ELEKTRIAJAMIGA TRUMMELVINTS (2)

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL
MEHHATROONIKAINSTITUUT
ELEKTRIAJAMIGA TRUMMELVINTS
PROJEKT
ÜLIÕPILANE:
KOOD: KAKB
JUHENDAJA : IGOR PENKOV
TALLINN
2010
TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL
MEHHATROONIKAINSTITUUT
MASINATEHNIKA PROJEKT MHE0062
Projekteerida elektriajamiga vints .
Tõstetav mass m= 800 kg
Maksimaalne liikumiskiirus v = 0,1 m/s
Trumli pikkus l = 320 mm
Mootori ja trumli ühendus kettülekanne
Esitada: seletuskiri , mastaabis eskiisid , koostejoonis, detailide joonised
Joonis esitada formaadil A2-A4
Töö välja antud: 05.02.2010.a.
Esitamise tähtpäev: 23.04.2010.a.
Töö väljaandja: I.Penkov
Sisukord:
1. Projekteerimise objekt ja lähted 3
2. Ajami kinemaatiline skeem 4
3. Trossi valik ja trumli läbimõõdu arvutus 4
4. Mootorreduktori valik 5
5. Kettülekande arvutus 7
6. Võlli arvutus 10
7. Laagri valik 15
8. Liistu arvutus 15
9. Trumli arvutus 17
Kasutatud kirjandus ..............................................................................................................15
Lisa1 .......................................................................................................................19
1. Projekteerimise eesmärk ja lähteandmed.
Projekteerimiseks on esitatud elektriajamiga vints mille kandevõime on 800 kg ja maksimaalne tõstekiirus on 0,1 m/s. Ajamiks on silindriline- või tigu -mootorreduktor, mis on kettülekande kaudu ühendatud vintsi trumliga. Trummel on terasdetailidest keevitatud konstruktsioon . Terase mark – S235J2G3 EN 10025. Trummel toetub võllile kahe rummu kaudu. Võlli materjal – teras C45E EN 10083. Pöördemoment võllilt trumlile kantakse liistudega mõlema rummu kaudu. Võll toetub iseseaduvatele laagritele. Laagrisõlmed on kruvidega ühendatud raamiga. Raam on terastorudest (materjal – S355J2H) ja/või UNP profiilidest (materjal – S235JRG2) keevitatud konstruktsioon.
Projekteerimisel tuleb tagada konstruktsiooni võimalikult väikesed massi ja gabariit -mõõtmed.
Materjalide mehaanilised omadused:
teras S235
voolavuspiir – Reh (σY) = 235 MPa
tõmbetugevus – Rm (σU) = 370 – 470 MPa
teras S355
voolavuspiir – Reh (σY) = 355 MPa
tõmbetugevus – Rm (σU) = 490 – 610 MPa
teras C45E
tinglik voolavuspiir – Rp0,2 (σY) = 370 MPa
tõmbetugevus – Rm (σU) = 630 MPa
väsimuspiir - σ-1 = 275 MPa, τ-1 = 165 MPa
terase elastsusmoodul – E = 2,1*105 MPa
terase nihkeelastsusmoodul – G = 8,1*104 MPa
2. Ajami kinemaatiline skeem
Joonis 1: Kinemaatiline skeem.
1 - raam, 2 - mootorreduktor, 3 - kettülekanne, 4 – trummel
3. Trossi valik ja trumli läbimõõdu arvutus
Maksimaalne trossi sisejõud peab rahuldama tingimusi
Fmax ≤ [F] = Fkr/S
Maksimaalne pingutusjõud
Fmax = mg = 800 kg * 9,81 ≈ 7484 N
kus: g= 9,81 m/s2 – raskuskiirendus ;
m – tõstetav mass Joonis 2: Tross TEK 13310
Nõutav varutegur [S] = 5,5 [2]
Trossi kriitiline jõud
Fkr= Fmax * [S] = 7484 * 5,5 ≈ 41162 N ≈ 42 kN
Pidades silmas trossi võimaliku keeramist nii trumlile kui ka alt olevate trossi keerdude peale valime trossi TEK 13310 [3], mille Ft = 59,7 kN
Siis Fmax = 7484 N Trossi mõõt d = 10 mm. Siis trumli läbimõõt
D = ed = 20*10mm= 200 mm
kus e - töörežiimist sõltuv tegur, mis valitakse ehitusnormide järgi
muutub vahemikus 20... 35, meie juhul e = 20
Valime D = 200mm
reast 160, 200, 250, 320, 400, 450, 560, 630, 710, 800, 900, 1000 mm
4. Mootorreduktori valik
Trumli pöörlemiseks vajalik võimsus
PT = T * ωT
kus T – pöördemoment, Nm;
ωT
- nurkkiirus , rad/s
Pöördemoment
T = F * D / 2
kus F – tõstejõud ( F = Fmax = 7,484 kN ) Joonis 3: Trumli pöörlemiseks vajalik moment
Siis T = F * D / 2 = 7484 N * 0,2m / 2 = 748,4 Nm
Nurkkiirus ωT
= 2v / D = (2* 0,1 m/s) / 0,2m = 1 rad/s
Siis trumli pöörlemiseks vajalik võimsus
PT = T * ωT
= 748,4 Nm * 1 rad/s ≈ 748 W
Mootorreduktori minimaalset vajaliku võimsust saab tingimusest
PM min = PT / η1η2 (η3)3
kus η1 – mootorreduktori kasutegur, valime η1 ≈ 0,94
η2 ≈ 0,92 – kettülekande kasutegur;
η3 ≈ 0,99 – laagripaari kasutegur.
Siis PM min = PT / η1η2 (η3)3 = 748 W / (0,94 * 0,92 * 0,993) ≈ 891 W
Trumli pöörlemissagedus
nT = (30 * ωT ) / Π = (30*1) / 3,14 ≈ 9,55 min-1
Siis reduktori pöörlemissagedus
nR = nT * uK,
kus uK – kettülekande ülekandearv.
Valime uK = 2,8 (valitav suurus, selle saab muuta vahemikus 1 nR= nT * uK = 9,55 * 2,8 ≈ 26,74 min-1
Lähtudes võimsusest PM min = 0,891 kW ja reduktori pöörlemissagedusest nR = 26,74 min-1 valime mootorreduktori.
Antud tingimustega sobib mootorreduktor R 77 DT 90S4
võimsus PM = 1,1 kW
pöördemoment M = 390 Nm
pöörlemissagedus nR = 27 min-1
ülekandearv uR = 52,07
Reduktori väljundvõlli nurkkiirus Joonis 4: R tüübi silindriline rootorreduktor
ωT
= (Π * nR ) / 30 = 3,14 * 27 / 30 ≈ 2,826 rad/s
Trumli tegelik pöörlemissagedus
nT = nR / uK = 27 / 2,8 = 9,643 min-1
ja tegelik ringkiirus
v = ( Π * nT * D ) / 60 = (3,14 * 9,643 * 0,2) / 60 = 0,101 m/s
Erinevus nõudva ja tegeliku kiiruse vahel võib olla kuni 3%
Praegu on see:
[(0,101 – 0,1) / 0,1] * 100% ≈ 1% Juhul, kui kiiruste erinevus on üle 3%, võib selle parandada kettülekande ülekande arvu uK muutmisega.
Kontrollime vajalikku võimsust trumlil:
P = PM *η1 *η2 * η3 = 1,1 * 0,94 * 0,92 * 0,99 ≈ 0,941 kW > PT = 0,748 kW
Järeldus: Valitud mootorreduktor rahuldab nõutavaid tingimusi.
5. Kettülekande arvutus
Vedava ketiratta maksimaalne pöördemoment
Tketiratas = T / uK * η2 * η3 = 748,4 / 2,8 * 0,92 * 0,99 = 293,46 Nm
uK = 2,8
Vedava ketiratta minimaalne hammaste arv sõltub ratta pöörlemissagedusest: suurte pöörlemissageduste korral Z1min = 19...23, keskmistel Z1min = 17...19, väiksematel Z1min = 13...15. Soovitatakse valida paaritu arv.

Joonis 5: Kettülekanne
Soovitatav hammaste arv z1 = 31 – 2uk = 31 – 2 ∙ 2,8 ≈ 26
Valin z1 = 19 [5,6]
Veetava ketiratta hammaste arv
z2 = z1 * uK = 19 * 2,8 ≈ 53.
Koormuse tegur
K = kd * ka * kn * kr * km ,
Siis
K = kd * ka * kn * kr * km = 1,25*1*1*1,25*1,3 ≈ 2,03
Üherealise rullketi samm
t ≥ 2,8 *
kus p – keskmine erisurve
Esimeses lähtudes valime p = 46 MPa, (lisa 1, Tabel 1).
Kuna z1 = 17 siis
p = 46 * kz = 46 *[1+0,01 (z1 – 17)] = 46 * [1+0,01 (19 – 17)] ≈ 47MPa
siis
t ≥ 2,8 * ≈ 0,025m = 25 mm.
Tingimusele vastab üherealine kett 20B1W [5,6], mille samm t = 31,75
Mida suurem on keti samm, seda suurem saab ka olema ketiratta läbimõõt sama hammaste arvu puhul. Seadme gabariitmõõtu saab vähendada, kui kasutada väiksema sammuga ketti. Selljuhul, et tagada keti tugevust tuleks valida kahe-, või kolmerealine kett.
Seega valime keti 16B2W [5,6], mille samm t = 25,4 mm, mass q = 4,21 kg/m, kriitiline koormus Fkr = 106 kN, rulli laius b = 17,02 mm, rulli läbimõõt d = 15,88mm
Keti kiirus
v = (z1*t*nr)/(60*103) = (19*25,4*27) / (60*103) ≈ 0,22 m/s
Ringjõud
FR = TK*ωR / v = TK* Π * nR / 30*v = (293,46*3,14*27) / (30*0,22) ≈ 3,8 kN
Rullis tekkiv surve
p = K*FR / 2A = K*FR/ 2*b*d = 2,03*3800 / 2*17,02*15,88 ≈ 14,3 MPa = 36 * [1+0,01(z1 – 17)]= 36 * [1+0,01(19– 17)] ≈ 36,7 MPa (Lisa 1, Tabel 1).
Tugevustingimus on rahuldatud.
Valitud kett on 16B2W (DIN8187).
Jõud ketis
Läbipaindest
Fƒ = 9,81*kƒ * q * a
kus Fƒ – ülekande asendit arvestav tegur ( kƒ = 6 – horisontaalselt paigaldatava keti puhul, kƒ = 1 – vertikaalselt paigaldatud keti puhul, kƒ = 1,5 – nurgal 45 kraadi ), a = telgede vahe (valime a ≈ 800 mm)
Minimaalne telgede vahe amin= 0,6(D01+D02)+ 30...50 mm, kus D01 ja D02 on ketirataste peaderingjoone läbimõõdud. Soovituslik telgedevahe on a= 30t...50t, kus t on keti samm, maksimaalne telgedevahe on amax ≤ 80t.
Siis
Fƒ = 9,81* 1,5 * 4,21 * 0,8 ≈ 50
Tsentrifugaaljõud
Ft =q*v2 = 4,21* 0,222 ≈ 0,2 N
Koormus võllile
FV= FR+ 2*Fƒ = 3800 + 2*50 = 3900 N
Keti tugevuse varutegur
S = Fkr / ( FV + Ft + Fƒ ) = 106000 / 3900 + 0,2 + 50 ≈ 27 > [S] = 7,3 ( Lisa 1, tabel 2).
Joonis 6: Ketiratas
Ketirattaid
Vedav ketiratas – N16B2-19, veetav ketiratas N16B2- 57 [5,6].
kaherealisele ketile N 16B2 Zd 47,7mm
KOOD
z
D0, mm
Dy , mm
d, mm
Dn , mm
Ln , mm
Mass, kg
N16B2-19
19
154,32
165,2
20
128
70
7,7
N16B2- 57
57
461,08
474
40
180
110
51
6. Võlli arvutus
Projektarvutus
Võlli vaba otsa läbimõõt
dv ≥ = ≈ 0,05m
kus [τ] = 20...30 MPa;
Valime võlli vaba otsa läbimõõduks dv = 50 mm
Tapi läbimõõt läbimõõt dt = 55 mm
Rummu siseläbimõõt dr = 60 mm
Teised mõõdud valime konstruktiivselt.
Rummu pikkus
lr = (1,2...1,8) dr = (1,2...1,8) * 60 = 72...108 mm
Valime lr = 90 mm
Rummu välisläbimõõt
dr2 = (1,6...1,8) * dr = (1,6...1,8) * 60 = 96...108 mm
Valime dr2 = 100 mm
Laagrite vahe valime konstruktiivselt, lähtudes trumli pikkusest, ketiratta ja laagrisõlme laiusest ning trumli ja korpuse minimaalsest vahekaugusest.
Ketiratta laius Ln = 110 mm
Laagrisõlme laius Lb ≈ 60 mm
Trumli rummu pikkus lr = 90 mm
Trumli pikkus Ltr = 320 mm
Seega:
l = Ltr + 2* Lb / 2+ 2* 15 = 410mm
l1= Ln/2 + Lb/2 +10 = 95 mm
l2= lr/2 + Lb/2 + 15 = 90 mm
l3= l – 2l2 = 410 – 2*90 = 230 mm
Koormus
F = 7,848 kN; FV = 3,9 kN
Reaktsioonijõudude leidmine
ΣmA = 0
RB*l – F/2 (l2 + l3) – F/2*l2 + FV*l1 = 0
Siis
RB= [F/2 (l2 + l3) +F/2*l2 – FV*l1 ] / l = [7,848/2 *(0,09 + 0,23) + 7,848/2*0,09 – 3,9*0,095] / 0,41 ≈ 3 kN
ΣmB = 0
F/2*(l-l2-l3) + F/2*(l-l2) – RA*l + FV(l+l1)=0
Siis
RA= [ F/2*(l-l2-l3) + F/2*(l-l2)+ FV(l+l1) ] / l = [ 7,848/2 *(0,41-0,09-0,23) + + 7,848/2*(0,41-0,09) + 3,9*(0,41+0,095)] / 0,41 ≈ 8,7 kN
Ehitame painde- ja väändemomentide epüürid:
MA = - FV * l1 = - 3900 * 0,095 ≈ -370 Nm
MD = - FV*(l1+l2) + RA*l2 = -3900*(0,095+0,09)+ 8700 *0,09 ≈ 62 Nm
ME = RB*(l-l2-l3) = 3000*(0,41-0,09-0,23) ≈ 270 Nm
Ekvivalentne moment (IV tugevusteooria ) ohtlikus lõikes I-I
MekvIV = √-3702+ 0,75*748,42 ≈ 532 Nm
Ekvivalentpinge
σekvIV = MekvIV /W = 32MekvIV / 3,14*dt3 = 32,6 MPa
Võlli kontrollarvutus
Joonis 7: Pingekontsentraator
Pingekontsentraatoriks on võlli aste
Efektiivsed pingekontsentratsiooni tegurid Kσ ja Kτ saab tabelist 3 (Lisa 1) ja mastaabitegurid Kdσ ja Kdτ tabelist 4. Pinnatöötlustegus KF= 0,97...0,90. Empiirilised tegurid ψτ = 0,1 – legeeritud ja süsinikterastel ning ψσ = 0,25...0,3 – legeeritud ja ψσ = 0,2 – süsinikterasel.
Valime R = 1 mm
Siis
Kσ = 1,96; Kτ = 1,3; Kdσ = 0,83; Kdτ = 0,69; KF =0,95; ψτ = 0,1 ψσ = 0,2.
Varutegur paindele
kus amplituudpinge
32*370 / 3,14*0,0553 ≈ 22,7 MPa
ja keskmine σm = 0
Siis
≈ 4,9
Varutegur väändele
kus keskmine- ja amplituudpinge
16* 748,8 / 2*3,14*0,05533 ≈ 11,5 MPa
Siis
165 / [1,3/(0,95*0,69) *11,5+ 0,1*11,5] ≈ 7
Seega üldvarutegur
S = 4,9 * 7 / √ (4,92+72) ≈ 4
Pidades silmas võlli jäikustugevuse soovituslikku üldvarutegurit [S] = 2,5 … 3, loen antud varu rahuldavaks.
7.Laagri valik
Kasutame korpuses laagrit. Laagriks tuleb valida iseseaduv laager . Seega kasutame sfäärilise välisvõruga laagrisõlmi SY [8]
Tapi läbimõõt dt= 55 mm
Valime laagrisõlme SY 55 TF, mis koosneb laagrist
YAR 211-2F ja korpusest SY 511 M.
Joonis 9: Korpuses laager
Joonis 10: Laagrisõlm SY 55 TF
Laagritele mõjuv jõud: RA= 8,3 kN ja RB = 3 kN. Tööressursi arvutuse viime läbi suuremat koormust kasutades. Laagri pöörlemissagedus n = nT ≈ 10 min-1.
Kasutades SKF arvutusprogramme (juhend vt. Eraldi lisana) saame laagri tööressursiks L10h = 89600 töötundi. Minimaalne nõutav tööressurs peab olema L10h = 14000 töötundi.
8. Liistu arvutus
Joonis 11: Prismaliistuga liide
Liistu valin Tabelist 5, Lisa 1.
Võlli vaba otsa läbimõõt dv = 50 mm, siis b = 14 mm, h = 9 mm, t1 = 5,5 mm, t2 = 3,8 mm.
Rummu siseläbimõõt dr = 60 mm. Optimeerides võlli valimistehnoloogiat valin sama ristlõikega liistu nagu on võlli vabal otsal. Ehk siis b = 14 mm, h = 9 mm, t1 = 5,5 mm, t2 = 3,8 mm.
Rummu pikkus lr ≈ 90 mm. Liistu pikkus peab olema 8 … 10 mm lühem. Seega liistu 14x9 pikkuseks valin 80 mm (Tabel 5, Lisa 1).
Koormus trumlist võllile kantakse kahe liistu kaudu (igal rummul üks liist ).
Muljumispinge
2*748,8 / (2*0,06*[0,009-0,0055]*[0,08*0,014]) =
= 53 MPa Liistu lubatav muljumispinge [σ]C = 100 MPa terasrummu ja rahuliku koormuse korral.
Lõikepinge
2*748,8 / 2*0,06 * 0,014 * (0,08-0,014) ≈ 13 MPa 0,56*Rp0,2/S = 0,56*370 / 1,5 ≈ 138 MPa
Võlli vaba otsa pikkus lv ≈ 70 mm (võrdne ketiratta laiusega). Liistu 14x9 pikkuseks valime 63 mm (Tabel 5, Lisa 1)
Muljumispinge
2*748,8 / (0,05*[0,009-0,0055]*[0,63*0,014]) ≈
≈ 175 MPa > [σ]C ≈100 MPa
Kuna valitud liist ei rahulda tugevustingimust, valime kaks liistu ning paigaldame neid nurgal 180° (joonis 12)
Joonis 12: Liistude paigutus
Siis
2*748,8 / 2*0,05*(0,009-0,0055)*(0,063-0,014) ≈
≈ 87 MPa Tugevustingimus on rahuldatud.
Lõikepinge
2*748,8 / 2*0,05 * 0,014 * (0,063-0,014) ≈ 22 MPa 0,56*Rp0,2/S = 0,56*370 / 1,5 ≈ 138 MPa
9. Trumli arvutus
Trumli materjaliks on teras S235J2G3 EN 10025
Siis lubatav pinge on [σ] ≈120 MPa
Trossi mõõt d = 10 mm
Seinapaksus
7484 / (0,01*120*106) ≈ 0,0062 m
kus t – trossi keerdude vahekaugus , t ≈ d = 10 mm.
Valime δ = 7 mm ja b = δ .
Trumli läbimõõt D = 200 mm
Siis D1 = D - 2δ = 200- 2*7 = 186 mm.
Joonis 13: Trumli sisejõud
Arvutusskeemi valime lähtudes joonisest 7.
Reaktsioonijõud:
RD = RE = F/2 = 7484 / 2 = 3742 N
Maksimaalne paindemoment
M = RD l3/2 = 3742 * 0,23 / 2 ≈ 430 Nm
Survepinge
σS = Fmax / (δ * t) ≈ 107 MPa
Paindepinge
σM = M / W ≈ M / [0,1* ((D4-D14 )/D )] ≈ 3,1 MPa
Väändepinge
τ = T/ W0 ≈ [Fmax * D/2] / [0,1* ((D4-D14 )/D )] ≈ 1,85 MPa
Ekvivalentpinge
σekv = √(σS +σM )2 + 4* τ2 ≈ 110 MPa