Водяной насос

Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Тема:

"Водяной насос"

Минск 2007

Введение

Создание современной машины требует от конструктора всестороннего анализа проекта. Расходы на изготовление и эксплуатацию должны быть минимальными, но обеспечивающими достижение заданных параметров. Из допустимого множества решений конструктор выбирает компромиссное решение с определенным набором параметров и проводит сравнительную оценку различных вариантов. Выделяют главные критерии, а вспомогательные показатели используют как ограничения, накладываемые на элементы решения. Единой системой конструкторской документации (ЕСКД) установлено 5 стадий разработки документации на изделия всех отраслей промышленности: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект и разработка рабочей документации.

Основная цель курсового проектирования – привить навыки использования общих методов проектирования и исследования механизмов для создания конкретных машин и приборов разнообразного назначения. Курсовое проектирование ставит задачи усвоения студентами определенных методик и навыков работы по направлениям:

– оценка соответствия структурной схемы механизма основным условиям работы механизма или прибора

– проектирование структурной и кинематической схемы рычажного механизма по заданным основным и дополнительным условиям

– анализу режима движения механизма при действии заданных сил

– учет сил трения в кинематических парах и определение коэффициента полезного действия

– проектирование зубчатых рядовых и планетарных механизмов

– расчет оптимальной геометрии зубчатых зацеплений выходного звена

– разработка циклограмм и тактограмм для систем управления механизмами

– определение мощности и выбор типа движения.

Задание на курсовое проектирование содержит название темы проекта, краткое описание назначения машины или прибора и функции их исполнительных органов и элементов, схемы согласованности перемещений исполнительных органов, исходные данные.

1. Динамический синтез рычажного механизма

1.1 Задачи и методы динамического синтеза и анализа машинного агрегата

Насос: Процессы в водяных насосах осуществляются за период одного оборота кривошипа.

Принципы работы водяного насоса.

Одноцилиндровый поршневой насос предназначен для перекачивания жидкости. Движение от электродвигателя передается кривошипу через планетарный редуктор и зубчатую передачу. Преобразование вращательного движения кривошипа в возвратно-поступательное движение поршня осуществляется трехзвенным рычажным кулисным механизмом, состоящим из кривошипа, шатуна и ползуна (поршня). Всасывание жидкости в цилиндр происходит через впускной клапан во время хода поршня вверх при давлении ниже атмосферного. Нагнетание жидкости происходит через выпускной клапан при ходе поршня вниз. Смазывание механизмов насоса осуществляется плунжерным масляным насосом кулачкового типа. Кулачек закрепленный на одном валу с зубчатым колесом приводит в движение толкатель. Равномерное движение обеспечивает маховик.

Таблица 1.1 – исходные данные

Массы звеньев: ; ;

Моменты инерции: ;

1.2 Структурный анализ механизма

1.2.1 Перечень звеньев механизма

1. – кривошип; 2. – шатун; 3 – ползун.

1.2.2 Перечень кинематических пар

0–1 – кинематическая пара 5-го класса, вращательная;

1–2 – кинематическая пара 5-го класса, вращательная;

2–3 – кинематическая пара 5-го класса, вращательная;

3–0 – кинематическая пара 5-го класса, поступательная;

1.3 Определение степени подвижности механизма

Степень подвижности механизма определим по уравнению Чебышева

W= - -

где – количество движущихся звеньев механизма;

Для механизма, что исследуется, =3, кинематических пар 5-го класса =4, кинематические пары 4-го класса отсутствуют.

Имеем: W=3Ч3–2Ч4=1.

Для работы механизму необходима только одно ведущее звено, так как степень подвижности равна единице.

1.4 Определение недостающих размеров

1.4.1 Определение длины

Определим длину l1 и l2, которые находятся из следующего неравенства:

(1) ;

; ; ; ;

из формулы (1)

;

1.4.2 Определяем угловую скорость

1.4.3 Определим массы звеньев

1.5 Описание определения кинематических характеристик рычажного механизма

В левой части чертежа строим планы положений механизма. За начальное положение механизма принимаем положение, когда кривошип и шатун находятся в мертвом положении (вытянуты в одну линию). Затем строим 12 равноотстоящих положений входного звена (кривошипа АВ). Для выполнения построений планов положений механизма предварительно определяем масштабный коэффициент длины.

-действительная длина звена АВ, м

АВ – отображающий ее отрезок на чертеже, мм

Принимаем АВ=60 мм.

;

;

Планы скоростей

Для построения планов скоростей воспользуемся векторными уравнениями для построения планов скоростей.

(м/с)

Введем масштабный коэффициент скорости (м/мм*с)

pb = vb / μv = = 71,6 мм

Вектор скорости точки В перпендикулярен звену АВ, вектор скорости точки С направлен по направлению движения поршня 3, вектор скорости точки С относительно точки В перпендикулярен звену ВС.

Для построения отрезка ps2, изображающего вектор скорости центра масс S2, воспользуемся теоремой подобия:

;

Измеряем на планах скоростей длины соответствующих векторов и полученные значения записываем в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

1.6 Построение диаграмм

Вычерчиваем заданную индикаторную диаграмму, под линией движения ползуна. Масштабный коэффициент длин принимаем таким же как и для планов перемещений .

Максимальную ординату на графике давления принимаем равной 50 мм, тогда .

Полный цикл водяного насоса совершается за 1 оборот кривошипа.

Значение силы полезного сопротивления FC определяем по формуле: .

Знак «+» берется в том случае, когда сила FC направлена противоположно движению ползуна.

Определяем значения давлений и сил сопротивления для всех положений кривошипа. Результат заносим в таблицу 1.3.

Таблица 1.3

Строим диаграмму аналогов скоростей рабочего звена, принимая максимальную ординату 150 мм.

Результаты заносим в таблицу 1.4.

Таблица 1.4

Принимаем масштабный коэффициент:

Строим диаграмму аналогов скоростей выходного звена в зависимости от угла поворота кривошипа.

1.7 Динамическая модель машинного агрегата

В связи с необходимостью в данном проекте выполнения динамического анализа кривошипно-ползунного механизма целесообразно динамическую модель машинного агрегата представить в виде вращающегося звена (звена приведения), закон движения которого был бы таким же, как и у кривошипа 1 механизма, т.е. , , .

Приведенный момент сил Mn представим в виде:

-приведенный момент сил сопротивления.

-приведенный момент движущих сил, принимается в проекте постоянный.

Приведенный момент инерции агрегата определяется из условия равенства кинематической энергии звена приведения и кинетической энергии звеньев машинного агрегата, характеризуемых переменными по величине аналогами скоростей, а приведенный момент Мn находится из условия равенства элементарных работ этого момента и тех действующих сил, которые приводятся к звену приведения.

1.8 Расчет приведенных моментов инерции

За звено приведения примем кривошип АВ.

Общая формула для определения приведенного момента инерции звеньев имеет вид:

В моем курсовом проекте эта формула будет следующей:

Отношение скоростей есть передаточные функции, которые определяются из планов скоростей.

Введем обозначения:

; ;

кг

кг

кг

кг

кг

кг*м2/мм

Результаты вычислений приведены в таблице 1.5. По этим же данным строим диаграмму приведенного момента инерции механизма.

Таблица 1.5

По оси абсцисс принимаем масштабный коэффициент:

где L – длина отрезка оси абсцисс, соответствующая углу 2π рад.

1.9 Расчёт приведенных моментов сил сопротивления

Определяем приведенный к валу кривошипа момент от сил сопротивления, при этом учитываем действие сил , , . Силу веса кривошипа учитывать не следует, так как ее работа равна нулю (центр тяжести кривошипа совпадает с осью вращения – его скорость равна нулю) и приведенный момент от нее равен нулю.

Приведенный момент найдем из условия и равенства мощностей приведенного момента и приводимых сил:

α-угол между направлением силы и направлением скорости центра тяжести .

Знак «+» перед мощностями сил веса и сил сопротивлений будем ставить тогда, когда эта сила является силой сопротивления; знак «–» перед движущими силами.

Окончательно получим:

Fc [1–6] = 830 H

Fc [7–12] = 33221 H

G2 = m2*g = 7.8*9.81 = 76,518 H

G3 = m3*g = 7.8*9.81 = 76,518 H

Результаты заносим в таблицу 1.6.

Таблица 1.6

1.10 Определение работы сил сопротивления А и движущих сил Аg

Так как работы сил сопротивления равны , то график строим методом численного интегрирования графика по формуле трапеции:

- шаг интегрирования

Результаты заносим в таблицу 1.7

Таблица 1.7

Дж/мм

1.11 Построение графика изменения кинетической энергии и диаграммы «энергия-масса»

Для построения графика изменения кинетической энергии поступаем следующим образом: вычитаем ординаты графика из соответствующих ординат графика и строим график суммарной (избыточной) работы , который одновременно является графиком изменения кинетической энергии механизма и приведенного момента инерции.

Дж/мм

1.12 Определение параметров маховика

Для определения момента инерции маховика по закону коэффициента неравномерности движения δ следует провести касательные к графику «энергия-масса» под углами ψmax и ψmin к оси абсцисс (оси приведенного момента инерции) тангенсы которых определяются по формуле:

;

кг*м2

Т.к. маховик выполнен в форме стального диска, момент инерции маховика будет равен:

,

где m – масса маховика, r – плотность (для стали r=7800 кг/м3), yb = b/D – относительная ширина маховика.

Подставив значения получим:

Масса маховика

(кг)

1.13 Определение истинной угловой скорости звена приведения

Истинная угловая скорость звена приведения находится следующим образом:

;

где

Дж

с-1

Результаты вычислений приведены в таблице 1.8

Таблица 1.8

Проверка: %

2. Динамический анализ рычажного механизма

Силовой расчет механизма

Задачей силового анализа является определение при заданном законе движения неизвестной внутренней силы, то есть усилия (реакции) в кинематических парах. Эта задача решается с применением принципа Даламбера. Силовой расчет плоских рычажных механизмов выполняется по группам Асура в порядке обратном их присоединения к входному звену.

2.1 Определение углового ускорения звена приведения

Угловое ускорение определяем из дифференциального уравнения машинного агрегата:

;

где

Расчет производим для 10-го положения механизма (Мпр10 - максимальный).

-угол наклона касательной к кривой графика к оси абсцисс в исследуемой точке.

Подставляем ранее определенные значения и получим:

Ведущее звено движется замедленно.

2.2 Определение линейных и угловых скоростей, ускорений точек и звеньев механизма

Для построения плана механизма в 10-ом положении примем масштабный коэффициент м/мм

Для построения плана скоростей определим скорость точки В.

м/с

Приняв отрезок pb=340 мм, определим масштабный коэффициент.

м/(с·мм)

Построение плана ведется в соответствии с векторными уравнениями рассмотренными в положении №10. Тогда действительные скорости:

м/c

м/c

с-1

м/c

Направление получим, поместив вектор в точку С звена 2 и рассмотрев поворот звена под его действием относительно точки В.

Так как кривошип вращается неравномерно, ускорение точки В кривошипа равно:

Выбираем масштабный коэффициент для ускорения .

Вычисляем отрезки изображающие и

мм,

мм

Из полюса откладываем ║ АВ направленный к центру вращения, отрезок ┴ АВ в направлении .

Ускорение точки С найдем, решив графически систему векторных уравнений.

где нормальная составляющая ║ СВ и равна:

мм

тангенциальная составляющая ┴ СВ.

Точка принадлежит стойке, поэтому ║.

Положение точки найдем по теореме подобия:

мм

Тогда действительные ускорения точек и звеньев равны:

м/с2

м/с2

м/с2

Направление получим,