Проектирование деталей машин

ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА

Методические указания по выполнению контрольных работ по дисциплине «Прикладная механика (ТММ и ДМ и ОК)» для студентов направления 131000.62 «Нефтегазовое дело» заочных форм обучения

Тюмень

ТюмГНГУ

2012

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители: к.т.н., профессор Кривохижа Василий Николаевич,

к.т.н., доцент Никитина Любовь Ивановна

© Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2012

Содержание

c.

I. Введение

Дисциплина «Прикладная механика (Теория механизмов и машин, Детали машин и основы конструирования)» входит в цикл дисциплин, призванных обеспечить общетехническую подготовку бакалавров, владеющих основами проектирования, изготовления и ремонта механизмов и машин независимо от отрасли промышленности и транспорта. Прикладная механика рассматривает общие методы и алгоритмы анализа, синтеза и проектирования деталей, механизмов и машин.

Дисциплина «Прикладная механика (ТММ, ДМ и ОК)» относится к профессиональному циклу дисциплин базовой части для студентов, обучающихся по направлению «Нефтегазовое дело».

В результате изучения дисциплины студенты должны

знать:

-теорию механизмов и машин;методы решения практических задач;

- основные критерии работоспособности и расчета деталей машин;

- принципы работы, области применения, технические характеристики типовых механизмов, узлов и деталей машин;

- системы и методы проектирования типовых деталей и узлов машин с применением средств вычислительной техники;

- основные типовые приемы обеспечения технологичности конструкций и применяемые материалы;

уметь:

- использовать методы статического, кинематического и динамического расчета механизмов и машин;

- проектировать типовые элементы машин, выполнять их оценку по критериям работоспособности;

- определять требования к качеству изделий, выбирать материалы для их изготовления;

- применять современные компьютерные технологии;

- использовать стандартные программные средства при проектировании;

- выполнять необходимые эксперименты и объективно интерпретировать результаты по проверке корректности и эффективности решений;

владеть:

- рациональными приемами поиска и использования научно технической информации;

- методами расчета и конструирования работоспособных деталей с учетом необходимых материалов, и механизмов по заданным входным или выходным характеристикам;

- методами определения оптимальных параметров деталей и механизмов;

- методами работы на ЭВМ при подготовке графической и текстовой документации;

- нормативами проектной деятельности с навыками составления рабочих проектов, отчетов.

Знания по дисциплине «Прикладная механика (ТММ, ДМ и ОК)» необходимы студентам данного направления для усвоения знаний по следующим дисциплинам: нефтегазопромысловое оборудование, насосы и компрессоры, грузоподъемные машины, основы технологии машиностроения, прочностная надежность нефтегазового оборудования, газотурбинные установки, насосные и компрессорные установки газонефтепроводов.

II. Программа учебной дисциплины с методическими указаниями по каждой теме

Введение

Прикладная механика (ТММ и ДМ и ОК) - научная основа анализа и синтеза современных машин. Примеры механизмов современных машин. Основные проблемы теории механизмов и машин и проектирования деталей машин. Значение курса для инженерного образования. Краткие сведения из истории развития теории машиностроения . Роль русских ученых в становлении этих наук.

Основные механизмы и детали машин

1.1. Основные понятия и определения. Машина, механизм, звено, деталь. Кинематические пары и их классификация. Кинематические цепи.

В этой теме вводится ряд понятий из классической теории механизмов и машин, которые следует запомнить.Механизм и, следовательно, машину собирают из отдельных деталей. Деталью называют изделие, изготовленное из монолитного материала без применения сборочных операций. Одна или несколько деталей, образующих жесткую систему тел, предназначенные для выполнения определенной функции в составе механизма, называют звеном.Звено может быть подвижным и неподвижным. Неподвижное звено называют стойкой.

Проектирование механизмов

2.1. Методы построения рычажных механизмов. Основы структурного и кинематического анализа рычажных механизмов.

Графические и аналитические методы синтеза плоских рычажных механизмов.

Число степеней свободы плоских механизмов W определяют по формуле Чебышева(1869 г.): W=3n-2p₅ –p₄, где n - количество подвижных звеньев; p₅-количество кинематических пар 5 класса (низших пар) и p₄-количество кинематических пар 4 класса (высших пар).

Любой механизм имеет одно или несколько ведущих звеньев,количество которых соответствует значению W.Ведущее звено, образующее со стойкой вращательную или поступательную кинематическую пару, относят к механизмам 1 класса.Более сложные механизмы можно получить, если последовательно присоединять к одному или нескольким ведущим звеньям и стойке так называемые структурные группы Ассура(1914) (кинематические цепи, которые получают нулевую подвижность после присоединения концевых пар к стойке). В состав этих групп входят только низшие кинематические пары. Структурные группы Ассура не изменяют числа степеней свободы механизмов. Их подразделяют на классы и порядки. Разложение кинематической цепи механизма на структурные группы называют структурным анализом. При структурном анализе определяют количество звеньев, количество и класс кинематических пар, число степеней свободы, класс и порядок структурных групп. По Артоболевскому И.И. класс и порядок механизма соответствует наивысшему классу и порядку входящих в него структурных групп.

Основные задачи кинематического анализа механизмов: определение положений звеньев и построение траекторий движения их точек; определение линейных скоростей точек и угловых скоростей звеньев; определение линейных ускорений точек и угловых ускорений звеньев.

Для любой позиции несложного плоского механизма надо уметь строить планы скоростей и ускорений.

Термин «синтез» означает проектирование, создание схем новых механизмов по заданным кинематическим и динамическим параметрам.

2.2. Зубчатые передачи, их классификация. Эвольвентное зацепление и его свойства. Основные параметры и характеристики зубчатого зацепления. Механизмы отказа зубчатых передач, расчетные схемы, предельные и допускаемые напряжения.

Врассматриваемой теме наибольшее внимание следует уделить расчетам и проектированию передач с эвольвентными зубчатыми колесами. Для профилирования таких колес применяется способ Эйлера (1707- 1783 гг.). Профили зубьев должны удовлетворять основной теореме зацепления: общая нормаль к профилям зацепления, проведенная в точке их касания, делит межцентровое расстояние на части, обратно пропорциональные угловым скоростям.

Проектирование деталей машин

3.1. Валы и оси. Основные типы валов, материалы. Расчеты на прочность и жесткость.

Валы предназначены для передачи вращательных моментов, оси - только для поддержания укрепленных на них деталей. Валы и оси рассчитываются на прочность, жесткость и колебания. Основными силовыми факторами, вызывающими кручение и изги6, являются крутящий Т и изгибающий М_и  моменты. Предварительную оценку диаметра вала производят только из расчета на кручение при пониженных допускаемых касательных напряжениях

,

где – вращающий (крутящий) момент, Н∙м ; = 15_…30 МПа.

Расчет вала на усталостную прочность считается основным. Расчет на статическую прочность – проверочным.

Коэффициент запаса прочности определяют по формуле:

где s_σ,s_τ - коэффициенты запаса прочности соответственно, по нормальным и касательным напряжениям, [s] ≥ 1,5 - допускаемый коэффициент запаса прочности.

Необходимо знать различие в расчетах валов и осей на прочность.

3.2. Подшипники. Основные типы подшипников качения и их характеристика. Подбор подшипников качения. Конструкция типовых опор. Общие сведения о подшипниках скольжения. Применяемые материалы. Смазочные материалы. Критерии работоспособности

Ознакомьтесь с классификацией и конструкцией, а также областями применения основных типов подшипников качения. Усвойте следующие вопросы: материалы деталей подшипников качения, смазка подшипников качения, основные правила конструирования подшипниковых узлов подшипников качения; их монтаж и регулировка; расчет подшипников на статическую и динамическую грузоподъемность и подбор их по ГОСТам

3.3. Соединение деталей. Резьбовые соединения. Основные виды крепежных резьбовых изделий. Расчет стыка для разных случаев приложения нагрузки.

Общие характеристики заклепочных, сварных, паянных и клеевых соединений.

Детали и узлы, составляющие машину, связаны между собой подвижно или неподвижно. Неподвижные связи называют соединениями,которыеделят наразъемные и неразъемные.

Кразъемным соединениям относят: резьбовые, штифтовые, клиновые, шпоночные, шлицевые и профильные.К неразъемным - заклепочные, сварные и соединения с натягом.

Основным критерием работоспособности и расчета соединений считается прочность.

При изучении резьбовых соединений следует обратить внимание следующие вопросы: резьбы и их разновидности, ГОСТы на резьбы, достоинства, недостатки и области применения отдельных видов резьб, Усвойте расчет болтов при действии на них статических и переменных нагрузок. Необходимо знать достоинства и недостатки неразъемных соединений и их расчет на прочность.

3.4. Виды соединений для передачи крутящего момента: шпоночные, зубчатые и клиновые. Расчет на прочность.

Типы муфт и их применение. Подбор муфт.

Для закрепления деталей (зубчатых колес, муфт, маховиков ит. д.) на осях и. валах применяют шпоночные, шлицевые и профильные соединения. Наиболее часто применяются шпоночные соединения с призматическими шпонками. Призматические шпонки работают на смятие и на срез; следовательно, условием прочности будут следующие две зависимости:

σ_см=4Т/(hI_pd)≤[σ_см];τ=2T/(bI_pd)≤[τ].

где σ_см, τ -соответственно напряжение смятия и касательное напряжение; [σ_см], [τ]- то же, допускаемые напряжения; Т - [крутящий момент; d- диаметр вала; 1 - рабочая длина шпонки; h - высота шпонки; b- ширина шпонки.

По принципу действия различают: постоянные, сцепные, самоуправляемые муфты. По характеру работы их делят на жесткие и упругие.

Необходимо хорошо знать области применения всех видов муфт.

Муфты подбирают по ГОСТу или нормалям по большему диаметру соединяемых валов и расчетному моменту. Типы муфт подбирают в зависимости от выполняемых функций. 0сновной паспортной характеристикой муфты является допускаемый крутящий момент [Т].

3.5. Технологичность, точность, надежность. Конструкционные материалы. Требования стандартизации отдельных элементов конструкции механизма. Взаимозаменяемость. Основные сведения о допусках и посадках. Понятие о критериях надежности и долговечности работы машин. Влияние трения в парах на надежность и долговечность машин. Ресурс работы механизмов и машин.

При изучении этой темы необходимо хорошо освоить технологические требования, критерии надежности и пути ее повышения, основные машиностроительные материалы и их свойства, стандартизацию деталей и ее значение, взаимозаменяемость и ее значение в современном машиностроении, основные сведения о допусках и посадках, влияние трения в парах на надежность и долговечность машин.

Динамика механизмов

4.1 Динамический анализ механизмов. Характеристика сил, действующих на звенья механизма. Условие кинетостатической определимости кинематических цепей. Определение реакций в кинематических парах методом планов сил.

Исследование движения механизма под действием активных сил, реакций связей и сил инерции называют динамическим анализом.Необходимо усвоить, какие силы могут быть приложены к механизму; уяснить физический смысл силы инерции и принцип Даламбера для составления условий равновесия сил; надо ознакомиться с векторным изображением реакций связи во вращательной, поступательной и высшей паре плоского механизма, уметь определять реакции связи методом планов сил без учета сил трения, а также момент уравновешивающей пары сил на ведущем звене.

4.2. Уравнения движения механизма в энергетической форме. Приведение масс и моментов инерции. Приведение сил и моментов в плоских механизмах. Подбор двигателя, решение уравнений движения. Понятие о КПД механизмов.

Следует научиться определять работу силы или работу момента силы, действующих на любом звене механизма; уметь находить приведенную силу, приведенный момент силы, приведенную массу, приведенный момент инерции; написать уравнение движения машины и уметь объяснить соотношение работы сил движущихся и сил сопротивления в трех периодах работы машины: при пуске, при установившемся движении и при остановке; понятие о механическом КПД.

4.3. Уравновешивание и виброзащита машин. Понятие о резонансе и критической скорости вращения валов. Статическое и динамическое уравновешивание вращающихся звеньев. Балансировка роторов. Статическое и динамическое уравновешивание плоских механизмов. Условия уравновешенности механизма. Виброзащитные системы.

При ускоренном движении звеньев механизма силовое воздействие машины на ее основание содержит динамические составляющие, которые изменяясь циклически приводят к вибрациям. Для устранения такого вредного воздействия или его уменьшения применяют уравновешивание механизмов.

Необходимо знать условия статической и динамической уравновешенности вращающихся звеньев; балансировку роторов, статическое и динамическое уравновешивание плоских механизмов; основные методы виброзащиты и виброзащитные системы.