Проект "Исследование прочности вала"

Министерство образования Саратовской области

  Государственное бюджетное образовательное учреждение

Саратовской области среднего профессионального образования

 «Балаковский политехнический техникум»

«Исследование прочности вала»

Дисциплины: Инженерная графика, компьютерная графика,

техническая механика, материаловедение

Выполнили  студенты 2 курса: Ерохин Кирилл,                                                                                                

                                            Кутателадзе Георгий

                         Руководители: Новикова Л.И., Рязаева О.Ю.

Балаково

2013

Содержание

Введение

Машиностроение – базовая отрасль экономики нашей страны.Она является основой развития промышленности и обеспечивает конкурентоспособность российского товаропроизводителя на мировом рынке. От масштабов научных исследований и создания на их основе инноваций зависит, в конечном счете, уровень и качество жизни, стабильный рост экономики нашей страны.

Технологическое оборудование, машины и аппараты – материальная база любого производства. Основными критериями их работоспособности являются прочность, жесткость и износостойкость. Машины и механизмы состоят из деталей, поэтому эти требования предъявляются, прежде всего,  к ним. В данном проекте рассматривается проблема прочности вала. Валы относятся к деталям общего назначения, так как применяются в большинстве машин и механизмов. Этим объясняется актуальность данной проблемы и необходимость ее решения инновационными методами на всех этапах: проектирование детали, эксплуатация, техническое обслуживание  и ремонт.

Проект «Исследование прочности вала» - интегрированный, так как основан на  применение знаний и умений общепрофессиональных дисциплин: инженерная графика, компьютерная графика, техническая механика и материаловедение.

В основной части работы представлен расчет промежуточного вала редуктора.Для сравнения приводится расчет сечения пустотелого вала и делается вывод о рациональности сечения. В экспериментальной части проекта представлены результаты сравнения прочностных качеств валов, выполненных из разных материалов и разного сечения.Для этого используются  разнообразные прикладные библиотеки  «КОМПАС».

В работе рассматриваются также современные методы упрочнения деталей, их  достоинства и недостатки.

В заключительной части работы делается вывод о значимости прочности деталей, о возможных путях решения поставленной проблемы, о полученном собственном опыте при работе над проектом.

1 Цели  и этапы проекта

Целью данной работы является:

- применение знаний и практических умений расчета и конструирования деталей машин;

- рассмотрение проблемы прочности на примере детали – вал;

- расчет диаметра промежуточного  вала редуктора на сочетание основных деформаций с применением гипотезы максимальных касательных напряжений,  подбор кольцевого  сечения вала и сравнение двух вариантов;

- исследование  вала принятого диаметра на прочность с применением инновационных технологий и анализ полученных результатов;

-  рассмотрение и анализ методов упрочнения материалов;

- расширение общего технического кругозора;

- приобретение навыков исследовательской работы  с применением информационных технологий.

В работе над проектом были определены следующие этапы:

Подготовка:
-  определение проблемы и вытекающих из нее целей и задач; 
-обсуждение методов исследования.

Планирование: 
-  определение источников информации; 
-  определение способов сбора и анализа информации; 
-  определение способа представления результатов; 
-  распределение задач (обязанностей) между членами команды.

Исследование:
-  практические расчеты; 
- сравнительный  эксперимент;

- сбор информации

Результаты и выводы:
-  анализ полученных данных; 
-  формулирование выводов.

Оценка результатов и процесса: 
-  оформление конечных результатов; 
-  подведение итогов, окончательные выводы.

2 Исследование прочности  вала

«Прочность твердых тел, в широком смысле – свойство

твердых тел сопротивляться разрушению (разделению

на части), а также необратимому изменению формы

                                             (пластическая деформация) под действием внешних

 нагрузок.  В узком смысле – сопротивление разрушению»

Большая советская энциклопедия

Основными критериями работоспособности машин являются прочность, жесткость и износостойкость. Прочность - это способность элементов конструкций или деталей машин выдерживать определенную нагрузку, не разрушаясь. Чтобы машина (механизм) отвечали условию прочности, т.е. были надежны в эксплуатации, ее детали должны иметь рациональную форму и размеры, для этого необходимо знать свойства материала, из которых они будут изготовлены.

Увеличение размеров детали не всегда приводит к повышению прочности, так как при этом повышается ее вес, а в случае движущихся деталей – возрастают силы инерции. При проектировании необходимо учитывать как технологические, так и экономические факторы, поскольку машины должны быть прочными и надежными в эксплуатации, и в то же время – легкими и дешевыми.

Технологическое оборудование, машины и аппараты – материальная основа любого производства. Машины состоят из деталей, поэтому эти требования предъявляются, прежде всего,  к ним.

 Валы -  детали общего назначения, применяются в большинстве машин и механизмов; тем самым объясняется актуальность проблемы обеспечения прочности и необходимость ее решения инновационными методами. Обеспечение прочности вала это задача, которая решается при проектировании детали, в процессе  эксплуатации, при техническом обслуживании  и ремонте технологического оборудования любой отрасли.

2.1 Назначение, классификация, материалы валов

 Валы - детали, предназначенные для передачи крутящего момента вдоль своей оси и для поддержания вращающихся деталей машин (зубчатые колеса,  шкивы, звездочки и т.п.). Вал воспринимает силы, действующие на детали, и передает их на опоры. При работе вал испытывает изгиб и кручение.

Классификация валов:

По назначению: валы передач, несущие детали передач: муфты, зубчатые колеса, шкивы, звездочки;коренные валы машин; другие специальные валы, несущие рабочие органы машин.

По конструкции и форме:прямые, коленчатые, гибкие.

    Прямые валы делятся на:  гладкие цилиндрические, ступенчатые, валы – шестерни, валы – червяки,  фланцевые,  карданные.

    По форме поперечного сечения: гладкие сплошного сечения,  пустотелые,  шлицевые.

Выбор материала  валов определяется критериями их работоспособности.
Для большинства валов применяют среднеуглеродистые и легированные стали 45, 40Х. Для высоконапряженных валов ответственных машин применяют легированные стали 40ХН, 40ХНГМА, 30ХГТ, 30ХГСА и др. Валы из этих сталей обычно подвергают упрочнению. Для изготовления фасонных валов - коленчатых - наряду со сталью применяют высокопрочные чугуны (с шаровидным графитом) и модифицированные чугуны.

2.2 Проектировочный расчет промежуточного вала редуктора

Расчет вала проводят по опасным поперечным сечениям. При пространственном нагружении вала пользуются гипотезой независимости действия сил, рассматривают деформацию кручения и изгиб в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а суммарный момент определяют геометрическим суммированием.

При определении поперечного сечения вала используют чаще всего гипотезу максимальных касательных напряжений:

 ,

где  σэкв - эквивалентное напряжение;

Условие прочности при совместном действии изгибаи кручения:

где МЭКВ — эквивалентный момент, Н;

 -допускаемое напряжение, МПа;

 - осевой момент сопротивления сечения, мм3 .

Для круглого сечения диаметром d,   определяется:

Эквивалентный момент по гипотезе максимальных касательных напряжений

Практическое задание:

Для промежуточного вала редуктора, передающего мощность Р=8 кВт,при угловой скорости ω=26 рад/с, определить вертикальную и горизонтальную составляющие реакций подшипников, построить эпюры крутящего момента и изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Определить диаметры вала по сечениям, приняв [σ] = 60 МПа и полагаяFr = 0,364Ft.d 1 =100 мм, d 2 =210 мм, а= 90 мм. Расчет произвести по гипотезе максимальных касательных напряжений.

Решение: 1) Определяем нагрузку, действующую на вал, и составляем расчётную схему (рисунок 1):

= из условия равновесия вала

==308.

= =>===6160 H,   =0,364∙=2242,2 H (рисунок 1)

Аналогично определяем:  ===2933,3 H, =0,364∙=1067, 7 H.

    Используя принцип независимости действия, сил  рассматриваем  деформации кручения, изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

2) Рассмотрим деформацию кручения вала от действия моментов  и ,

строим эпюру (рисунок 1)

3) Рассмотрим деформацию изгиба в вертикальной плоскости.  Реакции в подшипниках: Определяем Mх и строим эпюру изгибающих моментов в вертикальной плоскости (рисунок 1).

4) Рассмотрим деформацию изгиба в горизонтальной плоскости (для удобства совместим ее с вертикальной плоскостью, повернув ось Х на 900) . Реакции в подшипниках:  = 739,2 H,    = 4353,1 H. Определяем  и строим эпюру изгибающих моментов в горизонтальной плоскости  (рисунок 1).

Рисунок1 – Расчетная схема. Эпюры моментов.

5) Расчёт диаметра вала выполняется по наиболее нагруженному сечению. Определяем  под 1-м и 2-м колёсами (по гипотезе максимальных касательных напряжений):

Опасное сечение под первым колесом, где Мэкв=505,6 Н∙м

Определим диаметр вала:

Принимаем d = 45 мм (согласно стандартному ряду диаметров валов)

2.3 Проектировочный расчет вала кольцевого сечения, экономический эффект

Предлагаем подобрать для предыдущего случая размеры кольцевого сечения вала, удовлетворяющего условию прочности при коэффициенте

с=0,8, который определяется:     с = ,

где d – наружный диаметр, мм;

dвн– внутренний диаметр, мм.

.

Принимаем  d = 55 мм

Принимаем

Сравним затраты материала на вал сплошного круглого  сечения и кольцевого сечений по площади поперечных сечений в обоих случаях.

,

Вывод:  для данного вала длиной 0,36 м. при одинаковых прочностных характеристиках расход металла в случае кольцевого сечения почти в 1,5 раза меньше.

2.4 Исследование  вала принятого диаметра на прочность с применением инновационных технологий

Прочность вала обеспечивается не только формой и размерами сечения, но и  характеристиками материала, из которого он изготовлен. Проведем экспериментальные исследования прочности вала сплошного и кольцевого сечения из материала:Сталь 45 и Сталь 12ХНЗА с использованием интегрированной системы моделирования тел вращения (вала и зубчатого колеса) КОМПАС-SHAFT 2D.

Во время процесса создания модели четко следуем  рекомендациям библиотек, вводим параметры ступеней в соответствующих диалогах. Используя новое предложение Группы компаний АСКОН - Библиотека анимации для КОМПАС-3D,  задаем перемещение компонентов — движение через несколько последовательных пространственных положений при помощи создания «траекторий» — 3D-ломаных.В качестве параметров перемещения выступают направление (прямое или обратное), скорость (м/с, мм/с, км/ч, узел) или время перемещения вдоль траектории (с, мин, ч).

Также  задаем валу  вращательное движение вокруг оси. В этом случае параметрами являются направление вращения (по или против часовой стрелки), частота вращения (Гц, об./мин) или время вращения (с, мин, ч).

Эти возможности  применили для имитации движения данного механизма.

Эпюры, полученные в результате исследования моделируемых вариантов валов,  приводятся в Приложении А.

2.5 Анализ полученных результатов

Анализ полученных автоматизированным способом эпюр моделируемых вариантов позволяет сделать вывод, что прочность вала выбранного сплошного и кольцевого сечения обеспечивается при изготовлении его из материалов: Сталь 45, Сталь 12ХНЗА. Результаты сравнения полученных данных представлены в таблице Приложения Б.

Для полной объективности необходимо учитывать  условия эксплуатации данной детали, срок службы и др. причины.

Использование ИКТ значительно убыстряют процесс расчета и конструирования детали.

3 Методы упрочнения материала деталей

Упрочнение в технологии металлов – это повышение сопротивляемости материала заготовки или изделия разрушению или остаточной деформации.

Упрочнение материала заготовок и изделий достигается механическими, термическими, химическими и др. воздействиями, а также комбинированными способами (химико-термическими, термомеханическими и др.). Наиболее распространённый вид упрочняющей обработки – поверхностное пластическое деформирование– простой и эффективный способ повышения несущей способности и долговечности деталей машин и частей сооружений, в особенности работающих в условиях знакопеременных нагрузок (оси, валы, зубчатые колёса, подшипники, поршни, цилиндры, сварные конструкции, инструменты и т.п.

     Электротермическая закалка, с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ), имеет преимущества:

- большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;

- более высокие механические свойства;

- снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин;

- возможность автоматизации процесса;

- возможность замены легированных сталейболее дешевымиуглеродистыми;

Основной недостаток метода - высокая стоимость индукционных установок и индукторов.

 Газопламенная закалка применяется для закалки крупных изделий, имеющих сложную поверхность (косозубые шестерни, червяки), для закалки стальных и чугунных прокатных валков. Используется в массовом и индивидуальном производстве, а также при ремонтных работах.

Недостатки метода:

- невысокая производительность;

- сложность регулирования глубины закаленного слоя и температуры нагрева (возможность перегрева).

В машиностроении применяются и некоторые другие методы упрочнения материала деталей (старение, закалка холодом).

Силовые детали (в том числе и валы) обычно упрочняются поверхностным наклепом. Наиболее часто местному поверхностному упрочнению подвергаются зоны концентрации напряжений (отверстия, шлицы, резьбы, галтели, пазы); а также участки, недоступные при упрочнении в вибрационных, ударно-барабанных, дробеструйных и других подобных установках. Выбор метода упрочнения поверхности деталей также зависит от технологической схемы обработки. При этом необходимо проанализировать данные о химическом составе и физико-механических свойствах обрабатываемого материала, требования по точности и шероховатости, предъявляемые к детали, наличия и вида покрытия, необходимой степени поверхностного упрочнения. Поверхностное упрочнение выполняется в качестве заключительной операции.

На наш взгляд, задача инженеров и техников будущего - совершенствование существующих методов упрочнения деталей с целью оптимизации процессов, экономии материалов и энергии, повышения производительности труда, удовлетворения требований безопасности и экологичности.

Заключение

Одна из актуальных задач машиностроения – дальнейшее развитие, совершенствование и разработка новых технологических методов обработки заготовок деталей машин, применение новых конструкционных материалов и повышение качества обработки с целью обеспечения требований прочности, жесткости и износостойкости.Прогресс в расчетах и  конструировании  валов невозможен без применения инноваций   и ИКТ.

В данной работе: был выполнен проектировочный расчет вала по условию прочности сплошного и кольцевого сечения; дана оценка рациональности сечения; произведены исследования прочности валов разного сечения и из разных материалов автоматизированным способом; рассмотрены и проанализированы методы упрочнения деталей.

Работа над проектом заставила нас рассмотреть и проанализировать большое количество различной информации, погрузиться в исследовательскую деятельность, научиться планировать и организовывать этапы своей деятельности, подводить итоги и делать выводы. При этом мы пользовались электронной  библиотекойКОМПАС-SHAFT 2D, содержащей большое количество информационных таблиц со стандартизованными значениями вводимых величин, освоили программу и новое предложение Группы компаний АСКОН - Библиотека анимации для КОМПАС-3D. Практически убедились в преимуществах автоматизированного способа расчета и проектирования деталей. Полученный опыт, несомненно, будет востребован при изучении дисциплин профессиональных модулей, при курсовом и дипломном проектировании и в будущей профессиональной деятельности. Ибо нет предела совершенствованию!

Список используемых источников

1. Кудрявцев Е.М., Практикум по КОМПАС-3DV8: Машиностроительные библиотеки– М.: ДМК Пресс, 2007

2. Кидрук М.И., КОМПАС-3DV10 на 100%.- СПб.: Питер, 2009

3. Олофинская В.П. Техническая механика – М.: «ФОРУМ», 2007

4. Олофинская В.П. Детали машин – М.: «ФОРУМ», 2007

5. Схиртладзе А.Г. Технологические процессы в машиностроении: учебник . – 2-е издание, перераб. и доп. – Старый Оскол: ТНТ, 2008. – с. 289-298
6. Азбука КОМПАС-3DV12., ЗАО АСКОН

7. Азбука КОМПАС-3DV12 Машиностроительная конфигурация, ЗАО АСКОН

8. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / А.М.Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под ред. А.М.Дальского. – М.: Машиностроение, 2004

Интернет-ресурсы

1. http://www.infanata.com/science/technical/1146132099-lp-portaev-i-dr-texnicheskaya-mexanika-uchebnik-dlya-texnikumov.html
2. http://www.twirpx.com/files/machinery/termech/
3. http://www.booksiti.net.ru/books/2757400
4.  http://www.mexanik.ru/
5. http://www.mashin.ru/eshop/books/udivitelnaya_mehanika/
6. http://www.studarhiv.ru/
7. http://ascon.ru/
8. http://kompas.ru/

Приложение А

Эпюры исследования моделируемых вариантов валов с применением ИКТ

Приложение Б

Сравнение результатов исследования

Сравнение результатов эпюр, полученных автоматизированным способом для выбранных вариантов,  приводится в виде таблицы 1

Таблица 1 – Сравнение полученных данных автоматизированным способом

Приложение В

Презентация на бумажном носителе, слайды

Приложение Г

Электронный материал проекта. Диск.

Авторская работа «Видеоролик - Анимация промежуточного вала», выполнена в автоматизированной системе КОМПАС-3D используя библиотеку КОМПАС-SHAFT 2D.