Расчет электромеханического привода

Учебное пособие

Рекомендуется государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования – Общевойсковой академией Вооружённых Сил Российской Федерации в качестве учебного пособия для курсантов высших военных командных училищ (военных институтов), обучающихся по специальности «Электромеханика».

Регистрационный номер рецензии

№ от ГУК МО РФ

Казань - 2009

УДК 621.81: 62 - 83 (076.8)

Г 13

Г 13. Прикладная механика. Детали машин. Расчёт электромеханического привода. Учебное пособие. Казанское высшее военное командное училище (военный институт), 2009 - 225 с.

Учебное пособие соответствуют программе обучения курсантов по учебной дисциплине «Прикладная механика» и квалификационным требованиям к выпускникам училища по специальности «Применение подразделений артиллерии» и с гражданской специальностью «Электромеханика».

Изложены методика и примеры расчёта электромеханического привода с одноступенчатым цилиндрическим, коническим и червячным редукторами применительно к механизмам наведения приборов и артиллерийских систем, а так же справочные материалы, необходимые для расчёта и проектирования привода.

Учебное пособие предназначено для курсантов, обучающихся в высших военных командных училищах (военных институтах) и может быть полезным при выполнении ими курсового проекта, расчётно-графических и выпускных квалификационных работ, а также для преподавателей соответствующих кафедр.

Авторы: кандидат технических наук, доцент Здунов А.Н., доцент Козиков Ю.А., доктор технических наук, профессор Митряйкин В.И., кандидат технических наук, доцент Павлов О.Ю., доцент Саломыков А.И.

Общее редактирование учебного пособия доцентом Саломыковым А.И.

Рецензенты: Ректор Казанского государственного энергетического университета, заведующий кафедрой механики, доктор физико-математических наук, профессор Петрушенко Ю.Я.

Профессор кафедры конструкции, эксплуатации и проектирования артиллерийских орудий и боеприпасов КВВКУ, доктор технических наук, профессор Кочергин А.В.

Иллюстраций – 74, таблиц – 78 , библиографий – 4 (назв.).

ВВЕДЕНИЕ

Машиностроению принадлежит ведущая роль среди других отраслей народного хозяйства. На основе развития машиностроения осуществляется механизация и автоматизация производства техники и вооружения, в том числе ракетно-артиллерийской. Как учебная дисциплина, прикладная механика, является общепрофессиональной дисциплиной, которая обеспечивает инженерную подготовку военного специалиста широкого профиля, способного рассчитывать, проектировать и конструировать детали, узлы и механизмы общего назначения применительно к артиллерийскому вооружению, технически грамотно эксплуатировать ракетно-артиллерийское вооружение и технику; дает знания, вырабатывает умения и навыки, необходимые для последующего изучения военно-профессиональных дисциплин, для самостоятельного освоения новой военной техники.

Предметом изучения учебной дисциплины являются основы расчета и проектирования механизмов, сборочных единиц (узлов) и деталей общего назначения механических систем, применяемых в вооружении и военной технике (артиллерийской, ракетной, танковой, авиационной и др.).

Завершающим этапом изучения прикладной механики является выполнение обучаемыми курсового проекта по проектированию электромеханического (ручного) привода механизмов наведения артиллерийского орудия или боевой машины РСЗО.

Курсовой проект имеет целью научить курсантов самостоятельно применять полученные знания для комплексного решения конкретных практических задач. Привить навыки проектирования, производства расчетов, самостоятельного проведения научных исследований и обоснования принимаемых решений.

Для выполнения курсового проекта курсанту выдается задание, в котором указывается тема проекта, целевая установка, исходные данные, основные вопросы, подлежащее разработке и рекомендуемая литература.

По исходным данным следует произвести общий расчёт привода, расчёт и конструктивную разработку одноступенчатого редуктора с цилиндрической прямозубой (косозубой), конической или червячной передачей, сделать проверочные расчеты, выбрать подшипники, муфту, дать эксплуатационную оценку спроектированного привода, выполнить сборочный чертёж редуктора, рабочий чертёж детали, кинематическую схему электропривода, оформить пояснительную записку.

Во введении необходимо раскрыть тему проекта на примерах машин общего назначения и механизмов штатной техники и определить целевое назначение данного курсового проекта.

В заключении формулируются основные результаты проектировочного расчета и конструктивной разработки спроектированного привода и рекомендации по его применению в конструкциях артиллерийского вооружения.

1 ОБЩИЙ РАСЧЕТ ПРИВОДА

Общий расчет электромеханического привода (ЭМП) включает: выбор кинематической схемы и её анализ, выбор и обоснование исходных данных, выбор электродвигателя, кинематический и силовой расчеты.

1.1 Кинематическая схема и ее анализ. Исходные данные

Кинематическая схема привода выбирается в зависимости от назначения, условий эксплуатации, источника энергии, общей компоновки установки с приводом.

В соответствии с заданием на курсовое проектирование предусмотрен проект электромеханического привода с одноступенчатым редуктором применительно к приборам и механизмам наведения САУ, БМ РСЗО.

Рекомендуемые кинематические схемы привода представлены на рисунках 1.1, 1.2, 1.3, 1.4.

Исходными данными для расчета подобных ЭМП, как правило, являются: мощность на выходном валу Р_вых; частота вращения выходного вала n_вых; характер нагрузки и ресурс работы в часах t.

Рис.1.1 Кинематическая схема электромеханического привода с

одноступенчатым цилиндрическим прямозубым редуктором

Рис. 1.2 Кинематическая схема электромеханического привода с

одноступенчатым цилиндрическим косозубым редуктором

Рис. 1.3 Кинематическая схема электромеханического привода

с одноступенчатым коническим редуктором

Рис.1.4 Кинематическая схема электромеханического привода

с червячным редуктором

Привод включает (рис. 1.1, рис. 1.2, рис. 1.3, рис. 1.4) электродвигатель М и соответствующий редуктор закрытого типа, которые соединены муфтой Х1. Входной вал В1 и выходной вал В2 вращаются в подшипниках качения (две пары). Выходной вал муфтой Х2 соединяется с исполнительным механизмом А (рабочим органом), в качестве которого могут быть, например, подъемный или поворотный механизм артиллерийского орудия (БМ РСЗО), барабан лебедки крана и т.п.

Поскольку электромеханический привод (ЭМП) является составной частью САУ или БМ РСЗ0 и планируется к эксплуатации в полевых условиях, которые характеризуются температурным диапазоном от –50° до +50° С, повышенной, свыше 80% влажностью, наличием пыли и грязи, высокой ремонтопригодностью, то эти условия определяют, что ЭМП должен включать как надежные стандартные, широко распространенные составные узлы и детали, так и специальные, иметь корпус закрытого типа.

1.2 Выбор электродвигателя

Наибольшее применение в приводах общего назначения находят электродвигатели переменного тока, асинхронные, закрытые, обдуваемые, различного исполнения (ГОСТ 19523-74) с синхронной частотой вращения ротора 3000, 1500, 1000 и 750 мин^-1 (об/мин) различной мощности, характеристики которых приведены в таблицах 9, 10 [Р. 10].

Так как базовым источником электроэнергии приводов механизмов наведения САУ и БМ РСЗО является генератор (или АКБ) постоянного тока напряжением не выше 27 В, то выбираемый электродвигатель должен быть постоянного тока, а полевые условия эксплуатации накладывают дополнительные ограничения – он должен быть закрытого типа с принудительной вентиляцией, а наличие требований к переменной и реверсивной нагрузке обуславливает также применение электродвигателя со смешанным возбуждением.

Характеристики рекомендуемых электродвигателей приведены в таблицах 11, 12, 13 [Р. 10].

Установка ЭМП на подвижном основании (базовой части автомобиля, станины артиллерийского орудия) подразумевает наличие угловых и линейных несоосностей осей соединяемых вала электродвигателя и входного вала редуктора, что, в свою очередь, предусматривает соединение их с помощью компенсирующих муфт.

Выбор электродвигателя производится по требуемой мощности на выходном валу электродвигателя Р_э.тр. и по требуемой частоте вращения вала электродвигателя n_э.тр, которая зависит от частоты вращения выходного вала редуктора n_вых и схемы привода, определяющей передаточное отношение ί.

При выборе электродвигателя следует иметь ввиду, что при примерно одинаковых размерах, массе и стоимости электродвигателей с уменьшением n_э, уменьшаются передаточное число привода u и размеры передач.

Для редукторов передаточное отношение численно равно передаточному числу, т.е. ί = u.

Требуемую мощность электродвигателя определяют по формуле

Р_э.тр. = Р_вых / η , (1.1)

где η – КПД передачи, ориентировочные значения которых с учетом потерь в подшипниках находятся по таблице 14 [Р. 10].

Требуемую частоту вращения вала электродвигателя определяют по формуле

n_э.тр = n_вых u, (1.2)

где u – передаточное число передачи, определяемое по таблице 14 [Р. 10].

Учитывая условия выбора:

Р_э ≥ Р_э.тр и n_{э.тр min} ≤ n_э.тр ≤ n_{э.тр max}, по таблицам 11, 12, 13 [Р. 10] выбирается тип электродвигателя и его характеристики.

1.3 Кинематический расчет привода

Кинематический расчет привода включает:

определение передаточного числа привода (редуктора);

расчет угловых скоростей и частоты вращения валов.

Передаточное число привода определяют по формуле

u = n_э/n_вых. (1.3)

Частота вращения валов В1 и В2:

n₁ = n_э ; n₂ = n_э/u = n_вых. (1.4)

Угловые скорости вращения валов:

ω₁ = ; ω₂ = . (1.5)

1.4 Силовой расчет привода

Силовой расчет привода заключается в определении вращающих моментов на валах по формулам:

на выходном валу Т_вых = Т₂ = Р₂/ω₂, где Р₂ = Р_вых; (1.6)

на входном валу Т₁ = Т₂/(u· η).

Примеры общего расчета привода

Пример 1. Общий расчет электромеханического привода с одноступенчатым цилиндрическим прямозубым и косозубым редуктором (рис. 1.1, 1.2)

В качестве примера рассмотрим общий расчет электромеханического привода с одноступенчатым цилиндрическим прямозубым (косозубым) редуктором (рис.1.1, 1.2) для исполнительного механизма штатной техники с исходными данными:

мощность на выходном валу редуктора Р_вых = 1,8 кВт;

частота вращения выходного вала n_вых = 150 об/мин;

нагрузка спокойная, переменная, реверсивная; ресурс работы t не менее 30000 часов.

Выбор электродвигателя:

требуемую мощность электродвигателя определяем по формуле

Р_э.тр. = Р_вых / η ,

где η – КПД цилиндрической передачи, ориентировочные значения которого с учетом потерь в подшипниках качения находится в пределах η = 0,96…0,98 (таблица 14 [Р. 10]). С учётом этого

Р_э.тр = 1,8/(0,96…0,98) = (1,87…1,84) кВт.

Требуемую частоту вращения вала электродвигателя определяем по формуле

n_э.тр = n_вых u,

где u = 2,0…6,3 – передаточное число цилиндрической передачи (таблица 14 [Р. 10]).

Тогда n_этр. = 150 (2,0…6,3) = (300…945) об/мин.

Учитывая условия выбора электродвигателя:

Р_э ≥ Р_э.тр и n_{э.тр min} ≤ n_э.тр ≤ n_{э.тр max}, по таблице 11 [Р. 10] выбираем электродвигатель 2ПН132 LУХЛ4 с мощностью Р_э = 1,9 кВт и частотой вращения n_э = 750об/мин. Электродвигатель постоянного тока серии 2ПН общепромышленного применения, напряжением 27 В, закрытого типа с принудительной вентиляцией, 4-х полюсный, высота оси вала от опорной поверхности лапок двигателя 132 мм, для умерено – холодного климата.

Диаметр вала электродвигателя d_э = 38 мм (таблица 9 [Р. 10]).

Кинематический расчет привода:

передаточное число привода:

u = n_эд/n_вых.; u = 750 / 150 = 5;

частота вращения валов В1 и В2:

n₁ = n_э ; n₁ = 750 об/мин;

n₂ = n_э/u = n_вых; n₂ =750/5= 150 об/мин;

угловые скорости вращения валов:

ω₁ = ; ω₁ = (3,14·750) / 30 = 78,5 рад/с;

ω₂ = ; ω₂ = (3,14· 150) / 30 = 15,7 рад/с.

Силовой расчет привода:

вращающий момент на выходном валу

Т₂ = Р₂/ω₂; Т₂ = (1,8·10³) / 15,7 = 114,6 Н·м.

вращающий момент на входном валу определяем по формуле

Т₁ = Т₂/(u· η); Т₁ = 114,6 / (5 (0,96…0,98)) = (23,9…23,4) Н·м.

Принимаем Т₁ = 23,9 Н·м.

Результаты общего расчета привода приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Результаты общего расчета привода с одноступенчатым цилиндрическим прямозубым (косозубым) редуктором

Наименование параметров и размерность	Обозна- чение	Величина
с прямо- зубым редуктором	с косозу- бым редуктором
Мощность электродвигателя, кВт Требуемая мощность электродвигателя, кВт	Рэ Рэ.тр = Рвх	1,9 1,87	1,9 1,87
КПД привода	η	0,96	0,96
Передаточное отношение (число) привода (редуктора)	u
Частоты вращения валов, мин-1 (об/мин): вала электродвигателя (входного вала) выходного вала редуктора	nэ = n1 n2 = nвых
Угловые скорости вращения валов, рад/с: вала электродвигателя (входного вала) выходного вала редуктора	ω1 ω2	78,5 15,7	78,5 15,7
Вращающие моменты на валах, Н·м: на входном валу на выходном валу	Т1 Т2	23,9 114,6	23,9 114,6
Диаметр вала электродвигателя, мм	dэ
Ресурс работы, час	t

Пример 2.Общий расчет электромеханического привода с

одноступенчатым коническим прямозубым редуктором (рис.1.3)

Рассмотрим расчет электромеханического привода с одноступенчатым коническим прямозубым редукторомдля исполнительного механизма штатной техники с исходными данными:

мощность на выходном валу Р_вых = 4 кВт;

частота вращения выходного вала n_вых = 400 об/мин;

нагрузка спокойная, переменная, реверсивная; ресурс работы t не менее 30000 часов.

Выбор электродвигателя:

требуемую мощность электродвигателя определяем по формуле

Р_э.тр. = ,

где η – КПД конической передачи, ориентировочные значения которого с учетом потерь в подшипниках качения находится в пределах η = 0,95…0,97 (таблица 14 [Р. 10]). С учётом этого

Р_э.тр. = кВт;

требуемую частоту вращения вала электродвигателя определяем по формуле

n_э.тр = n_вых u,

где u = 1…4 – передаточное число конической передачи (таблица 14 [Р. 10]). Тогда

n_э.тр. = n_вых· u = 400 · (1…4) = (400…1600) об/мин.

Учитывая условия выбора электродвигателя:

Р_э ≥ Р_э.три n_э.тр.min ≤ n_э ≤ n_{э.тр.mах}по таблице 11[Р. 10] выбираем электродвигатель марки 2ПФ132ГУХЛ4 мощностью Р_э = 4,2 кВти номинальной частотой вращения n_э = 950 об/мин. Электродвигатель постоянного тока серии 2П общепромышленного применения, 4-полюсный, напряжением 27 В, закрытого типа с принудительной вентиляцией, независимым охлаждением, для умеренного и холодного климата. Высота вала от опорной поверхности лапок двигателя 132 мм. По этому параметру изтаблицы 9[Р. 10] находим диаметр вала электродвигателя d_э = 38 мм.

Кинематический расчет привода:

передаточное число привода:

u = ; u = ;

частота вращения валов В1 и В2:

n₁ = n_э ; n₁ = 950 об/мин;

n₂ = n_э/u = n_вых; n₂ =950/2,38= 400 об/мин;

угловые скорости вращения валов:

ω₁ = рад/с;

ω₂ = рад/с.

Силовой расчет привода:

вращающий момент на выходном валу:

Т₂ = Р₂/ω₂ = Р_вых/ω₂; Т₂ = Н·м;

вращающий момент на входном валу:

Т₁ = Т₂/(u· η); Т₁ = Н·м.

Для дальнейших расчётов выбираем наибольшее значение

Т₁ = 42,26 Н·м.

Результаты общего расчета привода приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Результаты общего расчета привода с одноступенчатым

коническим прямозубым редуктором

Наименование параметров и размерность	Обозначение	Величина
Мощность электродвигателя, кВт	Рэ	4,2
Требуемая мощность электродвигателя, кВт	Рэ.тр = Рвх	4,0
КПД привода	η	0,95…0,97
Передаточное отношение (число) привода (редуктора)	u	2,38
Частоты вращения валов, мин-1(об/мин): вала электродвигателя (входного вала) выходного вала редуктора	nэ = n1 n2 = nвых
Угловые скорости вращения валов, рад/с: вала электродвигателя (входного вала) выходного вала редуктора	ω1 ω2	99,4 41,9
Вращающие моменты на валах, Н·м: на входном валу на выходном валу	Т1 Т2	42,26 95,5
Диаметр вала электродвигателя, мм	dэ
Ресурс работы, час	t

Пример 3. Общий расчет электромеханического привода с

одноступенчатым червячным редуктором (рис. 1.4)

В качестве примера рассмотрим общий расчет электромеханического привода с одноступенчатым червячным редуктором для исполнительного механизма штатной техники с исходными данными:

мощность на выходном валу редуктора Р_вых = 2,5 кВт;

частота вращения выходного вала n_вых = 25 об/мин;

ресурс работы – 30000 часов.

Выбор электродвигателя:

требуемую мощность электродвигателя определяем по формуле

Р_э.тр. = Р_вых / η,

где η – КПД червячной передачи, ориентировочные значения которого с учетом потерь в подшипниках качения находится в пределах η = 0,7…0,92 (таблица 14 [Р. 10]). С учётом этого

Р_{вых. тр} = 2,5/(0,7…0,92) = (3,57…2,72) кВт;

требуемую частоту вращения вала электродвигателя определяем по формуле

n_э.тр = n_вых u,

где u = 8…80 – передаточное число червячной передачи (таблица 14 [Р. 10]).

Получаем, n_эл.тр = 25 (8…80) = (200…2000) об/мин.

Учитывая условия выбора электродвигателя

Р_эл.тр ≥ 3,57 кВт, а 200 об/мин ≤ n_эл.тр ≤ 2000 об/мин. по таблице 11 [Р. 10] выбираем электродвигатель серии 2ПН160YXЛ4, мощностью Р_эл. = 4 кВт, номинальной частотой вращения n_э = 750 об/мин. Электродвигатель постоянного тока серии 2ПН общепромышленного применения, напряжением 27 В, закрытого типа с принудительной вентиляцией, 4-х полюсный, высота оси вала от опорной поверхности лапок двигателя 160 мм, для умеренного и холодного климата, диаметр вала электродвигателя d_э = 42 мм (таблица 9 [Р. 10]).

Кинематический расчет привода:

передаточное число привода:

u = n_э/n_вых., u = 750/25 = 30;

частота вращения валов В1 и В2:

n₁ = n_э ; n₁ = 750 об/мин;

n₂ = n_э/u = n_вых; n₂ =750/30= 25 об/мин;

угловые скорости вращения валов:

ω₁ = , ω₁ = (3,14·750) / 30 = 78,5 рад/с;

ω₂ = , ω₂ = (3,14· 25) / 30 = 2,62 рад/с.

Так как общее передаточное число u_общ = 30 находится в рекомендованном интервале передаточных чисел (в соответствии с табл.14 [Р. 10] для одноступенчатых передач), то предложенный к разработке редуктор можно выполнить с однозаходным червяком z₁ = 1.

Силовой расчет привода:

вращающий момент на выходном валу:

Т₂ = Р₂/ω₂ = Р_вых/ω₂; Т₂ = 2,5·10³/2,62 = 954,2 Н·м;

вращающий момент на входном валу:

Т₁ = Т₂/(u· η); Т₁ = 954,2/30(0,7…0,92) = (45,44…34,57) Н·м.

Для дальнейших расчетов принимаем большее значение момента на входном валу, т.е. Т₁ = 45,44 Н·м.

Результаты общего расчета привода приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3