Синтез и анализ механизмов глубинного насоса

Введение

Глубинный насос предназначен для выкачивания жидкости с низких горизонтов.

Действие глубинного насоса основано на преобразовании вращательного движения кривошипа в возвратно-поступательное движение ползуна с помощью шестизвенного шарнирно-рычажного механизма с противовесом.

Для обеспечения необходимой равномерности движения на валу электродвигателя закреплен маховик. Применение противовеса, расположенного на коромысле, позволяет значительно уменьшить его габариты.

Кулачковый механизм предназначен для управления клапанами.

1.Структурный анализ и синтез. Геометрический синтез. Кинематическое исследование основного механизма.

1.1Структурный анализ и синтез.

1.1.1Структура механизма.

1.1.2 Характер движения звеньев механизма.

1.1.3 Характер кинематических пар (КП).

В данный механизм входят 7 низших кинематических пар.

1.1.4 Степень свободы механизма.

W=3n-2pН-2pВ, рН=7, n=5;

W=3*5-2*7=1;

W=1. Механизм имеет одну степень свободы.

1.1.5 Структурные группы Асура.

1.1.6 Число избыточных связей

q=W-6n+5p5;

q=1-6*5+5*7=6;

q=6. Механизм имеет шесть избыточных связей.

1.1.7 Устранение избыточных связей.

q=W-6n+5p5+4p4+3p3;

q=1-6*5+5*3+4*2+3*2=0;

q=0.

Общее количество кинематических пар: p5+p4+p3=3+2+2=7.

Схема механизма без избыточных связей:

Вывод: данный механизм является плоским шарнирно-рычажным механизмом 2-го класса. Имеет одну степень свободы и состоит из 2-х структурных групп и начального звена. Механизм предназначен для преобразования вращательного движения кривошипа в возвратно-поступательное перемещение ползуна.

1.2 Геометрический синтез механизма (определение размеров звеньев по основным и дополнительным условиям синтеза).

При геометрическом синтезе схемы механизма производится определение размеров его звеньев при заданном движении выходного звена, которое является основным условием синтеза.

Эксплуатационные качества механизма определяются дополнительными условиями синтеза. К ним относятся, например, коэффициент изменения средней скорости, от которого зависит производительность, ограничение углов давления, определяющее условия передачи сил и связанное с КПД и отсутствием самоторможения и т.д.

Входными параметрами для синтеза шестизвенного шарнирно-рычажного механизма является длина кривошипа: LO1A=0.5 м .

Длина звена CO3 равна:LCO3= 4LO1A;

LCO3=4*0.5=2 м.

Длина звена EO3 равна:LEO3=5LO1A;

LEO3=5*0.5=2.5 м.

Длина звена BO3 равна:LBO3=2LO1A;

LBO3=2*0.5=1 м.

1.3 План положений механизма(графическое изображение схемы механизма в заданных положениях начального звена).

Для построения схемы механизма выберем масштабный коэффициент:

.

Задаем , тогда .

Находим размеры остальных звеньев:

1.4 Кинематический анализ механизма.

Угловая скорость кривошипа .

Скорость точки А всегда равна: . Задаемся длиной вектора =42мм и вычисляем масштаб построения планов скоростей: .

Из полюса проводим линию перпендикулярную О1А в направлении вращения кривошипа и откладываем на ней отрезок 42 мм. Для скорости точки В, принадлежащей звену АВ:

, где перпендикулярна АВ, а

перпендикулярна ВО3.

Скорость точки Е можно определить, используя свойство пропорциональности одноименных отрезков: , , где измеряется для каждого положения. Из полюса проводим направление перпендикулярно ЕО3 и откладываем .

Для скорости точки С свойство пропорциональности: , , где измеряется для каждого положения. Из полюса проводим направление перпендикулярно СО3 и откладываем .

Из полюса проводим направление параллельно оси Y и из конца проводим перпендикулярно оси Y, а точка ее пересечения с вертикалью соответствует в масштабе . Скорость центра масс находим, соединив полюс и середину . Скорость центра масс находим, соединив полюс и середину . Точки, скорости которых равны нулю, на планах скоростей находятся в полюсе .

2.Анализ движения машинного агрегата и расчет маховика

Цель: определение истинного закона движения начального звена и расчет маховика.

2.1. Построение динамической модели машины

Для упрощения решения задачи реальную схему машины с одной степенью свободы с недеформируемыми звеньями и начальным звеном, совершающим вращательное движение (кривошип) является одномассовая система, обладающая некоторой условной массой, кинетическая энергия которой в любом положении звена приведенная равна кинетической энергии всего механизма: Tn=Jn1/2=Ti , и нагруженной фиктивным моментом, мощность которого равна сумме мощностей, развиваемых всеми силами, действующими в механизме: Nn=Mn1=Ni .

Здесь обозначено: Jn – момент инерции приведенной массы относительно оси вращения; Mn – приведенный момент всех внешних сил Mn= Mnс- Mnд ; Mnд – приведенный момент движущих сил, Нм; Mnс – приведенный момент сил сопротивления, Нм.

Массы звеньев: : m2=20 кг, m4=20 кг;

m5=450кг, mE=600 кг.

Моменты инерции звеньев: : IS1=0,1 кгм2, IS2=IS3=IS4=6,67 кгм2.

Сила тяжести G=mg: G2=200 Н, G4=200 Н, G5=4500 H, GE=6000 H.

Сила сопротивления: при подъёме: Р5=6000 Н;

при опускании: P5=2000 Н.

Приведение сил:

Приведение масс:

2.2 Уравнение движения машины

В интегральной форме: Tk-T0=Aд-Ас

, где - обобщенная координата; Jn0, 0 – приведенный момент инерции и угловая скорость звена приведения при =0.

2.3. Решение уравнения движения

Определить (1). Графический метод Виттенбауэра.

2.3.1. Построение графика приведенного момента сил сопротивления

/Mnmax/=4865 Hм , задаем ymax=100 мм, тогда .

Находим остальные у: .

Задаем l=140 мм и Н=60 мм, тогда .

2.3.2. Построение графика приведенного момента инерции

Jnmax=1599 кгм2 , задаем ymax=100 мм, тогда

Находим остальные у: .

2.3.3. Построение графика работ сил сопротивления

Строится графическим интегрированием графика Мnc, для чего криволинейную фигуру заменяем равновеликими прямоугольниками.

2.3.4. Построение графика работ движущих сил: Ад=Аi .

2.3.5.Построение графика движущего момента: Мnд=уn*=50*48,65=2432,5.

2.3.6. Построение графика избыточных работ: .

2.3.7. Построение диаграммы Виттенбауэра.

2.3.8. Расчет маховика

Маховик служит для уменьшения неравномерности движения. .

Коэффициент неравномерности движения

Под этими углами к диаграмме Виттенбауэра проводим касательные - сверху и - снизу.

ok=6 мм; kl=365 мм.

Определяем момент инерции маховика: .

. Задаемся b=0,1 м, тогда Д=;

2.3.9. Определение угловой скорости начального звена

Начальное значение кинетической энергии: ;

.

Изменение кинетической энергии во всех положениях ; определяем значение угловой скорости .

Задаемся , тогда .

Проверка:

3.Силовой расчет основного механизма

Цель силового расчета: определение реакций в кинематических парах и уравновешивающего момента.

3.1.Выбор положения

Выбираем одно из положений рабочего хода. Приложим все действующие силы.

3.2. Силовой расчет

Вращение звена 1 является равномерным, поэтому ускорение точки А равно: , .

Выбираем масштабный коэффициент плана ускорений: , тогда .

Запишем векторное уравнение для построения плана ускорений:

, где || BO3; BO3;

|| O1A; || AB; || AB.

Вычислим модули и , и соответствующие им отрезки на плане ускорений:

, ; .

, ; .

Согласно свойству плана ускорений:

, , ;

, , .

, где -вертикально; || CD; CD.

Находим линейные ускорения точек:

; ;

; ;

; ;

; ;

.

Угловые ускорения звеньев 2, 3 и 4 равны:

; ;.

3.3. Определение сил и моментов сил инерции

Силы инерции звеньев: , :

;

;

;

;

.

Моменты сил инерции звеньев: , :

;

;

;

.

3.4. Силовой расчет ведомой группы (группа 4-5)

Сила сопротивления:. Принимаем ,

тогда .

Уравнение моментов сил относительно точки D:

, отсюда: ;

.

;

;

.

3.5. Силовой расчет промежуточной группы (группа 2-3)

Сила инерции . Принимаем .

Уравнение моментов сил относительно точки B: :

, отсюда:

;

;

,отсюда ;

.

3.6. Силовой расчет начального звена ;

; ; ; .

4.Синтез кулачкового механизма

Цель синтеза: построение профиля кулачка по заданному закону движения толкателя.

4.1. Исходные данные

1) тип кулачкового механизма: с коромысловым толкателем;

2) направление вращение кулачка: по часовой стрелки;

3) максимальное перемещение толкателя: ;

4) Законы движения толкателя:

фаза подъема: синусоидный;

фаза опускания: постоянный.

Фазовые углы:

фаза подъема: 120°;

фаза верхнего выстоя: 40°;

фаза опускания: 120°;

фаза нижнего выстоя: 80°;

5) допустимый угол давления: 30°;

6) длина коромыслового толкателя: 130 мм.

4.2. Синтез кулачкового механизма

Расстояние между осями кулачка и коромысла: 168.2 мм.

Начальный радиус центрального профиля кулачка: 59.94 мм.

Радиус ролика 15 мм.

Закон движения толкателя

4.3. Построение профиля кулачка

Метод инверсий – мысленно всему кулачковому механизму сообщается угловая скорость равная по величине, но противоположная по направлению угловой скорости кулачка. Кулачок представляется остановленным, а толкатель будет участвовать в двух движениях: переносном и относительном.

4.4. Построение графика углов давления

Измеряем углы давления между нормалью к профилю и осью толкателя и строим график углов давления в масштабах:

5. Синтез планетарного механизма

Цель: Подбор чисел зубьев колес и числа сателлитов. Главное условие синтеза выполнение требуемого передаточного отношения.

5.1. Определение

; ;

; .

5.2. Выбор чисел зубьев колес

.

Задаем z3=17;

z4 определяем из условия соосности: ; ;

;

5.3. Выбор числа сателлитов и проверка условий

Задаем число сателлитов =3.

Проверка геометрических условий:

; ; ;

46,4>36.

5.4. Определяем размеры колес

; ; ; .

Чертим схему механизма в двух проекциях в масштабе: .

5.5. План скоростей

; ;

. .

5.6. Диаграмма угловых скоростей

; .

Библиографический список

1. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М. Наука,1975г.

2. Попов С.А. Курсовое проектирование по теории механизмов и механики машин. М. Высшая школа, 1986г.

3. Кореняко А.С. Курсовое проектирование по теории механизмов и машин. Киев. Вища школа, 1970г.

4. Фролов К.В. Теория механизмов и машин. М. Высшая школа, 1987г.