Конструирование экспериментальной лабораторной установки для растяжения образца и измерения растягивающего усилия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ  РОССИЙСКОЙ   ФЕДЕРАЦИИ

 

Федеральное Государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ  УНИВЕРСИТЕТ “ГОРНЫЙ”

199106, Санкт-Петербург, 21-я  линия, д.2,

 

Кафедра «ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

 

 

 

                                                            Защищена с оценкой _____________

Проф.  (__________ )

«___»____________ 2012 г.

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине:

Детали приборов и основы конструирования

 

Тема:

Конструирование экспериментальной  лабораторной установки для растяжения образца и измерения растягивающего усилия

 

 

Курсовую работу выполнил студент:

     ________   (дата)

Форма обучения:

Курс:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт – Петербург

2012 г.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Назначение основных деталей механизма (функциональная модель) 4

2. Физическая модель деталей механизма 5

3. Математическая модель 10

3.1. Математическая модель рукоятки 10

3.1.1. Работа с математической моделью рукоятки 10

3.1.2. Проверочный расчет по условию прочности на изгиб 12

3.2. Математическая модель винта 12

3.2.1. Работа с математической моделью винта 12

3.3. Математическая модель гайки 19

3.3.1. Работа с математической моделью гайки. 19

3.4. Математическая модель пружины 21

3.4.1. Работа с математической моделью пружины 21

3.5. Математическая модель червячной передачи 23

3.5.1. Работа с математической моделью червячной передачи 23

3.6. Расчет подшипников 30

3.7. Расчет рычага 31

4. Средства отображения информации. Отсчётные устройства 34

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 36

ЛИТЕРАТУРА 37

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

К качеству продукции и  экологическим условиям ее производства предъявляются все более высокие  требования. Приборы и экспериментальные  установки используются для получения  объективной информации о критериях  оптимизации конструкторских работ и технологических процессов, о связи конструктивных и технологических параметров с параметрами состояния изделий.

Экспериментальная установка  представляет собой устройство, предназначенное  для получения наиболее полной информации об исследуемом явлении или процессе на основе адекватного их воспроизведения  в условиях максимально удобного за ними наблюдения и возможности  оперативного управления.

В основе работы приборов и  экспериментальных установок лежит  процесс измерения. Этот процесс  характеризуется, с одной стороны, восприятием измеряемой физической величины, а с другой – присвоением  ей определенного числового значения.

Экспериментальные установки  можно разделить по ряду признаков:

• по методам измерения;
• по принципу измерения;
• по назначению;
• по точности передачи информации;
• по характеру применения.

Требования, предъявляемые  к отдельным механизмам приборов, тесно связаны с назначением  всего прибора. Основные требования:

• точность выполнения заданных функций;
• высокая надежность механизма;
• технологичность механизма;
• экономичность изготовления, содержания и эксплуатации;
• эстетичность.

 

1. Назначение основных деталей  механизма (функциональная модель)

1. Рукоятка. Рукоятка предназначена для преобразования усилия рук рабочего в крутящий момент, воздействующий на винт, преодолевающий моменты сил сопротивления вращению. Представляется рычагом цилиндрической формы.
2. Винт. Винт предназначен для создания длительного осевого сжимающего усилия посредством преобразования вращательного движения в поступательное и подведенного момента благодаря взаимодействию с гайкой по винтовой поверхности. Представляется в виде сложной детали цилиндрической формы с винтовой поверхностью.
3. Гайка. Гайка предназначена для выполнения функции передачи вращения винту. Усилие, сжимающее винт, через гайку передается на чувствительный элемент, то есть пружину. Представляется втулкой с внутренней резьбой на сквозном отверстии, наружной цилиндрической поверхностью.
4. Пружина. Пружина служит чувствительным элементом, который воспринимает усилие от сжатия винта.
5. Червячный механизм. Червячный механизм служит для существенного увеличения крутящего момента. Ведущим звеном является червяк. Червячная передача без смазки и вибрации обладает эффективностью самоторможения и является необратимой.
6. Рычаг. Рычаг служит для передачи усилия от винта на исследуемый образец и увеличения этого усилия.

 

2. Физическая  модель деталей механизма

Причинами выхода из строя  данного механизма являются поломка  или износ вышеперечисленных  деталей, а также неправильное соединение их между собой.

1. Рукоятка. Критериями работоспособности рукоятки являются способность преобразовывать заданную силу рабочего в необходимый для вращения винта момент, которая определяется условием равновесия, и изгибная прочность.

Рис. 1. Эскиз рукоятки и  модель ее нагружения.

2. Винт. В передаче винт-гайка должно предотвращаться:

• износ винта;
• разрушение винта по опасным сечениям или витков резьбы;
• отсутствие необходимого самоторможения винта (может возникнуть при большом угле профиля резьбы);
• потеря устойчивости при максимально выдвинутом положении.

Рис. 2. Схема нагружения витков резьбы винта.

3. Гайка. В передаче винт-гайка должно предотвращаться:

• разрушение гайки по опасным сечениям корпуса гайки, витков резьбы;
• проскальзывание гайки в корпусе, что не является критичным, но ведет к неудобствам в эксплуатации механизма, а также может снизить сопротивление гайки разрушению.

Рис. 3. Схема нагружения гайки.

4. Пружина. Расчет пружин сводится к расчету на касательные напряжения и сравнение этих напряжений с допустимыми.

Рис. 4. Основные геометрические параметры витой цилиндрической пружины.

5. Червячный механизм. Расчет червячных передач сводится к расчету на контактные напряжения и напряжения изгиба зубьев червячного колеса.

Рис. 5. Схема нагружения червячной передачи.

6. Рычаг. Критериями работоспособности рычага является способность передавать усилие от винта на испытываемый образец, при этом испытывая изгиб.

Рис. 6. Схема нагружения рычага.

Рис. 7. Общая схема установки

 

3. Математическая  модель

Исходные данные:

максимальное усилие 250 кН;

режим работы – часто;

тип резьбы – трапецеидальная;

материал винта – Сталь 50;

материал гайки – БрОФ10-1.

1. Математическая модель рукоятки

Математическая модель, обуславливающая  работоспособность рукоятки, состоит  из:

• условия прочности на изгиб ;
• условия равновесия .

1. Работа с математической моделью рукоятки

Проектировочный расчет рукоятки заключается в определении ее расчетной длины.

Расчетная длина рукоятки определяется из условия:

 

 

Момент Т_р определяется, как момент, необходимый для предварительного сжатия пружины перед работой установки.

В зависимости от частоты  и длительности работы установки  сила воздействия на рукоятку F_p принимается по следующим соображениям:

F_p=120…200 H – при длительном и частом режиме работы;

F_p=250…300 H – при кратковременном режиме работы;

m=1 или 2 – количество рабочих.

Желательно, чтобы L_p была не более 1200 мм.

Принимаем m=1.

Общая длина рукоятки:

В итоге:

 

 

Примем T_p=60 Н·м.

 

 

Критерием работоспособности  рукоятки в данном механизме является статическая прочность при изгибе.

Условие прочности:

 

где σ_и – напряжение при изгибе, МПа;

[σ_и] – допускаемое напряжение при изгибе, МПа.

 

где σ_т – предел текучести, МПа;

[s] – запас прочности. Выбирается из соотношения [s]=1,5…1,8.

Материал рукоятки – Сталь  Ст3, следовательно, σ_т =230 МПа.

Напряжения при изгибе определим по формуле:

 

Выразим диаметр ручки:

 

Полученное значение диаметра ручки округляем до стандартного значения из ряда предпочтительных чисел  по ГОСТ 6636-69. Таким образом, принимаем  d_p=25мм.

2. Проверочный расчет по условию прочности на изгиб

 

 – условие прочности  выполняется.

2. Математическая  модель винта

Интенсивность изнашивания  зависит от нагрузки на единицу площади, материала, температуры, наличия смазки, шероховатости поверхности, скорости скольжения.

Для того чтобы деталь была износостойкой, необходимо, чтобы интенсивность  износа была не очень высокой, что  гарантирует ее длительную работу.

Условие износостойкости  в упрощенном виде:

1. Работа с математической моделью винта

1. Проектировочный расчет

Проектировочный расчет винта  включает в себя определение стандартных  параметров заданной резьбы (диаметров  и шага) с учетом критериев работоспособности, а именно износостойкости винтовой пары

 

где p – удельное давление в витках резьбы, МПа;

[p] – допускаемое удельное давление в витках резьбы, МПа.

Допускаемое удельное давление в витках резьбы [p] для пары незакаленная сталь – бронза оловянная определяется из диапазона [p]=8…10 МПа.

Примем [p]=10 МПа.

Рядом параметров резьбы можно  пренебречь, учитывая, что они лишь повышают работоспособность. Например, пренебрегаем углом профиля резьбы (полагая, что α=0, т.е. имея прямоугольную  резьбу), а также полагаем, что  нагрузка на сопряженные витки резьбы распределяется равномерно.

Тогда удельное давление можно  определить в общем виде из следующего выражения:

 

где F_n – нормальная сила, действующая в витках резьбы, Н;

A_n – площадь соприкосновения витков резьбы винта (гайки), мм2;

F – осевая нагрузка на винтовую пару (усилие, которое передается от рычага непосредственно винту и пружине), Н;

A – площадь проекции одного витка резьбы на плоскость, перпендикулярную к оси винта, мм²;

z – количество витков.

 

где d₂ – средний диаметр резьбы, мм;

h – высота профиля резьбы, мм.

 

Введем в формулу удельного  давления вспомогательные коэффициенты γ₁ и γ₂:

 

где γ₁ – коэффициент рабочей высоты профиля резьбы;

γ₂ – коэффициент высоты гайки.

 

где P – шаг резьбы, мм.

Для трапецеидальной резьбы γ₁=0,5.

 

где H_г – высота гайки.

 

 

Коэффициент высоты гайки  выбирается из диапазона 1,6…2,5.

Примем γ₂ = 2,0.

Тогда средний диаметр  резьбы:

 

 

В соответствии с полученным значением выбираем по ГОСТ 24738-81 и ГОСТ 9484-81 стандартные параметры заданной резьбы:

d₂=60 мм, d=65 мм, d₃=54 мм, Р=8.

Исходя из полученных данных, получаем:

 

 

 

Проверим найденное значение по условию износостойкости:

 

Следовательно, износостойкость  винтовой пары обеспечена.

2. Проверочный расчет

Проверочный расчет винта  включает в себя оценку работоспособности  винта по критерию статической прочности:

 

где s – расчетный (действительный) коэффициент запаса (статической прочности);

[s] – допускаемый (нормативный) коэффициент запаса.

Допускаемый коэффициент  запаса [s] для стального винта выбирается из диапазона [s]=2,5…3,0.

Примем [s]=2,8.