесткости 0——I; 0——II; 0-ШРис. 109. Графики работы прессов: для влажно-тепловой обработки тканей кривая Р=»Р(Р,入цр)； Для приклеивания деталей низа обуви кривые деформации материалов различной жесткости 0——I; 0——II; 0-Ш/_150° с； 2—200° С； 3—250° С/_150° с； 2—200° С； 3—250° С
0，
0，
где dK — бесконечно малое приращение функции X=f(p).
где dK — бесконечно малое приращение функции X=f(p).
Рис. 110. График необходимого времени т выдержки давления р в процессе влажно-тепловой обработки при температуре:
Рис. 110. График необходимого времени т выдержки давления р в процессе влажно-тепловой обработки при температуре:
Рис. 109. Графики работы прессов: для влажно-тепловой обработки тканей кривая Р=»Р(Р,入цр)； Для приклеивания деталей низа обуви кривые деформации материалов различной жесткости 0——I; 0——II; 0-Ш
Рис. 109. Графики работы прессов: для влажно-тепловой обработки тканей кривая Р=»Р(Р,入цр)； Для приклеивания деталей низа обуви кривые деформации материалов различной жесткости 0——I; 0——II; 0-Ш
/_150° с； 2—200° С； 3—250° С
/_150° с； 2—200° С； 3—250° С
При этом деформацией сжатия прессуемого материала вследствие- его малой толщины пренебрегают.
Удельное давление на покрытие определяется давлением прессования материала.
Зависимость продолжительности прессования от величины удельного давления на ткань показана на рис. НО. Минимальное давление составляет 4 кПа и обусловлено процессом теплопередачи и продолжительностью прессования. При повышении давления до 40 кПа продолжительность прессования сокращается почти линейно.
При максимальной температуре (250℃) прессования шерстяных тканей длительность прессования при давлении 13 кПа составляет примерно 5 с, а при температуре 200℃ — около 12 с. При прессовании тканей из искусственного волокна температура прессования не должна превышать 200℃, температура и длительность прессования при влажности ткани 20—30% 1—40 с.
Систему обогрева гладильных прессов рассчитывают на основе расчета теплообменных аппаратов.
Для одновременной подсушки и глажения прямого отжатого» белья применяют сушильно-гладильные катки, рабочие органы которых были рассмотрены в гл. XIII, Основной принцип работы катков состоит в прессовании с одновременной подачей и скольжением обрабатываемого материала относительно горячей поверхности лотка или вала.'
Для приклеивания деталей низа обуви применяют прессы камерного типа с эластичной мембраной (см. рис. 108).
Процесс прессования пневмокамерой склеиваемых обувных материалов и . их деформирование характеризуется графиком, представленным на рис. 109. Процесс деформирования материала продолжается до тех пор, пока его сопротивление не станет равным постоянному усилию Р°, развиваемому пневмокамерой пресса. Для данной силы Ро деформации материалов Zi,入牙 и Z3 неодинаковы. Деформации в процессе прессования можйо- изменять путем изменения силы Ро, например до величины Р/ и А". Одну из кривых деформаций при силе Ро (О—〃/) можно отнести к деформации мембраны пневмокамеры, другук> (О—//) —к деформации прессуемого материала. Тогда на основании анализа графика получим, что работа в процессе прессования при одинаковой силе Ро
/прп/пк + ^мН I 尸0“入3 + f 尸0“入2 =尸0 ( /а%+『а^2 06\60
где Апк — деформация пневмокамеры; 4M—деформация материала.
Давление мембраны на приклеиваемую деталь в процессе прессования определяют по формул吧
P=pS,
где S — площадь детали; р — давление в камере в период прессования.
Соотношения между давлениями в камере в период прессования (р) и до прессования (р0) выражают следующей зависимостью при условии политропического процесса сжатия воздуха-
где Vo и V ——соответственно объемы воздуха до прессования и в период, прессования; % — показатель адиабаты (п— 1,3).
Величину п определяют из уравнения-
Ра \ Ра /•
где ра и Qa ——соответственно атмосферное давление и плотность воздуха npir данном давлении; Qo ——плотность воздуха до прессования.
Давление р в камере обычно составляет 0,3—0,4 кПа.
Работа в процессе прессования определяется выражением
"叩=，Vdp,
тде V~f(p)——функциональная а^висимость процесса политропического сжа- ■тия воздуха.
При прессовании материала расчетное усилие прессования определяют в зависимости от физико-механических характеристик прессуемого материала.
Если прессуемая масса материала вязкопластичная (вулканизационные обувные прессы), усилие прессования зависит от •скорости прессования по уравнению
где Х1=5ирогт и X2=Snp£ (S^p ——площадь прессования; От и е ——константы прессуемого материала; для резиновой смеси ат = 4-105 Н/м2 и е = 4-107 Н-с-м~3); 5цр — скорость прессования.
При прессовании абсолютно упругого материала
Р^=к8, (16.1)
где k=SapE/bs (Е ——модуль упругости прессуемого материала; 6н ——начальная толщина прессуемого материала); s—перемещение рабочего органа плунжера при рабочем ходе.
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ И ПРИВОДЫ ПРЕССОВ
Усилие прессования в прессах создается с помощью исполнительных механизмов винтового, рычажного, гидравлического и пневматического действия. Конструкции винтовых прессов сравнительно проще других, но они менее производительны. Более производительны рычажные, гидравлические и пневматические прессы.
Достоинством прессов с гидравлическим и пневматическим приводом является их более спокойная (по сравнению с рычажным) работа с пониженными динамическими нагрузками на опоры. - 一
В обувных клеевых прессах, а также в прессах для вулканизации низа обуви применяют винтовые исполнительные механизмы.
При силовом расчете винтовых механизмов прессов пользуются принципом возможных перемещений, определяющим соотношение элементарных работ движущей силы и сил сопротивлений. Так, для винтового пресса (рис. 111) уравнение работ
где Mi ——движущий момент; d(p ——бесконечно малый угол поворота; Р —— <см』а полезного сопротивления; dz=r tg а — бесконечно малое расстояние, 286 ，
на которое опустится точка приложения силы Р; г ——средний радиус винтовой иарезки; а — угол наклона иарезки.
При учете влияния вредных сопротивлений в винтовой нарезке и на хвостовике винта вводят дополнительно возможное перемещение винта по нарезке, а также учитывают бесконечно-
Рис. III. Схема действия сил в винтовом прессеРис. III. Схема действия сил в винтовом прессемалый угол d(p поворота хвостовика винта.
Рис. III. Схема действия сил в винтовом прессе
Рис. III. Схема действия сил в винтовом прессе
羽屈中一 Pdz - 2尸Tpds — —TW2rf^=O,
где ，尸тр ——суммарная сила трения винта в нарезке; ds — бесконечно малый путь СИЛЫ 尸тр； ^2 — момент иа хвостовике, необходимый для преодоления сил трения.
Из этого уравнения окончательно получают
Mi = Prtg(a +(p) +М2, (16.2).
где(p = arctgf ——угол треиия при коэффициенте треиия f.
Опасные сечения с точки зрения прочности находятся как выше, так и ниже гайки и проверять следует и то и другое,, учитывая эпюры сжимающей силы Рс® и крутящего момента Мкр.
Условие прочности обычно составляют, пользуясь гипотезой энергии формоизменения, т. е.
%=%2+3 (呼С 瓦°/，(16.3)
где ст =尸/S — 4尸/Jtd；; t‘ — ^1,2/ ^p = 16Л1],2/冗“;
(山一внутренний диаметр резьбы).
Расчет сжатого винта на устойчивость сводится к определению его необходимой жесткости на продольный изгиб при минимальных значениях Р и М2
尸十)/尸2十冗裾 2
日=一/—1总(】64》
где 厶——длина части винта, находящаяся в области продольного сжатия.
В гладильных прессах часто применяют рычажные механизмы для смыкания плит пресса и прижатия подвижной (обычно верхней) плиты к изделию, лежащему на неподвижной (обычно нижней) плите. Кроме того, применение рычажных механизмов способствует большим перемещениям верхней плиты. 、
Наиболее простыми и надежными в эксплуатации механизмами для подъема и опускания плит широкое распространение получили механизмы с пневматическим приводом. Наряду с
Рис. 112. Схема механизма перемещения верхней плиты гладильного пресса с электромеханическим приводом:Рис. 112. Схема механизма перемещения верхней плиты гладильного пресса с электромеханическим приводом:/ и 2—плиты гладильные; 3, 4, 5 и 6—ведомые звенья; 7—ведущее звено/ и 2—плиты гладильные; 3, 4, 5 и 6—ведомые звенья; 7—ведущее звено
Рис. 112. Схема механизма перемещения верхней плиты гладильного пресса с электромеханическим приводом:
Рис. 112. Схема механизма перемещения верхней плиты гладильного пресса с электромеханическим приводом:
/ и 2—плиты гладильные; 3, 4, 5 и 6—ведомые звенья; 7—ведущее звено
/ и 2—плиты гладильные; 3, 4, 5 и 6—ведомые звенья; 7—ведущее звено
этим применяют также механизмы с гидравлическим приводом. Механизм перемещения верхней плиты гладильного пресса с электромеханическим приводом приведен на рис. 112.
Выполнение на прессе всех вспомогательных переходов при обработке изделия о существл я ется при крайнем верхнем положении верхней плиты 2. Изделие подвергается прессованию в период смыкания верхней плиты 2 с нижней 1.
Рассмотрим типовые условия работы исполнительного механизма и привода пресса. Величина вылета главного рычага пресса определяется размерами обрабатываемого полуфабриката и удобством его укладки на нижней подушке пресса. Вылет главного рычага, выбираемый конструктивно, колеблется в зависимости от типоразмера пресса в пределах от 250 до 400 мм, а угол ср—- угол поворота главного рычага составляет 40—60°.
Холостой ход пресса & характеризуется большими перемещениями и малыми сопротивлениями, а рабо
чий ход Sp — малыми перемещениями и большими сопротивлениями.
Рабочий ход плиты Sp определяется величиной деформации полуфабриката и упругого покрытия плиты и колеблется в пределах 6—12 мм.
Вследствие того что работа пресса при рабочем ходе больше, чем при холостом, общий КПД привода за цикл снижается, так как электродвигатель привода пресса загружается неравномерно.
Равномерное распределение работы холостого 厶 и рабочего хода Ар внутри цикла работы пресса соответствует условию
"рс"%ср= ®Хср/叫 ср= 'р/'х = /psJ4sp = &%/4тр= "з.р/" э.х» 『〃е Рх^р，尸Рср；沙х,沙р； »р, ?х； #х, #р； %； Sp； тх,死；N?.p, N@.x— соответственно приведенные силы, скорости, передаточные отношения, работа, путь, время, потребные мощности электродвигателя, рабочий и холостой ходы пресса.
Следовательно, зная отношение Ар/Ах> в целях повышения КПД привода можно найти желательное значение величины /р/»х и добиться условия возможно максимального приближения к равенству
(16.5)(16.5)MpWэ.х~ ^ Н』Н /р/4=Тр/Тх・
(16.5)
(16.5)
Это условие конструктивно может быть достигнуто, например, путем применения для гладильных прессов приводов с переменным передаточным соотношением. Наиболее полно решить задачу можно, используя в кинематической цепи привода кулач
ковую пару.
У пневматических приводов с поршневой силовой системой этот вопрос решается проще благодаря тому, что электродвигатель компрессорной станции работает непрерывно, а периодич
ность расхода энергии компенсируется наличием ресивера.
У гидравлических приводов различные требования к моменту на ведущем звене привода удов л етвор яются изменением давления масла, которое в период прессования достигает 0,5—— 1 кПа. Для повышения КПД у гидроприводов (рис. 113) гладильных прессов целесообраз
но иметь два поршневых цилиндра——один для перемещения верхней плиты в период холостого хода при большом перемещении и сравнительно небольших усилиях, другой — для перемещения нижней плиты в период, прессования, требующего большой величины усилия при малых перемещениях плиты.
Рис. 113. Кинематическая схема гладильного пресса с гидравлическим приводом:
/ и 2—подушки верхняя и иижняя; 3— гидроцилиидр прессования； 4 и 6—поршни гидроцилиндров; 5— гндроцилиндр закрытия пресса; 7, 8 н /0—звенья; 9 — пру-
.жина возвратная
Эксплуатация гидравлического привода пресса связана с недостатком — возможностью загрязнения производственного цеха вследствие утечек масла.
С конструктивной точки зрения пневматический привод имеет преимущества перед механическим и гидравлическим, так как может работать в значительном диапазоне скоростей и его эксплуатационная надежность выше механического.
Рассмотрим силовой графоаналитический метод расчета привода верхней плиты пневматического пресса. При расчете не учитывают силы тяжести звеньев, ввиду их малых значений, а также силы инерции ввиду малых скоростей движения и малых ускорений звеньев: подвижные 1, 2, 3, 4, и 5; неподвижные — 6 (рис. 114). Механизм нагружен тремя внешними силами Р], 立2, Рз, приложенными в точках А, С, Е. Р「——это максимальная сила тяжести плиты в период закрывания пресса или максимальная сила, действующая на верхнюю плиту во время прес-
пружины, А—- периода закры- двухповодковой Из условий рав-пружины, А—- периода закры- двухповодковой Из условий рав-Рис. 114. Схема кинетостатического расчета механизма верхней плиты гладильного пресса с пневмоприводом для периода закрыванияРис. 114. Схема кинетостатического расчета механизма верхней плиты гладильного пресса с пневмоприводом для периода закрываниясования со стороны нижней плиты; 尸2 ——сила сила давления штока пневмоцилиндра. Для 卫ания пресса сначала рассмотрим равновесие группы звеньев 1 и 2 с построением плана сил.
пружины, А—- периода закры- двухповодковой Из условий рав-
пружины, А—- периода закры- двухповодковой Из условий рав-
Рис. 114. Схема кинетостатического расчета механизма верхней плиты гладильного пресса с пневмоприводом для периода закрывания
Рис. 114. Схема кинетостатического расчета механизма верхней плиты гладильного пресса с пневмоприводом для периода закрывания
новесия находим усилия 戶L,片=i,戶£2. При рассмотрении равновесия двухповодковой группы 3-4 находим /^=з,尸=з, 「6.3, 戶3・
Для периода прессования расчет привода производят аналогично периоду закрывания, учитывая при этом силу прессования 复 ее обратный знак
P<=—Sp,
где S ——рабочая площадь верхней плиты; р—■ удельное давление при прессовании.
Кроме того, необходимо учесть, что при прессовании на шток пневмоцилиндра, являющимся звеном механизма, силы не действуют, так как звенья 2 и 3 в данный момент неподвижны.
Прессование осуществляется снизу другим механизмом с пневмоприводом — механизмом прессования.
Мощность привода (кВт) перемещения верхней плиты определяют по формуле'
Nn』=PxcpWxcp/l°°°n (Л —КПД привода).(16.6)
Расчет и проектирование гидравлического пресса ангий鳥g ны расчету и проектированию пневматического пресса. Так же из плана сил находят силу, необходимую для преодоления со； противлений при холостом и рабочем ходах верхней плиты, а затем по величине силы сопротивления движению поршней и давлению масла в гидроцилиндрах находят диаметры поршней Di и D2 из уравнения
31 = 2=几0：一2 /4 = 2r2 /p，А=2=2]/Зъм = 2 ]/P^J^где S]・2； °卜2； Р — соответственно площадь, диаметр и сила сопротив-ления движению первого и второго поршней гидроцилиндров.
В обувных прессах для формования материалов, имеющих электромеханический привод, применяют исполнительные механизмы с жестким замыканием кинематической цепи (рис. 115, а) ₽
Рис. 115. Расчетные схемы пресса для формования деталей обуви: а—' кинематическая схема； 6— изменение нагрузки при формовании; /— звено ведущее; 2, 3, 4 н 5—звенья ведомые; 6— пуансон; 7—матрица; 8— материалРис. 115. Расчетные схемы пресса для формования деталей обуви: а—' кинематическая схема； 6— изменение нагрузки при формовании; /— звено ведущее; 2, 3, 4 н 5—звенья ведомые; 6— пуансон; 7—матрица; 8— материал-7-72网@2网@
Рис. 115. Расчетные схемы пресса для формования деталей обуви: а—' кинематическая схема； 6— изменение нагрузки при формовании; /— звено ведущее; 2, 3, 4 н 5—звенья ведомые; 6— пуансон; 7—матрица; 8— материал
Рис. 115. Расчетные схемы пресса для формования деталей обуви: а—' кинематическая схема； 6— изменение нагрузки при формовании; /— звено ведущее; 2, 3, 4 н 5—звенья ведомые; 6— пуансон; 7—матрица; 8— материал
-7
-7
2网@
2网@
Для определения нагрузки, действующей на звенья механизма, рассмотрим сначала процесс сжатия формуемых деталей. Пусть нагрузка при этом возрастает по кривой, показанной на рис. 115, 6, уравнение которой может быть представлено степенным законом Р=Р(入)(Р — сила,九一деформация) или
e=^or
где е — относительная деформация сжатия деталей; ^ — коэффициент пропорциональности; а — напряжение; m — показатель степени, равный 0,77—0,9.
На кривой показаны номинальные значения нагрузки РДОп и деформации 歳。口，максимальные значения Ртах н ^пах, формуе- мых деталей, а также Рраз и Храз.
Величины 尸раз И 九раз соответствуют определенной толщине формуемых деталей 6, при которой детали пресса разрушатся.
Механизм, отрегулированный на наименьшее значение размера жёсткого звена, должен обеспечивать заданное усилие Ро-
Действие силы Ро вызывает деформации звеньев механизма: ^о ——пр：и растяжении; V — при изгибе и <р0 — при кручении. При толщине формуемых изделий бтах усилие возрастет до Ртах, т. е. Ртах=Р0^! — для силы и Мтах=Мокх для момента, где ftp— коэффициент возрастания усилий.
При линейной зависимости между деформациями и напряжениями
、入тах=財入'^max= ^1Ло,屮max=^lWo・
Приращение деформаций звеньев, работающих на сжатие и растяжение, равно
А入=入max 一\)=入0偽一 1).
Но%=Po〃£S, тогда А入=^-(財一1),(16.7)
где / ——длина звена механизма; Е ——модуль упругости первого рода; S ——площадь сечения звена.'
При проектировании механизма размеры звеньев определяют так, чтобы напряжения, вызванные максимальными нагрузками, не превосходили допускаемые, т. е,
-Ро^1/5^[аДОп].(16.8)
Решая совместно уравнения (16.7) и (16.8), находим
А入=%sL/厶二1.(16.9)
Оптимальные значения fei при изгибе звеньев с учетом массы и габаритных размеров механизма лежат в пределах fei = 2—4.
Для ограничения или уменьшения напряжений в деталях прессов часто устанавливают амортизаторы (пружины)—упругие звенья, обладающие большой деформируемостью в направлении действующей нагрузки, или гидравлические демпферы. Например, при упругом ударе детали (верхней плиты) массой т со скоростью w уравнение кинетической энергии (с удвоением ее изменения) и работы деформации пружины выражается в следующем виде
2 普=£р/у=^6 (专+白，
где Р ——сила, порождаемая ударом; Лдт н Ла ——абсолютные деформации детали н амортизатора в направлении действия ударной силы;々】и 々2 ——жесткости детали н амортизатора в направлении действия ударной силы.
Из этого уравнения получают силу удара
戶=加 广2/n(16. 10)
1/一,
Следовательно^ уменьшая жесткость амортизатора, Можно снизйть величину ударной силы. /
При большой частоте приложения ударных нагрузок в деталях пресса могут возникать незатухающие колебания. В таком случае пользуются дополнительно виброизоляцией.
Динамику работы прессов рассматривают в двух переходных процессах: холостого хода и рабочего, т. е. прессования материала соответствующих физико-механических свойств. Общим уравнением динамики процесса является
加瓷(16.11)
где /и ——приведенная к подвижному рабочему органу масса перемещающихся деталей пресса;无——путь рабочего органа; т——время; Рс ——приведенные к рабочему органу силы сопротивления; Рдв ——приведенные к рабочему органу движущие силы.
На основании уравнений динамики определяют скорость и время движения рабочего органа, оказывающие влияние на прочность детдлей в условиях динамического нагружения, потребную мощность привода и другие параметры.
Так, например, при прессовании на гидравлическом прессе упругого материала скорость и время движения рабочего органа пресса определяют соответственно по уравнениям [4], полученным на основе решения уравнения динамики при рабочем ходе пресса
自——коэффициент, характеризующий часть усилия на штоке поршня, остающуюся после учета потерь на трение в манжетах (КПД гидравлического цилиндра); 5И, St — площади поршня и трубопровода; р — давление масла в полости гидравлического цилиндра; Рт——сила тяжести поднимающихся деталей; р ——плотность масла; kc——коэффициент скорости движения масла для трубопровода на участке от гидравлического аккумулятора до гидравлического цилиндра; k — коэффициент в уравнении (16.1).
РАБОЧИЕ УСТРОЙСТВА ФОРМОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ РАСТЯЖЕНИЕМ
Формование текстильных материалов растяжением примейяют на операциях влажно-тепловой обработки верхней одежды и легкого платья, формования рукавов одежды, верха брюк, а также других деталей одежды после химической чистки с целью придания одежде первоначальной формы. Для этого
-293
применяют паровоздушные манекены, на которых производится формование за счет внутреннего давления воздушной подушки, прижимающей надувной чехол манекена к внутренней поверхности одежды.
Влажно-тепловая обработка, сушка и фиксация формы изделия осуществляется при периодической подаче в чехол увлажняющего пара и горячего подсушивающего воздуха.
Подпор воздуха, растягивающий одежду изнутри, создается за счет разницы производительности вентилятора и объемного расхода воздуха, проходящего через ткань чехла и обрабатываемой одежды. Этот подпор определяется разностью давлений
аР=а 一加
где pi и р2 ―1 давление воздуха внутри чехла и по выходе из одежды.
Расход воздуха и производительность вентилятора связаны с подпором воздуха чере^> кинетическую зависимость процесса
,匕=S 兽，(16.12)
где S ——поверхность манекена; Rc = l/Ki+UK?——общий коэффициент сопротивления проходу воздуха через чехол (К】и К2 — соответственно коэффициенты воздухопроводности ткани чехла манекена и обрабатываемой одежды).
Скорость воздуха, выходящего из одежды, g = Ap/Rc・
Давление воздуха на выходе из одежды определяется динамическим напором
P2=^2q/2.
Давление внутри манекена
Величину подпора воздуха при расчете манекенов обычно принимают равной 196 Па. Давление воздуха в чехле должно быть не меньше 245—735 Па.
Напор вентилятора составляет
А，в=А，м + Ар,(16.13)
где Арм ——потерянный напор на участке движения воздуха в манекене.
Расход воздуха зависит от вида обрабатываемых изделий. Так, например, при обработке пальто на одно изделие расходуется 20—25 м3 воздуха, при обработке верха брюк>—значительно меньше.
Расчет и проектирование системы подогрева и подачи воздуха производят по методике расчета теплообменных и гидравлических аппаратов.
В ремонтно-обувном производстве заготовки верха обуви формуют путем затяжки на колодку. Наиболее распространенным способом формования является способ последовательного формования с помощью клещевых механизмов с определенной траекторией движения. При проектировании клещевых механизмов основным вопросом является обеспечение правильного протекания рабочего процесса.
Рассмотрим процесс затяжки заготовок клещами.
Клещи, опускаясь, захватывают край заготовки в точке А (рис. 116, 6). На участке АВ клещи вытягивают край заготовки,
Рис. 116. Схема работы механизма клещей затяжной машины： а—в процессе перемещения клещей; б—в процессе взаимодействия с верхом обуви; J и 2—пружины; 3—рычаг; 4—тяга
создавая напряжение и удлинение s. Величина подъема клещей и вытяжка материала зависят от физико-механических показателей материала, жесткости и сжатия пружины и расстояния от края заготовки. Для предотвращения разрывов заготовки при смыкании клещей и при вытяжке материала все кинематические цепи механизмов клещей имеют упругие элементы — пружины J и 2 (рис. 116, а).
Одним из условий правильной работы механизма является обеспечение условия, при котором в процессе движения клещей по траектории ВС (рис. 116, б) соблюдается условие
Р= ]/码乃=const,(16.14)
где Р[ и Р2 ——вертикальная и горизонтальная составляющие усилия вытяжки.
При этом условии натяжение заготовки не изменяется. Такие условия обеспечиваются за счет соответствующего соотношения и размеров звеньев механизмов, а также упругих характеристик спиральной пружины
R = Pnp, И
где 尸咱一"усилие пружины 1; а и 匕一плечи коромысла;巾 и т)2 — КПД ме-
295
хаиизма перемещения клещей по вертикали и горизонтали; Мкр ——крутящий момент, развиваемый пружиной 2; А и L ——плечи сил.
Параметры пружины 1 выбирают такими, чтобы предотвратить порчу материала заготовки. Это условие обеспечивается при достижении силы ^imax <С-^р ^imax— максимально возможное усилие вытяжки материала. Рр —усилие вытяжки, при котором происходит разрыв заготовки). Усилие ^]тах зависит от осадки пружины 1 при предварительной затяжке. Эта осадка получается из соотношения моментов при повороте рычага 3 и упругой характеристики пружины /
入о < —ХРр — s’，
где s'——перемещение тяги 4; 6'——податливость пружины Л
Величины всех других перемещений клещей и диапазон регулирования этих перемещений определяют из технологических условий затяжки.
Глава XVII
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ
ГИДРАВЛИЧЕСКИХ И ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ АППАРАТОВ
Гидравлические аппараты нашли широкое прюйреаение на следующих операциях: хранение жидких и газообразных веществ (;баки для хранения запаса органических растворителей и хладагента (фреона), воздухосборники); обработка жидких и газообразных веществ (фильтры для очистки загрязненных растворителей и воздуха, баки для централизованного приготовления стиральных и краеильных растворов, наружные барабаны машин химической чистки и стиральных машин барабанного типа, баки бытовых стиральных. машин, красильных барок и др.).
Корпусы гидравлических аппаратов обычно имеют форму цилиндрических сосудов (с плоским, коническим и выпуклым днищем) и прямоугольных сосудов (резервуаров).
По рабочему положению гидравлические аппараты бывают вертикальными, горизонтальными и наклонными.
По толщине расчетной стенки аппараты могут быть тонкостенными и толстостенными; по схеме нагрузки1—внутреннего или внешнего давления.
С точки зрения экономической эффективности следует отметить, что прямоугольные резервуары и сосуды позволяют более
рационально использовать производственные площади; в них удобно размещать рабочие устройства, они конструктивно просты и при их изготовлении количество отходов металла незначительно, они могут быть без укрепляющих элементов (баки), с внутренними и наружными укрепляющими элементами. Вместе с тем применение прямоугольных резервуаров для хранения жидкостей считается не совсем целесообразным, потому что они более металлоемкие по сравнению с цилиндрическими, их стенки меиее устойчивы к боковому давлению.
” Гидравлический расчет аппаратов, выполняемый на основе законов гидростатики и гидродинамики, позволяет определить рабочие размеры, производительность аппаратов, диаметры трубопроводов, скорости движения жидкостей или газов, потребный напор для выбора рабочих характеристик насосов, вентиляторов, компрессоров, электродвигателей.
Рабочие размеры, производительность аппаратов и диаметры подводимых трубопроводов определяются технологическими требованиями выполняемых процессов.
Так, например, вместимость рабочего барабана стиральной машины барабанного типа диктуется гидромеханическими факторами процесса обработки, обусловливающими требуемое количество обработки изделий, и это нашло выражение в соответствующих зависимостях.
Объем растворителя Уф, подлежащего фильтрованию в единицу времени, определяют из выражения
%=*н,(17.1)
где Рр.м — количество растворителя, находящегося в моечиом барабане в процессе мойки при непрерывной фильтрации;左к ——коэффициент кратности обмена растворителя (々к》1/60).
Количество рабочей жидкости — растворителя %аб, находящейся в баках для хранения, определяют по формуле
Vr= Ураб/^з,《17.2)
где Vr ——геометрический объем бака; й3 ——коэффициент заполнения, равный 0,8—0,9.
Рабочий объем бака растворителя для первой операции мойки определяют по формуле (11.5). При повторной мойке 1 кг одежды содержит 2——2,5 л растворителя, а после кратковременного отжима 1 —1,5 л. Рабочая вместимость баков для повторных ванн
Vраб — тз (^ж— 1),(17.3)
где т3 ——загрузочная масса изделий; ун：——жидкостный модуль ваииы.
Объем баков-испарителей определяют по формулам
乙="丿財，乙//=亀，(17.4)
где VP ——рабочий объем бака-испарителя; 77д——производительность дистилляционной установки; Уп ——полный объем бака с учетом объема, необ-
ходимого для паров растворителя; k\ и й2 — коэффициенты, установленные на основании практических данных.
Рабочий объем водоотделителя машины химической чистки Vp=77Bfei,
где 〃в — пропускная способность (производительность) водоотделителя; k\ — коэффициент, учитывающий заполнение и слив смеси в зависимости от загрузочной массы машины (论】=4——6).
Параметры движущегося потока жидкости (или газа) в технологическом процессе, характеризующие движущую силу процесса, находятся в зависимости от кинетической закономерности гидромеханического процесса, определяющейся формулой (4.3).
При помощи уравнения Бернулли для установившегося движения жидкости рассчитывают скорость, время истечения и расход жидкости.
Так, для аппарата, имеющего постоянное поперечное сечение, время его опорожнения от высоты Н\ до 也 составляет
2s (/万1一^專)
где S—поперечное сечение аппарата; So ——поперечное сечение отверстия в днище, через которое вытекает жидкость;々р—коэффициент расхода.
' Расход жидкости через сечение трубопровода или сечение аппарата (-производительность) определяют из уравнения непрерывности потока для несжимаемой жидкости
Vc=*51^1=52^2=const,(17.6)
где Vc ——объемный расход жидкости или газа; Si^i и S2^2 сечения и скорости потока.
Массовый расход жидкости или газа
Gk=VcQ,(17.7)
где Q ——плотность жидкости (газа):
Конструктивные размеры трубопроводов (или аппаратов) при этом рассчитывают по следующим формулам:
а) условный проход трубопровода и штуцера (поперечное сечение) цилиндрической формы
S=nd2/4=VJw, б) диаметр
Гидростатическое давление жидкости, оказываемое на стенку рст и дно /7Дн аппарата, находят по формулам
PzT=Po + Qgx, P^=PQ + pgH, '(17.8)
где ро — давление на поверхности жидкости; q — плотность жидкости; х — координата от поверхности жидкости; Н — высота столба жидкости.
298
Полное давление, развиваемое движущейся жидкостью (газом) при установившемся движении, включает
ТОПОЛИ ：= Рс.1 Н- 4，
厶т= Pgx + Р + (Jp+ См.с), Рд =学，
где рст и рд—соответственно' статическое и динамическое давление; pg% — давление жидкости; р ——давление объема; (Стр+См.с) ~——потерянное дав
ление &р и См.с—соответственно коэффициенты сопротивления трению и местных сопротивлений)； pL砂р/2 — скоростное давление (侬一скорость жидкости, газа).
В теплообменных аппаратах бытового назначения (рис. 117) осуществляются различные тепловые процессы с изменением температуры © целью нагревания (рис. 117, в, & д, е) или охлаждения (рис. 117,6), испарения и конденсации (рис. 117, а) и т. д. При этом одна из двух сред отдает тепло, другая — воспринимает.
В зависимости от способа передачи тепла теплообменные аппараты бывают двух основных типов: смесительные (теплообмен осуществляется при соприкосновении теплоносителей) и поверхностные (теплообмен осуществляется через стенки).
Поверхностные теплообменники в свою очередь делятся на два вида: рекуперативные и -регенеративные (менее распространены). В рекуперативных аппаратах оба теплоносителя разделены стенкой, в регенеративных одна и та же поверхность попеременно омывается то одной средой, то другой, следовательно, стенка при этом попеременно нагревается (аккумулирует тепло) и охлаждается (отдает аккумулированное тепло).
Среди рекуперативных теплообменников наибольшее распространение получили трубчатые (см. рис. 117,己，0, е) вследствие повышенного сопротивления стенок радиальному давлению и повышенного коэффициента теплопередачи.
По конструкции рекуперативные теплообменники бывают многотрубные кожуховые (рис. 117©; с плоскими поверхностями (пластинами)——пластинчатые воздухоподогреватели (рис. 117,А), испарители; гладкостенные воздухоподогреватели (рис. 117, г); змеевиковые (рис. 117, а); однотрубные кожуховые [《труба в трубе》(рис. 117,е)] и др.
В качестве прямых источников тепла, позволяющих непосредственно передавать тепловую энергию нагреваемому телу, применяют электрическую энергию, воздух, водяной острый пар, В качестве промежуточных теплоносителей, посредством кото
рых тепло передается через стенку аппарата нагреваемой среде, применяют водяной глухой пар, горячую воду и минеральные масла.
10*10*В бытовых электроприборах одним из распространенных источников тепла является электрическая энергия. Электроэнер-
10*
10*
299
ОхлаждающеводаОхлаждающеводаЗагрязненныйрастворительЗагрязненныйрастворительВыходохлаждающейВыходохлаждающей31-—31-—ОсадокОсадок〃 18〃 18аа笈笈а а а ота а а отЧистый. растВори-Чистый. растВори-72721313%%"乃"乃冶冶79207920Острый парОстрый парПар1 ПарПар1 Пар5526272627С гЧ /-ЧС гЧ /-Ч/21/212«2«28283| J3| Jзз睾睾дд
Охлаждающевода
Охлаждающевода
Загрязненныйрастворитель
Загрязненныйрастворитель
Выходохлаждающей
Выходохлаждающей
31-—
31-—
Осадок
Осадок
〃 18
〃 18
а
а
笈
笈
а а а от
а а а от
Чистый. растВори-
Чистый. растВори-
72
72
13
13
%
%
"乃
"乃
冶
冶
79
20
79
20
Острый пар
Острый пар
Пар
1 Пар
Пар
1 Пар
5
5
2627
2627
С гЧ /-Ч
С гЧ /-Ч
/21
/21
2«
2«
28
28
3| J
3| J
з
з
睾
睾
д
д
Рис. 117. Конструктивные схемы теплообменных аппаратов бытового назначения:.
а—дистилляционная установка для хлористых растворителей; б- -холодильный агрегат бытового холодильника; в—теплообменник с паровой рубашкой; а—теплообменник кожухотрубный; 5—паровой калорифер ребристого типа; е—теплообменник «труба в трубе»; /, 3/ и 32—змеевики; 2—корпус конденсатора; 3—корпус водоотделителя; 4— корпус куба дистиллятора; 5—пластины конденсатора с воздушным охлаждением; 6— испаритель- 7—теплообменник； 8—капилляр； 9 и //—трубки всасывающая и нагнетательные； /0—мотор-компрессор; /2—патрубки для ввода и отвода обогреваемого вещества;/3—крышка; 14—корпус; 15—рубашка паровая; /6—патрубки для ввода пара
и отвода конденсата; /7—стенки распределительных камер; /8—крышки; /9—упругий компенсатор деформаций； 20патрубки внутрнтрубного пространства; 2/—трубки; 22- корпус; 23—перегородки; 24—патрубки межтрубного пространства； 25—патрубки; 26 и 28—коробки распределительные; 27—трубки; 25 и 30—трубы корпусная и внутренняя
гию широко применяют также бытового назначения в сельскойгию широко применяют также бытового назначения в сельскойв производственныхв производственныхместности там,местности там,машинах .машинах .где отсутствуютгде отсутствуют
гию широко применяют также бытового назначения в сельской
гию широко применяют также бытового назначения в сельской
в производственных
в производственных
местности там,
местности там,
машинах .
машинах .
где отсутствуют
где отсутствуют
котельные.
Для охлаждения до плюсовых температур (10——30° С) в качестве охлаждающих теплоносителей применяют воду и воздух.
Для умеренного охлаждения до минусовой тештературы применяют низкокипящие жидкости (фреон, аммиак и др.).
Выбор теплоносителя зависит от требуемой температуры нагрева или охлаждения, интенсивности теплообмена при небольших расходах теплоносителя, его доступности, стоимости и других факторов.
Основной характеристикой теплового процесса является количество передаваемого тепла в единицу времени (тепловой поток, тепловая нагрузка)., которое определяют по уравнению теплового баланса.
В общем случае для непрерывных и периодических процессов уравнение теплового баланса имеет вид
где Qc — тепло, аккумулированное системой; Gc;, GC//, 0^* и //, i〃，i^ —— соответственно количество материала и энтальпия соответственно материала в системе, вводимого в систему и удаляемого из нее; g — тепло, поглощенное системой из внешней среды.
Так, тепловую нагрузку конденсатора герметичного холодильного агрегата бытового холодильника (см. рис. 117,6) определяют по выражению
Q = Qo%.o + M、K一Qk.K'
где Qo — количество тепла, отводимое хладагентом от охлаждающей среды (хладопроизводительность компрессора); “口.。——0,95 ——коэффициент, учитывающий теплоту, отводимую из холодильного агрегата при переохлаждении хладагента вне конденсатора и не входящего в его тепловую нагрузку; А\‘к—мощность электродвигателя компрессора, равная Оо//.м (йк'.м —— удельная хладопроизводительность компрессора); QK,K ——количество тепла, передаваемое кожухом компрессора.
Теплообмен сопровождается изменением температуры тел. При изменении температуры от 九 до Ь количество тепла, поглощенное телом (системой), составляет
тде m ——количество вещества; Ср и с — соответственно удельные теплоемко- /Стн при постоянном давлении и средняя при постоянном давлении в интервале времени tx—Z2.
Величину тепловых потоков в зависимости от теплового процесса и изменения при этом состоянии фаз определяют по следующим формулам.
При нагревании жидкости или газа (нагревание рабочих жидкостей в машинах химической чистки, стиральных машинах, нагревание воздуха в сушильных машинах и т. д.)
Q = GcC«i — /2)т1ш (17.9)
где Gc——количество нагреваемой жидкости или газа (расход) в единицу времени； с ——средняя в данном интервале температур теплоемкость жидкости или газа; /1 и /2 — соответственно начальная и конечная температура нагреваемой среды; 刀口 = 1,03—1,05 ——коэффициент, учитывающий потери тепла теплообменником в окружающую среду при нагревании.
При охлаждении жидкости или газа (охлаждение нагревающих теплоносителей в теплообменных процессах производств химической чистки и крашения в прачечном производстве и др.)
Q^QS^-t^^,(17.10)
где nJ — коэффициент, учитывающий теплопотери при охлаждении, *
При испарении кипящей жидкости или конденсации пара (испарение и конденсация паров растворителей в машинах химической чистки, паров хладагента в бытовых холодильниках)
「mi)
где Gc ——количество испаряемой жидкости или конденсируемого пара в единицу времени; g——удельная теплота испарения (конденсация) жидкости; 7]Пи= 1,03——1,05 ——коэффициент, учитывающий теплопотери при испарении и т)Пк = 0,95—0,97 при конденсации.
При конденсации пара с последующим охлаждением полученного конденсата от температуры конденсации /к До температуры £ продукта
Q=Q'cq-fln + Q"cc{tK-t),(17.12)
где . Gc"——количество охлаждаемого конденсата; с ——средняя теплоемкость конденсата.
Так как тепло передается одновременно путем двух или всех трех видов передачи (конвекцией, теплопроводностью и тепловым излучением), то суммарное поглощение (отдача) тепла системой составит
、Q=Qk + Qh+Qt,
где Qk, Qh, Qt — тепловые потоки соответственно конвекции, излучения и теплопроводности.
Количество тепла (тепловой поток), передаваемое путем теплопроводности,
где % — коэффициент теплопроводности； SCT—поверхность стенки; ——— градиент температуры.
Количество тепла, передаваемое путем конвекции, QK=aSAZ>
где. а — коэффициент теплоотдачи； А/^—разность температур сред.
302：
Количество тепла, передаваемое путем излучения
Qh=c()sQh=c()s[(卷)rЖП%[(卷)rЖП%
Qh=c()s
Qh=c()s
[(卷)rЖП%
[(卷)rЖП%
где Со — коэффициент взаимного излучения [Со=5,68 Вт/(м2-град4)]； S — поверхность излучения; 7\ и Г2 — абсолютные температуры соответственно более и менее нагретого тела;屮一средний угловой коэффициент излучения.
Конструктивны访 расчет теплообменника производят, когда известны или заданы количество нагреваемого или охлаждаемого теплоносителя и его параметры на входе в теплообменник и на выходе из него. При этом определяют необходимую поверхность теплообмена, расход теплоносителя или хладагента, геометрические размеры теплообменника заданной конструкции, его гидр а влическое сопротивление, а затем и механическую прочность.
m^CydtК (Е2 - 幻m^CydtК (Е2 - 幻Величину поверхности теплопередачи теплообменника определяют в общем случае по формуле
m^Cydt
К (Е2 - 幻
m^Cydt
К (Е2 - 幻
(17.13)
где /】а и 力н — начальная и конечная температура более нагретого теплоносителя; т\ и с】——масса и теплоемкость более нагретого теплоносителя; dt — бесконечно малое изменение температуры; К — коэффициент теплопередачи; /)и 友一текущие температуры более нагретого и более холодного теплоносителя.
В тех случаях, когда величины К и с не изменяются, величину поверхности теплопередачи теплообменника определяют по формуле
S=Q/KAfcp・ (17.14)
Так, теплопередающую поверхность испарителя домашнего холодильника (рис. 117, б) определяют по уравнению
Sh =Sh =Kh(£q6 — ±Н)Kh(£q6 — ±Н)(17.15)(17.15)
Sh =
Sh =
Kh(£q6 — ±Н)
Kh(£q6 — ±Н)
(17.15)
(17.15)
где QH ——тепловой поток испарения, равный теплопритокам в камеру; Ки — коэффициент теплопередачи испарением;伉一負一разность между температурами объекта и испарения при кипении хладагента.
При изменяющихся температурах вдоль поверхности S среднюю разность температур жидких и газообразных теплоносителей определяют исходя из схемы их движения (прямоточное, противоточное, перекрестное).
Самые благоприятные условия теплопередачи при наибольшей величине К ——при противоточном движении теплоносителей. Если ~^<2(А% и А/м— разность температур большая в на- чале и малая в конце), то среднюю разность температур опр^-
деляют по формуле
А%ср=(А%б+ А±м)/2；
есаи 咎_〉2, то Д/ср=(Л/б — Д/м)/1п -^-.
Коэффициент теплопередачи для наиболее распространенных способов передачи тепла определяют по формуле
к=1®+£+弋，
где а! и а2 — коэффициенты теплоотдачи соответственно от горячего тепло- носителя к стейке и от стеики к холодному теплоиосичелю；^^^ ~^~— сумма термических сопротивлений стеики (6 ——，толщина слоя,九——коэффициент теплопроводности слоя материала).
,Основные пути интенсификации теплообмена — увеличение коэффициента теплопередачи и средней разности температур теплоносителей. Это может быть достигнуто за счет развитой поверхности теплообмена, снижением термических сопротивлений стенки аппарата, снижением тепловых потерь и изысканием теплофизических и конструктивных методов увеличения теплоотдачи. Для увеличения теплопередающей поверхности трубы снабжают ребрами, коленами и т. п,
В результате установки ребер тепловой поток увеличивается в следующем соотношении
Q/Qo=/(S2/SJ,(17.16)
где Q, К, S2 — соответственно тепловой поток, коэффициент теплопередачи И поверхность труб с ребрами； Q。，К》Si——> соответственно тепловой поток, коэффициент теплопередачи и поверхность труб без ребер.
При проведении расчетов важно правильно выбрать опта* мальные скорости движения потоков теплоносителей, так как это имеет решающее значение при конструировании и эксплуатации теплообменника. С увеличением скорости w потоков увеличивается коэффициент теплопередачи К, а следовательно, умень- шается необходимая поверхность S теплопередачи, что в свою очередь ведет к уменьшению габаритных размеров теплообменника и его стоимости. Увеличение скорости, кроме того, уменьшает возможность образования осадков на поверхности нагрева. Однако чрезмерное повышение скорости движения потока увеличивает гидравлическое сопротивление теплообменника и приводит к вибрации труб и гидравлическим ударам. Оптимальная скорость определяется из условий достижения желаемой степени турбулентности потока. В связи с этим рекомендуются следующие оптимальные скорости движения: воды и жидкостей с умеренной вязкостью — 0,6——1,5 м/с, вязких жидкостей 0,2^— 0,6 м/с, воздуха и газов при умеренном давлении 8——12 м/с, на-
сыщенного пара под давлением ——25—30 м/с, насыщенного пара под вакуумом — 35—45 м/с
Для увеличения средней разности температур используют пар более высокого давления, увеличивают давление греющего пара, уменьшают давление образующихся при кипении паров (увеличение вакуума), заменяют прямоточное движение теплоносителя на противоточное.
В машинах химической чистки применяют ко,жухотрубные теплообменники. Количество труб кожухотрубного теплообменника (рис. 117,е) определяют по формуле
^тр S/jidcp/,
где dcp ——средний расчетный диаметр трубы; / ——длина трубы.
Внутренний расчетный диаметр корпуса кожухотрубного теплообменника
d=s(2Д— 1) + 4dH,
где s ——шаг между осями труб (s= 1,2——1,4); z耳一-количество труб на диа- тонали шестиугольника или наибольший диаметр окружностей, по которым расположены трубы； dH —1 наружный диаметр трубы.
Диаметр патрубка dn зависит от расхода Gc и скорости w теплоносителя и определяется из уравнения、
л^п/4—Oc/pw,
где r ——ллотиость теплоносителя; Gc ——расход теплоносителя.
В машинах химической чистки применяют также змеевикО' вые теплообменники. Общую длину змеевика теплообменника определяют по формуле
^зм=5/лб/н.(17.17)
Необходимое число витков змеевика получают, задавшись средним диаметром витка
2зм ^зм/冗Озм, где Ам — средний диаметр витка змеевика.
В машинах химической чистки, в стиральных машинах, в гладильных прессах, а также в различных бытовых машинах в качестве нагревателей часто применяют электрические нагреватели.
Электрическая мощность ^ нагревателя связана с выделением тепла Q известным соотношением
N= Q.
При электрическом сопротивлении нагревателя R Ом, удельном сопротивлении руд Ом<мм2/м, сечении S мм2 и длине Lnp получаем
(17.18)
где U 二 падение напряжения нагревателя, В
Основные размеры нагревателя определяются допустимой температурой его поверхности (для обеспечения предельной долговечности) .Эта температура соответствует допустимой плотности тока.
Мощность ^ нагревательного элемента для вновь проектируемого теплового устройства в зависимости от требуемого времени разогрева определяют по формуле
NnmcVn — QN，,(17.19)
где т — нагреваемая масса теплового устройства; с — удельная теплоемкость материала (металла) нагреваемого устройства;綜一требуемая температура поверхности теплового устройства; ^0 ——температура окружающей среды； п —— КПД теплового устройства (для спиральных элементов т|=0,6—0,7; для трубчатых электронагревательных элементов п = °，8—0,9); т ——задаваемое время разогрева теплового устройства.
Определив мощность N нагревательного элемента, приступают к расчету длины Lnp и площади S сечения проводника.
По напряжению U электрической сети определяют силу тока I=^/U.
По допустимой плотности тока находят площадь сечения проводника
S=/〃，
где / — допустимая плотность тока, равная I^oJS (/доп — допустимая сила тока).
Длину проводника определяют по формуле
4p=U/7§Pyn，(17.2Q)
где руд — удельное сопротивление проводника при температуре нагревательного элемента.
Температура нагревательного элемента плиты пресса составляет /口=400—500° С. Величина А/= (4—/0) =500—20=480℃.
Кроме тепловых расчетов, производят также гидравлические расчеты теплообменников. Гидравлические расчеты позволяют увязать кинетику теплового процесса с. основными конструктивными размерами этих аппаратов, а также получить данные для расчета коэффициентов теплоотдачи.、
Гидравлическое сопротивление кожухотрубного теплообменника определяют по приведенным ниже'уравнениям：
потери давления в трубном пространстве (для первого теплоносителя)
где £с ——суммарная длина всех труб;九/ ——коэффициент трения теплоносителя; б/вн ——внутренний диаметр трубы; £】弋一сумма коэффициентов местных сопротивлений трубного пространства;侬］—скорость жидкости в трубах.
Потери давления при движении вещества в теплообменном аппарате через змеевик определяют по формуле ,
\ 〃ЗМ/
где %Л — коэффициент трения теплоносителя; L3K = У(n;D3M^0)2 + Я (Озм 一 диаметр витка змеевика, 20 — число витков, "=z疝^—высота змеевика, Ь — расстояние между центрами витков по высоте змеевика);工亡一сумма коэффициентов местных сопротивлений (при входе и выходе из змеевика и при круговых поворотах); w — скорость движения вещества; Q — плотность вещества;
потери давления в межтрубном пространстве《для второго теплоносителя) зависят от направления движения вещества в межтрубном пространстве относительно труб, наличия перегородок и других факторов. Так, например, при продольном омывании труб
Атр=к*+£и)易 Р/2，
где %2 ——коэффициент трения теплоносителя; /Мтр ——длина межтрубного пространства, равная длине обечайки аппарата;虑——эквивалентный диаметр
/02 - d：z
межтрубного пространства I ^э = п ^- ； — ,。一 внутренний диаметр обе- чайки корпуса, dH — наружный диаметр трубок, z — число трубок); 当匕一 сумма коэффициентов местных сопротивлений межтрубного пространства (для одноходового теплообменного аппарата ——сумма коэффициентов сопротивлений при входе и выходе вещества из кожуха теплообменника); w2 — скорость вещества в межтрубном пространстве.
(17.21)(17.21)Мощность, затраченная на преодоление гидравлических сопротивлений и создания давления теплоносителю,
(17.21)
(17.21)
N = G с ^3^ рпо лн/1 OOOtiq,
где Gc ——секундный расход теплоносителя; рполн ——полное давление; п —— коэффициент полезного действия насоса.
В массообменных аппаратах осуществляются процессы тепло- и маосообмена (процессы дистилляции загрязненных растворителей, увлажнения, адсорбции, сушки изделий). При расчете массообменных аппаратов, кроме их параметров, обусловливающих процессы тепломассообмена, определяют также параметры, обусловливающие гидромеханику движения фаз; количество вещества в процессе массообмена определяют по уравнению массопередачи.
По уравнению теплообмена находят количество тепла, затраченного на процесс массообмена и его параметры.
По .гидродинамическому уравнению Бернулли определяют параметры движения вещества и потребную мощность побуди
теля.
МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ АППАРАТОВ
Механический расчет гидравлических, теплообменных (в том числе и массообменных) аппаратов заключается в проверке на прочность отдельных их сборочных единиц: корпуса, днища, труб, трубных решеток, фланцевых соединений, болтов.
Методы расчета этих аппаратов зависят от конструктивных особенностей аппаратов и их элементов,, направления действия рабочего давления на их стенку и нагружения элементов, воздействия на элементы конструкции жидкой или газообразной среды, температуры. '
Большинство корпусов гидравлический и теплообменных и некоторых массообменных аппаратов представляют собой совокупность оболочек вращения, сваренных встык или соединенных с помощью фланцев. Под оболочкой подразумевают тело, одно из измерений которого (толщина) намного меньше двух других. К тонкостенным оболочкам относятся (при 5%-ной погрешности в расчетах) такие, у которых отношение толщины стенки 6 к наименьшему радиусу кривизны серединной поверхности г не превышает 0,05. Если это отношение превосходит значение 0,05, расчет ведут как для толстостенных аппаратов.
Корпуса гидравлических и теплообменных аппаратов с тонкими стенками рассчитывают методом расчета тонкостенных оболочек вращения с применением безмоментной теории.
Рассмотрим симметричную оболочку толщиной 6 {рис. 118,〃). На рисунке приняты следующие обозначения： гм ——ра-
Рнс. 118. Расчетные схемы корпуса аппарата как оболочки вращения:
а—координатная схема расположения радиусов кривизны оболочки; б—силового равновесия элемента оболочки; в—силового равновесия части оболочки
диус кривизны дуги меридиана серединной поверхности; гт — радиус кривизны, перпендикулярный дуге меридиана и являющийся функцией угла 9 между нормалью и осью симметрии.
Выделенный из оболочки двумя парами меридиональных и нормальных сечений элемент показан на рис. 118,6. На гранях элемента возникают меридиональное ioM и окружные (касательные) о* напряжения, а также соответствующие силы. От внут- 208
реннего давления р на элемент действует внешняя сила Рэ. Проектируя все силы на нормаль, совпадающую с направлением силы А, получим
pdlCl? — Ом»"/?，" — ％В 〃厶〃屮=О,
где d厶 и 由2 — длина дуг элемента.
Так какТак какd^^dljr^ d^dl^r^d^^dljr^ d^dl^r^то в итогето в итогеОм/Гм + о"°=3・Ом/Гм + о"°=3・
Так как
Так как
d^^dljr^ d^dl^r^
d^^dljr^ d^dl^r^
то в итоге
то в итоге
Ом/Гм + о"°=3・
Ом/Гм + о"°=3・
d (尸м^2)(17.24)d (尸м^2)(17.24)Рис, 119. Расчетные схемы иагружеиия газовым давлением оболочек вращения:Рис, 119. Расчетные схемы иагружеиия газовым давлением оболочек вращения:а—конической;б—цилиндрическойа—конической;б—цилиндрической
d (尸м^2)
(17.24)
d (尸м^2)
(17.24)
Рис, 119. Расчетные схемы иагружеиия газовым давлением оболочек вращения:
Рис, 119. Расчетные схемы иагружеиия газовым давлением оболочек вращения:
а—конической;б—цилиндриче
ской
а—конической;б—цилиндриче
ской
Это соотношение известно под названием уравнения Лапласа.
Проектируя все силы на направление оси для части оболочки, отсеченной нормальным сечением (рис. 118,8), получим осевую равнодействующую внешних сил
дм-2лг§ sin 6 = 2(17.22)
Отсюда определяют меридиональное напряжение ом-
Для определения линейных деформаций А точек оболочки в радиальном направлении, нормальном к оси оболочки в плос
кости сечения и угловых деформаций (поворотов) а точек оболочки применяют формулы
a=一胃上(2一丸)；(17.23) ОС
где Е — модуль упругости первого рода материала оболочки; р, — коэффициент Пуассона； е( и &з一 относительные деформации оболочки соответственно в меридиональном н окружном направлении.
Приведенные выше уравнения применительно к оболочкам опре-
деленной формы значительно упрощаются. Так, для цилиндрической оболочки (рис. 119, a) /*m=s； rT = r=const в условиях действия постоянного газового давления без учета влияния
днищ
% = /?〃&, Qm = A〃2B, Р=рн产.(17.25)
Анализируя формулы (17.25), делаем вывод, что у цилиндрического корпуса аппарата напряжение 0T больше, чем Ом, в два раза.
В условиях действия центробежных сил, когда р=т^2г (加3一масса элемента оболочки) без учета влияния днища: p=0, оМ=60Т=加日①2产/注
В условиях действия гидр оста тич еско го давления, изменяющегося в зависимости от расстояния до расчетного сечения по закону p = Qg%
%=号，。М=等，Q=pgxn产.0zo
Для конической оболочки с давлением газа, угол при вершине которой 2сск (рис. 119,%=s, rx = r/cos ак и 0 = 0,5
—ак=const:
% =弋tgОм = 〃xtgaJ26.
В основу определения расчетной толщины стенки оболочки 6 кладут расчет этой толщины на основании третьей теории прочности (теория наибольших касательных напряжений), которая применима для пластичных материалов/Так, например, для цилиндрической оболочки с газовым давлением
0з=Ртах = % = Р〃& < ^ш [°доп]>
где аэ 一эквивалентное напряжение； ах—тангенциальные (крльцевые) напряжения; 左m—коэффициент прочности сварных швов (0,5—0,95); [адоп]——допускаемое напряжение иа растяжение.
Учитывая, чтог=0,5 (么Л+6)，получим 8>^^1-
'2左ш [с； оп]—夕
где Дк — прибавка иа коррозию (1—3 мм).
При расчете корпусов аппаратов по безмоментной теории предполагалось, что каждая из оболочек, образующих сосуд нли корпус аппарата, работает самостоятельно, независимо от других связанных с ней оболочек или частей аппарата.
一 В тех случаях, когда материал оболочки хрупкий (чугун, пластмассы и т. д.), а также когда нагрузки на оболочку являются циклическими или при сопряженных оболочках, не имеющих общей касательной, производят поверочные расчеты сопряжений на основе моментной теории расчета оболочек.
Расчет сопряженных оболочек заключается в определении в оболочке вращения напряжений, возникающих как от действия внутренних нагрузок, так и от нагрузок, равномерно распределенных по краю сопряжения. Напряжения от краевых сил Ро» Р и моментов Мо определяют (косвенно) по удельным нагрузкам и моментам, действующим на элемент (см. рис. 118,6), рас- положенный в сечении сопряжения.
Рассмотрим в качестве примера цилиндрический корпус аппарата (рис. 120,а)： Если представить, что каждая часть сосуда может деформироваться свободно, то под действием внутрен- ч него давления деформации возникнут по краям цилиндра и конуса. Поскольку оболочки связаны друг с другом, то в рассмат-
риваемом сечении деформации должны быть одинаковыми. Это условие и учитывают соответствующими уравнениями. В данном случае оболочка нагружена по краю несколькими равномерно р аспред еленными силами и моментами поэтому искомые вели-
Рис. 120. Расчетные схемы сопряженных оболочек-: a—цилиндрической н конической; б——затухания напряжений цилиндрической и сферическойРис. 120. Расчетные схемы сопряженных оболочек-: a—цилиндрической н конической; б——затухания напряжений цилиндрической и сферическойпо высоте оболочки; в—по высоте оболочки; в—
Рис. 120. Расчетные схемы сопряженных оболочек-: a—цилиндрической н конической; б——затухания напряжений цилиндрической и сферической
Рис. 120. Расчетные схемы сопряженных оболочек-: a—цилиндрической н конической; б——затухания напряжений цилиндрической и сферической
по высоте оболочки; в—
по высоте оболочки; в—
суммированием отсуммированием от(17.27)(17.27)
суммированием от
суммированием от
(17.27)
(17.27)
чины (в том числе и деформации) находят каждой нагрузки в отдельности, т. е.
Л4Н = Мк 十 Л1* + Мка;
a=厶尸+厶Р。+ AM。；
Ct = @尸 + 0戶0 qM。.
Величину краевых сил Ро или (Ро—Р) и моментов М()определяют из уравнений совместимости линейных и угловых деформаций для сопряженных краев оболочек, которые применительно к рис. 120, л будут иметь вид
(17.28)(17.28)af+ a：。+ A"=货 + ^~p+ А"； aR + a” = c^ + af°-p + 措。.
(17.28)
(17.28)
Нижний индекс у перемещений указывает, к какой оболочке (краю) цилиндрической- (/) или конической (2) они относятся, верхний — нагрузку, вызывающую это перемещение.
Определение значений усилий, моментов, напряжений и деформаций, вызванных действием краевых сил и моментов, со- ставляет цель краевой задачи. Эта задача решена для основных видов оболочек. Например, для длинной цилиндрической оболочки （L>2,5/7^・'
при действии краевых сил'
片。=0； /<>=2厶2<%* cos &%）； Mf=* 戶。ef" sin &%）；
，p2官广2
ai 0 = ~7g P°g~ цХ fcos（M）+ sin （V）］；
при действии краевых моментов
尸"一=0；。7。= 2屋厂m声%" ［cos的/）一sin崗X）］;加竹=1^竹；a"=一^片。；w。=^1餌「『侬®Х）;
加华二mr一"1 ［cos （儿%）+ sin 崗 *）］,
где 財［=/3 （1 — |12）//厂6 ——коэффициент затухания напряжений ［в направ- леннн от края'сопряжения оболочки, где 尢=0 （рис. 120, б）］.
Для сферической оболочки （рис. 120, в）:
при действии краевых сил
尸0= - / cos 中rTcUcos （色国）一sin （耳屮）］;
戶£ ° = -2息р0 sin屮/%中cos （电中）；
AГмо=-十 Py sin 中声一%屮 sin （区中）；附£。弋俨m◎,
дГ° = ~^ sin2<p0; ah = 2讐 sin 中о;
при действии краевых моментов
0伊=叁当 Мое^ sin （网叫；
P^ = -~- e-%Ucos （电叫 一 sin （&喇；
Мм ° = M^e"^ ［cos （耳叫 + ski （瓦叫；
A%=-肃加°s也縮 a'o-^M，ососг
где 生=/3 (I 二厠 |/^~коэффициент затухания напряжений (в направлении от края сопряжения оболочки).〃
Зная суммарные внутренние удельные усилия и моменты, вычисляют меридиональные и тангенциальные напряжения по формулам
。№=。戶м + ^м=А/3 土 6Мм/辞，一(17.29)
j=o%+m=R/3 土 6М做(17.30)
Знаки напряжений изгиба указывают, что на внутренней поверхности оболочки волокна растянуты, а на наружной ——сжаты. При отрицательных моментах картина изменяется на обратную. Поскольку нормальными усилиями пренебрегают, условие прочности оболочек записывают исходя из плоского напряженного состояния. Например, для эластичных материалов (углеродистые и легированные стали) условие прочности в соответствии с четвертой энергетической теорией прочности
%=М吟TW"Xw Ьлоп]-
В стенках аппаратов, работающих под внешним давлением, вместо растягивающих напряжений возникают напряжения сжатия. При толстой стенке и коротком корпусе аппарата расчетную толщину стенки определяют по формуле
J=p3J2^E°J(17.31)
где [аДоп]—-допускаемое напряжение для материала стенкн аппарата при сжатии, [о耳оп] = От/4 (ат―■ предел текучести прн данной температуре).
Аппараты, нагруженные внешним давлением, кроме расчета на прочность, рассчитывают еще на устойчивость корпуса при деформации сжатия. Давление Рср, при котором возникают остаточные деформации, называют критическим.
Большое влияние на устойчивость оболочки оказывают соотношения 6/2г и L/2r (г ——серединный радиус оболочки, L —— длина). Длина 4P=2・ 1,62]/1 — р.2• г]/2r/^=2krV2г/В — называется критической длиной цил ин др ич еской оболочки.
В расчетной практике принимают &р^24 г.
Если длина цилиндрической оболочки. L；＞Lkp» то ее называют длинной; если LvLkp ——короткой.
Для длинной цилиндрической оболочки
2Е2Е(1 —曲)(1 —曲)Ш3-Ш3-
2Е
2Е
(1 —曲)
(1 —曲)
Ш3-
Ш3-
Формула справедлива при
(7Кр=ркрГ /6<СОт>
где От — предел текучести материала.
Если оКр^пт, то критическое давление определяют по формуле
〃кр=“2г% ][〃кр=“2г% ][0,5 40,5 4
〃кр=“2г% ][
〃кр=“2г% ][
0,5 4
0,5 4
Для короткой цилиндрической оболочки, когда давление действует на боковую поверхность, критическое давление равно
风Р=（炉一1）m风Р=（炉一1）m6612(7—W)12(7—W)зз炉一1炉一1
风Р=（炉一1）m
风Р=（炉一1）m
6
6
12(7—W)
12(7—W)
з
з
炉一1
炉一1
где х =где х =Рис. 121. Расчетная схема толстостенной оболочки:Рис. 121. Расчетная схема толстостенной оболочки:/ и 2—графики напряжений нрн внутреннем давлении; /' и 2'— графики напряжений при внешнем давлении/ и 2—графики напряжений нрн внутреннем давлении; /' и 2'— графики напряжений при внешнем давленииb=n (/区一Гнрн)b=n (/区一Гнрн)(17.33)(17.33)
где х =
где х =
Рис. 121. Расчетная схема толстостенной оболочки:
Рис. 121. Расчетная схема толстостенной оболочки:
/ и 2—графики напряжений нрн внутреннем давлении; /' и 2'— графики напряжений при внешнем давлении
/ и 2—графики напряжений нрн внутреннем давлении; /' и 2'— графики напряжений при внешнем давлении
b=n (/区一Гнрн)
b=n (/区一Гнрн)
(17.33)
(17.33)
z—число волн, характеризующих деформацию.
Деформация корпуса аппарата, вызванная потерей устойчивости, проявляется в виде сплющивания (при 2 = 2) и с образованием впадин и гребней (при z>2).
' При большой толщине стенки разность напряжений на внутренней и наружной поверхности цил ин др ич ес кого аппа-
рата может достигнуть значительной величины. Поэтому все толстостенные цилиндрические аппараты (резервуары, гидро- и / пневмоцилиндры, трубопроводы
и др.), у которых ®》0,05『，рассчитывают по формуле Ламе. При этом выражения компонентов напряжения при равномерном распределении давлений сле- / дующие (рис. 121):
(17.32)
где первому индексу соответствует радиальное напряжение и верхний знак, второму индексу — тангенциальное напряжение и нижний знак; рв и рн — внутреннее и наружное давление;厂н * 「в——-наружный и внутренний радиусы; г ——текущий радиус.
Если цилиндр имеет днище, то в нем возникает осевая растягивающая сила
и осевое напряжение
(17.34)
Из условий прочности получают формулы для определения толщины стенки:
для хрупкого материала по первой теории прочности
61 +%，(17.35)
2 L У— р J
где Лк — прибавка на коррозию;
для пластичного материала по четвертой теории прочности
々1П [ОдОп]左ш Ео" —• 1,73р々1П [ОдОп]左ш Ео" —• 1,73р1十人К，1十人К，(17.36)(17.36)
々1П [ОдОп]
左ш Ео" —• 1,73р
々1П [ОдОп]
左ш Ео" —• 1,73р
1十人К，
1十人К，
(17.36)
(17.36)
Стенки прямоугольных сосудов (аппаратов) рассчитывают как пластинки, нагруженные давлением, считая заделку краев пластинок шарнирной. Среднее давление %р= =@g"/2 принимается равномерно распределенным по всей площади стенки.
啜传）2g，啜传）2g，(17.37)(17.37)Максимальное напряжение при изгибе в прямоугольной стенке [28]
啜传）2g，
啜传）2g，
(17.37)
(17.37)
0,75 где Л = 1+1,61
а и b—соответственно короткая и длинная стороны стенки между укрепля
ющими элементами; 6 — толщина стенки.
Днища прямоугольных сосудов, установленные на сплошном основании, принимают такой же толщины, что и стенки. Если же сосуд (аппарат) устанавливается на балках, то толщину днища проверяют также по формуле (17.71), где а представляет собой расстояние между осями балок под днищем, на которые устанавливается сосуд, b — длину балки под днищем аппарата.
При расчете днищ и других элементов аппаратов учитывают прежде всего форму этих элементов. Для выпуклых днищ (эллиптических в сечении), изготовленных из пластического материала, используют формулу для определения толщины днища при предельном нагружении
8Р=—皿包，(17.38)
4 [адоп] — р 2ЛВ
где p — давление в аппарате; Рв — внутренний диамегр отбортовки днища; [одсш]——допускаемое напряжение при растяжении материала; hB — внутренняя высота выпуклой части днища.
Толщину стенки сферического днища при действии внутрен-: него избыточного давления с учетом коэффициента прочности : сварного шва и прибавки на коррозию Ак определяют по формуле.
8 =—也一+ ДК,(17.39)
2 [адо„] km 丁 к、，
где「с ——средний радиус сферы.
Для удобства удаления осадка из цилиндрических аппаратов их днищам обычно придают форму конуса. Толщина стенки конусного днища, находящегося под гидростатическим давлением жидкости, равна
В —В —"2pg tg Ct"2pg tg Ct4 [гюп] cos а 々ш4 [гюп] cos а 々ш+厶Q+厶Q(17.40) j(17.40) j
В —
В —
"2pg tg Ct
"2pg tg Ct
4 [гюп] cos а 々ш
4 [гюп] cos а 々ш
+厶Q
+厶Q
(17.40) j
(17.40) j
где a — угол конусного диища. •
Плоские днища, крышки люков, загрузочных отверстий и другие плоские элементы аппаратов рассчитывают как пластины, нагруженные давлением.
Существует два метода расчета пластин： уточненный и приближенный. Уточненный метод расчета крайне сложен, так как плоская пластина при изгибе имеет кривизну по двум координатным осям. Поэтому иногда пользуются приближенными методами расчета.
Рассмотрим типовые формы пластин, их схемы опор и нагружения и основные расчетные параметры при изгибе, полученные на основе уточненного метода [4] (рис. 122).
Рис. 122. Расчетные схемы элементов аппаратов как пластин:а—свободноопертой по краям; б—защемленной по краям; в—эллиптической формы; г—прямоугольной ф°Р*Рис. 122. Расчетные схемы элементов аппаратов как пластин:а—свободноопертой по краям; б—защемленной по краям; в—эллиптической формы; г—прямоугольной ф°Р*
Рис. 122. Расчетные схемы элементов аппаратов как пластин:
а—свободноопертой по краям; б—защемленной по краям; в—эллиптической формы; г—прямоугольной ф°Р*
Рис. 122. Расчетные схемы элементов аппаратов как пластин:
а—свободноопертой по краям; б—защемленной по краям; в—эллиптической формы; г—прямоугольной ф°Р*
1. Круглая пластина постоянной толщины：
а) края поверхности опираются (рис. 122, а). В центре:
=一煮卜+以+小11^ 一(Х_1)羽｝
/max/max_ 3尸(# 一 1) 一16ne资那_ 3尸(# 一 1) 一16ne资那(12x+4)「2 — 4宕Е厶一 С—3),*(12x+4)「2 — 4宕Е厶一 С—3),*
/max
/max
_ 3尸(# 一 1) 一16ne资那
_ 3尸(# 一 1) 一16ne资那
(12x+4)「2 — 4宕Е厶一 С—3),*
(12x+4)「2 — 4宕Е厶一 С—3),*
на-на-где Р = рлгд； х = 1/№； индексы г и т ——радиальное и тангенциальное правления; fmax ——максимальный прогиб.
на-
на-
Для сосредоточенной силы
/тах =/тах =3 尸(х— 1)(Зх + 1)厂 2
/тах =
/тах =
4л£х252
тб) края пластины опираются и защемлены (рис. 122, б). По краю:
2n嶼\2n嶼\可7丿一0m用可7丿一0m用
2n嶼\
2n嶼\
可7丿一0m用
可7丿一0m用
где 尸о >0,588 г.
В центре:
ЗРЗР2 s2 L2 s2 L以+1)1 口广+(X+1)^^以+1)1 口广+(X+1)^^= %тах，= %тах，где го ^0,588 г.При『о=『 Р = рл『2.В центре:где го ^0,588 г.При『о=『 Р = рл『2.В центре:0?= % =0?= % =/щах/щах3 尸(x + 1)8冗舛23尸(紋一1)厂24л£х2&33 尸(x + 1)8冗舛23尸(紋一1)厂24л£х2&3
ЗР
ЗР
2 s2 L
2 s2 L
以+1)1 口广+(X+1)^^
以+1)1 口广+(X+1)^^
= %тах，
= %тах，
где го ^0,588 г.
При『о=『 Р = рл『2.
В центре:
где го ^0,588 г.
При『о=『 Р = рл『2.
В центре:
0?= % =
0?= % =
/щах
/щах
3 尸(x + 1)
8冗舛2
3尸(紋一1)厂2
4л£х2&3
3 尸(x + 1)
8冗舛2
3尸(紋一1)厂2
4л£х2&3
При малом го (сосредоточенной нагрузке Р)
_3尸(产一1)厂2/1^一4П耿2"3,
• 3. Прямоугольная пластина, b/aWl (рис. 122, г):
края опираются. Равномерная сплошная нагрузка. В центре:
"32(1 + 1,6*3) та”
/тах==—°」侬2”4_ (при 户= 0,3)；
‘max e窮(]+2,21。3) 7 卜
края защемлены. Сплошная равномерная нагрузка.
В середине длинной стороны:
b &2(I 4-0,623^6) max・
В центре пластины (формула для ов при 卩= 0,3) при b/〃W W0,5
1 即г =.'384 Си
При b/a>0,5
' сил4 3 + 2或 + 3a4 ,
J矶3 -
где Си — изгибная жесткость Си = —— 1.
\12(1 —吟丿
Квадратная пластина:
края защемлены и опираются. Равномерная сплошная нагрузка по поверхности.
В середине края:
Оа = 0,308ра/б2 = Отах.
В центре пластины:
/max = °，0138d庐承(при 户= 0,3)；
Рис. 123. Расчетная схема плиты, закрепленной по периметру болтамиРис. 123. Расчетная схема плиты, закрепленной по периметру болтамикрая защемлены. Равномерная нагрузка по концентрическому кругу малого радиуса 仆:
Рис. 123. Расчетная схема плиты, закрепленной по периметру болтами
Рис. 123. Расчетная схема плиты, закрепленной по периметру болтами
%ах=^7 К 肃(Х+1)]，
〜 0,0624(X2_ 1)pа2
/一x2后33~~ .
Из приближенных методов расчета пластин метод полосок [7] более прост и дает достаточно надеж
ные результаты.
Рассмотрим случай изгиба прямоугольной плиты с размера- ми а и Ь, закрепленной по периметру болтами и нагруженной давлением р (рис. 123).
Выделим мысленно две взаимно перпендикулярные полоски
Шириной, равной единице длины. Под действием давления плита прогибается. В месте пересечения полос прогиб будет одинаковым, хотя бол’ее напряженной будет более короткая полоска (длиной Ь). Одну эту полоску можно рассматривать как балку, лежащую на двух опорах и нагруженную равномерно распределенной нагрузкой pi Н/см, численно равной давлению р. Предположим вначале, что балка свободно лежит на двух опорах, тогда изгибающий момент
7Инз=^ 6〃8=р62/8=0,125р62 или в общем виде
Mls3=k(jpb2,(17.41)
где ^о ——коэффициент, учитывающий тип опоры полоски, например при закрепленных концах полоски ^0= 1/12.
Момент сопротивления при изгибе полоски
Г=162/6=62/6.
Так как выделенная полоока при изгибе в действительности испытывает влияние соседних частиц материала, соответствующее напряжение о при этом оценивают коэффициентом 々〔 = 々2 [1 +
,т. е.『 = 々2 [1 十(-^~) j
Подставляя значение </ в уравнение для изгиба полоски, получимг
也=局[1+(2升。17 ИЛИ
' откуда
Значение 局 для пластин прямоугольной формы — 4/3; эллиптической формы 7/4.
Для круглых пластин радиусом г, свободно опирающихся и жестко заделанных по контуру, нагруженных равномерно распределенным постоянным давлением по всей площади, толщину пластинки определяют по эмпирической формуле
3 = 2'/ 奇 +*，("43)
где .k0 ——опытный коэффициент, величина которого зависит от способа заделки пластины; при шарнирной заделке 左。=0,3, а при жесткой ^о==0,18; Дк — прибавка на коррозию.
При конструировании и расчете теплообменных аппаратов Я необходимо учитывать особенности их работы в связи с разли- 3 ннем давлений и температур в отдельных его зонах и у отдель- 1 ных элементов конструкции. Так, в трубчатых теплообменных I аппаратах жесткой конструкции в трубках и корпусе аппарата | вследствие этого могут возникать усилия и напряжения, которые | из-за значительной величины их могут привести к большим де- j формациям элементов конструкции и выходу их нз строя. |
В тех случаях, .когда температурные напряжения в стенках | теплообменного аппарата или трубах оказываются большими, :| применяют температурную компенсацию путем установки на i корпусе (или на трубном пучке) гибкого поясаэлемента (или | сборочной единицы свободного расширения).1
Величину осевой силы,. стремящуюся оторвать одну часть j ■аппарата от другой, вследствие разности давлений внутри и вне ] аппарата определяют по выражению内
Р = Р；+Р；=О,785(£^ — 2сй^)Рмт + О,78520аМт，，彳
тде рмт н рт—давления среды соответственно в межтрубном и трубном | лростраистве; Ов и dH ——соответственно внутренний н наружный диаметр j корпуса теплообменника и труб; z° — количество труб в аппарате.:
Осевые силы Р；р и Р； и соответствующие им напряжения ； о/ и(?『от разности давлений определяют по формулам::
Рт = prS^Eт/(STCт 4~ ^К^"к)I ^К= Рк^^к!{^т:^т~\~^к^^Gt=PJSt，Qk=P[]Sk，
где ST и SK — площади сечения соответственно труб и корпуса аппарата; 上т н Ек — модули продольной упругости материала соответственно^ труб н корпуса аппарата.
Осевые силы в трубах и корпусе аппарата, возникающие вследствие действия разности температур, равные по условиям равновесия, определяют по выражению
尸"尸" (РтА% 1 ВкА%) StEtSkEk
"(1 +限А儿)(5金Г +又昂) ，
где рт и ря ——коэффициенты линейного расширения материала соответственно труб и корпуса аппарата; Д/т и A/к ——разность между средней температурой соответственно труб и корпуса аппарата и окружающей средой.
Температурные напряжения в трубах и в корпусе будут от- 71ичны по знаку:
дт=_PT/ST; oK=PK/SK.
Напряжения от давления и температуры сред аппарата в трубах и корпусе будут равны.
§ 3. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРУЙНЫХ АППАРАТОВ
К гидродинамическим аппаратам относятся аппараты для обработки изделий направленной струей жидкости^ распылением жидкости (создание аэрозолей, окрашивание), на-
брызгом теплоизоляционных ного воздуха (пылесосы) и паровоздушной смеси (паровые эжекторы).
В основе расчета рабочих устройств указанных аппаратов лежит гидродинамический расчет струи, выходящей из сопла факела. Структура струи определяется режимом ее движения, обусловленным скоростью, давлением и конструктивными параметрами.
При расчете конических форсунок, при помощи которых создается направленная однопо- точная струя рабочей жидкости, силу ее давления на поверхность изде-
материалов; для отсоса запылен-материалов; для отсоса запылен-Рис. 124.Рис. 124.Схема силового действияСхема силового действияструиструилия находят из уравне
материалов; для отсоса запылен-
материалов; для отсоса запылен-
Рис. 124.
Рис. 124.
Схема силового действия
Схема силового действия
струи
струи
ния импульса силы струи в проекции на вертикальную ось- (рис. 124)
(17.45)(17.45)mw sin a=^,
(17.45)
(17.45)
где m—масса жидкости в объеме, ограниченном сечениями аа—〃'* 侬一 скорость ^движения этого объема жидкости; а — угол наклона струи к вертикали; 戸一реакция обрабатываемой поверхности; т — время движения объема жидкости.
Масса жидкости равна
/и= Vp = SZp,
где У ——объем жидкости; р — плотность； / —высота тела (в первом приближении цилиндра), соответствующего объему движущейся жидкости; 5 — сечение тела в объеме движущейся жидкости.
Подставив значение 加 в уравнение (17.45), получим
P=pSw2sina.(17.46)
Движение жидкости вдоль обрабатываемой поверхности изделия характеризуется тем что секундная масса Gc жидкости,
проходящая через сечение а——а после удара о преграду разделяется на секундные массы 0С1 и (7口 в соответствующих сечениях Ь—b, Ь‘一％ с—с и с'—с] причем при установившемся течении Сс=Ge】+ С%・
Расход жидкости в секунду через сечения。一а и а!——а' определяют по формуле
G =Р 1S]叫=р2s2叫=const или
G ~ pS]叫=P$2叫=const.
Пример. Определить силу при воздействии струи жидкости, выходящей из конической форсунки на обрабатываемую йоверхность, у которой образуется факел площадью 5=200 см2; угол наклона сопла а=60°, скорость истечения жидкости 侬=5 м/с, плотность жидкости q=1000 кг/м3.
Сила 尸 по формуле (17.46)
尸=юоо 亠・ 52 о,з кн.
10 0002
Для р аспыл ения воды при увлажнении текстильных материалов перед глажением применяют форсунку, из которой вытекает жидкость в форме конуса или веера, состоящего из тонких струек. Необходимое давление воды—не 'менее 15Х Х10~4Па.
Расход жидкости через форсунку определяют по формуле
Q„=k^ ]/"^,(17.47)
где R。一радиус выходного сечения; А"—перепад давления; ^р — коэффициент расхода, зависящий от геометрической характеристики форсунки и свойств жидкости и равный 0,25——0,9.
Мощность (кВт), расходуемую на распыление при однопоточном способе, определяют по формуле
ДГ=СсДре/1000п，(17.48)
где / — КПД насоса.
Для распыления краски применяют двухпоточный способ, при котором для образования струек используют, кроме основного потока краски, второй поток сжатого воздуха, благодаря которому при выходе из отверстия форсунки образуются тонкие струйки краски.
Распыление жидкости заключается в образовании тонких струек малого поперечного сечения, которые под действием сил поверхностного натяжения делятся на мелкие капли.
Расход сжатого воздуха Gb и жидкости Ож при двухпоточном способе распыления через пневматические форсунки определяют по следующим формуламГ""
для форсунки внешнего смешения (когда жидкость и струя 322
сжатого воздуха встречаются вне форсунки) режиме истечения
g=0,396瓦5号；
при критическом(17.49)при критическом(17.49)для форсунки внутреннего смешения (когда жидкость и сжатый воздух встречаются внутри форсунки)
при критическом
(17.49)
при критическом
(17.49)
0水=0,442万；5 /7^;0水=0,442万；5 /7^;(17. 50)(17. 50)q=о,3665Hs 卡.
0水=0,442万；5 /7^;
0水=0,442万；5 /7^;
(17. 50)
(17. 50)
(где 左с， ^р и 总; ——соответственно коэффициенты: скорости (^с =0,85—— ——0,95), расхода воздуха и жидкости (论;а力;^0,2); 5—сечение отверстия; 7 ——абсолютная температура воздуха; р ——давление воздуха; А"——перепад давления жидкости; р‘ ——плотность жидкости.
Расход мощности (кВт) на распыление сжатым воздухом определяют по формуле
N=—團一1g 丄，(17.51)
lOOOnoWH Po
где рб и р ——давление воздуха соответственно на входе в форсунку и на выходе из нее; V。—объем воздуха, подаваемого в форсунку; т]0 и qM ——соответственно объемный и механический КПД, равный 0,97——0,98; т)и ——изотер
мический КПД, равный 0,55—
0,65.
Аэродинамический расчет пылесосов производят по формулам расчета движения воздуха с учетом потерь напора.
На рис. 126 приведена • схема парового эжектора.
Пар попадает из маги
страли 1 В СОПЛО, через Рис. 126. Схема парового эжектора: КОТОрОе ПрОИСХОДИТ ДВИ- 1—магистраль; 2—диффузор; 3—канал соединитель- жение с большой скоро- ныи
стью в диффузор 2. Сое
диненная каналом 3 камера разрежения эжектора с камерой нижней подушки пресса создает разрежение в камере подушки пресса； за счет чего осуществляется отсос влаги при глажении обрабатываемого изделия. Диаметр сопла определяют по фор
муле
儿=4,6 ТОТ/几 j®,
из соплапара пе-р — плот-323из соплапара пе-р — плот-323где Vcn ——объемный расход пара;侬 ——скорость истечения пара ； рц и рем—давление соответственно ред соплом и паровоздушной смеси в подводимом трубопроводе;
из сопла
пара пе-р — плот-
323
из сопла
пара пе-р — плот-
323
юность пара;在с——коэффициент скорости, принимаемый равным 0,93^——0,97)_ Диаметр горловины
《=4,6 W 厶嗫+也械,
^де V"CcM— расход паровоздушной смеси; wr — скорость паровоздушной смеси в горловине диффузора
тде рн ―' давление в выходном конце диффузора; ши — скорость смеси на выходном конце диффузора;九国——гидравлическое сопротивление диффузора; f>cM ~плотность паровоздушной смеси).
Поскольку учесть все факторы, которые могут оказать влияние на точность расчета, невозможно, рекомендуется полученную расчетную величину диаметра горловины увеличить
厶=(1,3—1,5)右.
Расстояние / от сопла до горловины определяется по эмпирической формуле
Диаметр выходного отверстия диффузора 4=4,6. ю-з К(1/Сп+1/Ссм)м, где шн — скорость смеси на выходном конце диффузора.
Таким образом, полученные расчетом необходимые проектировочные данные кладут в основу конструктивной разработки того или иного гидравлического струйного аппарата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Андреев О. П.г Гладков К. М., Коритысский Я. И. и др. Основы проектирования текстильных машин., Под общей редакцией Макарова А. И.
Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. М., 1975.
Архипов Н. Н., Карпачев П. С., Майзель М. М., Плевако Н. А. Под редакцией Майзеля М. М., Основы конструирования и расчета типовых машин и аппаратов легкой промышленности. М., 1963.
Бабицкий И. Ф., Вихмаи Г. Д., Вольфсон Ф. И. Расчет и конструирование аппаратуры нефтеперерабатывающей про мы шл енно стн. М・，1965.
Бежаиов Б. Н., Бушуиов В. Г. Производственные машины и аппараты. Л., 1973.
Вальщиков Н. М., Зайцев Б. А. Вальщиков Ю. Н. Расчет и проектирование машин швейного производства. Л, 1973.
. Довжук Г. Г. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и ос* ловы его расчета. М., 1962.
Дунаев П. Ф. Конструирование узлов и деталей машин. М” 1978.
Капустин И* И. Расчет и конструирование обувных машин. М., 1956.
Капустин И. И., Галыикер И. И. Машины-аппараты и автоматические линии в швейном и обувном производствах. М” 1966.
Комиссаров А. И., Жуков В. В., Никифоров В. М., Сторожев В. В. Проектирование и расчет машин обувных и швейных производств. М., 1978.
Кульбачиый О. И., Гродзеиская Л. С.» Желиговский А. В. и др. Теория механизмов и машин. М., 1970.
Лебедев В. С. Технологическое оборудование ремонтно-обувных предприятий. М., 1972.
Лебедев В. С. Основные процессы, машины и аппараты предприятий бытового обслуживания. М., 1976.
Минаев-Цякаиовский В. А., Аккуратов Ф. М., Ципории Ю. А., Жи- бицкий Б. Д. Машины и оборудование промышленных фабрик-прачечных. М., 1968.
Панфилов Е. А., Даиилии Н. С., Кубарев А. И., Хохлов Б. И. Методы расчета надежности деталей и узлов бытовых машин и приборов. М., 1979.
Половко А. М. Основы теории надежности. М., 1964.
Полухии В. П. Проектирование механизмов швейно-обметочных машин, М・，1972.
Решетов Д. Н. Работоспособность и надежность деталей машин. М., 1974.
Соколов В. И Основы расчета и конструирования деталей и узлов пищевого оборудования. М,, 1963.
Чернобыльский И. И., Бондарь А. Г., Гаевский Б. А. и др. Машины и аппараты химических производств. М., 1975.
Шаумяи Г. А. Автоматы. М., 1955.
Юдин В. А., Петрокас Л. В. Теория механизмов и машин. М” 1977. _
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Раздел первый. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАСЧЕТА И МЕТОДО
ЛОГИИ КОНСТРУИРОВАНИЯ МАШИН И АППАРАТОВ
БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ < . . . ..... 5
Глава I. Технологические машины и аппараты и их конструктивные особенности 5
Парк технологического оборудования .. 5
Классификация технологических машин и аппаратов ....6
Принципиальное и конструктивное построение типовых машиз и аппаратов ^^^.. 8
Глава. II. Система инженерного проектирования технологических машин (аппаратов) .... 14
Задачи инженерного проектирования14
Методология проектирования \. 15
Стадии разработки технической документации ：19
Основные виды конструкторской документации ..21
'Глава Ш. Техиико-экономическая оценка и пути обеспечения качества разрабатываемого оборудования .24
Основные технико-экономические характеристики и показатели качества конструкций 24
Производительность, мощность двигателя и КПД машин (ап~ паратов) 25
Универсальность и степень автоматизации машин (аппаратов) 28
Надежность машин (аппаратов) .... ■29
Технологичность конструкции и стоимость ее изготовления 37
Экономическая эффективность проектируемых конструкций 39
Глава IV. Проектирование машинных и аппаратных технологических процессов и выбор технологических схем проектируемого оборудования 4Q
Задачи проектирования технологическихпроцессов40
Выбор способа технологической обработки и конструктивной схемы исполнительных органов машины(аппарата)42
Выбор метода выполнения технологической операции .. 47
Комплексная механизация и агрегатирование технологических операций5]
Разработка технологической документации и выбор технических параметров проектируемого оборудования 53
Глава V. Разработка структурных схем машин (аппаратов).65
Структурная схема 65
Выбор системы и средств механизации и автоматизации' технологического процесса 67
Проектирование структурных схем ... :71
Гл
механизмов машин и устройств аппаратов
Понятие о функции положения механизма и ее производной
Выбор типа и структуры исполнительных механизмов машин и рабочих устройств аппаратов • • • ■
Проектирование исполнительных механизмов .
Разработка кинематической, гидравлической и пневматической схем машины и технологической схемы аппарата ...
Расчет • энергетических потерь в машинах (аппаратах) ..
Гл а
в а VII. Расчеты, выполняемые на различных стадиях проектирования
*■ . машин (аппаратов) :'
L Назначение и виды расчетов
Кинематический и силовой расчеты механизмов .
Определение параметров движении машин и их регулирование
Расчет механизмов на точность ...•
Расчет деталей машин на жесткость
Расчет деталей машин на долговечность при действии перемен
ных нагрузок ....・
Расчет деталей машин на вибрацию
Расчет деталей при ударных нагрузках
Расчет упругих звеньев механизмов
ЛО. Температурные расчеты
Расчет деталей на долговечность по износу .
Выбор конструкционных материалов.....
Г л а
в а
. Проектирование и расчет приводов и выбор системы управления машиной (аппаратом)
Тип и структура привода ,....■
Электропривод в системе машинного агрегата .
Гидропривод
Пневмопривод .
Выбор системы управления машиной (аппаратом)
Г л а
Г л а
в а IX. Расчет и конструирование базовых деталей и сборочных единиц.Проектирование устройств смазки подшипников .
Особенности конструирования и расчета базовых деталей и сборочных единиц
Расчет массы станины при колебаниях
Защита машин и опорных конструкций от колебаний ..
Расчет фундаментов машин (аппаратов)
Проектирование и расчет устройств смазки подшипников .
в а X. Конструктивная разработка и экспериментальные исследования машин (аппаратов).
Общая компоновка машины (аппарата) и сборочных единиц
Конструирование сборочных единиц и деталей .
Требования эстетики, эргономики и техники безопасности при конструировании
Моделирование и экспериментальные исследования машин и аппаратов
^^ ^^ ^^10110110210510811^.mшштш^130130⑶143148⑸156,,,56,5816°168169шш^
Раздел второй. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ И УСТРОЙСТВ типовых МАШИН И АППАРАТОВ БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ . . 196
Глава XI. Расчет и конструирование рабочих барабанов машин стиральных, химической чистки и сушильных 196
Расчет параметров рабочих барабанов машин стиральных и химической чистки 196
Расчет потребляемой мощности рабочим барабаном машин стиральных и химической чистки , . .199
205209211213205209211213Расчет прочности рабочих барабанов машин стнральных^^^^. мической чистки.
205
209
211
213
205
209
211
213
Расчет и проектирование упругой подвески рабочего ба^^^а с демпфированием讶；.
Особенности расчета и конструирования рабочего барабана ty- шнльной машины ...
Глава XII. Расчет и конструирование рабочих органов отжимных маШйн
Ротор центрифуги....213
Привод центрифуги .:223
Особенности конструкций валковых отжимных машин * . . 227
Глава XIII. Расчет и конструирование валковых исполнительных механнз” мов машин ,228
Функциональное назначение механизмов 228
Силовой расчет механизмов 229
Расчет рабочих валков иа прочность и жесткость.. 239
Глава XIV. Расчет н конструирование исполнительных механизмов машин обработки материалов резанием и с помощью трения. 244
Исполнительные механизмы машин обработки материалов резанием 244
Исполнительные механизмы машин обработки материалов с по- мощью треиня 256
Глава XV. Расчет и конструирование исполнительных механизмов машин скрепления деталей одежды н обуви механическими способами 260
Исполнительные механизмы машин ниточного скрепления де
талей одежды и обуви 260
Исполнительные механизмы машин скрепления деталей низа обуви металлическими крепителями274
Глава XVI. Расчет и конструирование исполнительных механизмов, прессов и устройств для формования материалов.281
Силовой расчет рабочих органов прессов и устройств для формования материалов ....281
Исполнительные механизмы и приводы прессов .286
Рабочие устройства формования материалов растяжением . 293
Глава XVII. Расчет и конструирование гидравлических и теплообменных аппаратов 296
Гидравлические н тепловые расчеты аппаратов ..- .. 296
Механический расчет аппаратов 308
Расчет и конструирование струйных аппаратов . ■ ...321
Список литературы 325
Г л а
6cg,&
лзз
◎ДК 623L6(075.8)
Лебедев В. С.
ЛЗЗ Расчет и конструирование типовых машин и аппаратов бытового назначения. Учебник для вузов.—М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. — 328 с.
Изложены общие вопросы и методы расчета и конструирования машин и аппаратов бытового назначения. Рассмотрена классификация технологических машин и аппаратов, последовательность и этапы их проектирования, разработка технологического процесса.
Дан анализ надежности и производительности машин н аппаратов, прнве- денн требования экономики при их конструировании. Рассмотрены методы рас- чета н конструировання основных сборочных единиц исполнительных механизмов типовых машин и аппаратов бытового назначения.
, Для студентов вузов отрасли бытового обслуживания.
п 34°4°°°°°°-(шББК 37.27
044(01)-8267-826С9.&
Рецензенты: КафеЗра машин и аппаратов легкой промышленности Московского ордена Трудового Красного Знамени института легкой промышленности; д-р техн, наук, профессор В. П. Полухин
Василий Степанович Лебедев