IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Гидроомуфта ГП 480, предназначена для передачи крутящего момента от электродвигателя к редуктору в приводах различных механизмов, обеспечения ограничения передаваемого крутящего момента, улучшения пусковых и тяговых характеристик привода. Включением гидромуфты в состав привода достигается улучшение его статических и динамических характеристик, что способствует повышению эксплуатационной надежности машин.Гидромуфты применяются в угледобывающей промышленности, в скребковых конвейерах, транспортерах и дробильных установках.

Создание первых гидродинамических передач связано с развитием в конце XIX века судостроения. В то время в морском флоте стали применять быстроходные паровые турбины,что вызвало необходимость понижения оборотов вала до скорости вращения гребного винта в пределах 200—300 об/мин или ниже — на крупногабаритных судах, т.к. наиболее высокий КПД гребных винтов проявляется именно в этих пределах.Кроме этого высокие обороты вызывают кавитацию на лопастях и большие нагрузки. Это потребовало применения дополнительных механизмов. Поскольку технологии в то время не позволяли изготавливать высокооборотистые шестерённые передачи, то потребовалось создание принципиально новых передач. Первым таким устройством с относительно высоким КПД явился изобретённый немецким профессором Г. Фётингером гидравлический трансформатор (патент 1902 года), представлявший собой объединённые в одном корпусе насос, турбину и неподвижный реактор. Однако первая применённая на практике конструкция гидродинамической передачи была создана в 1908 году, и имела КПД около 83%. Позднее гидродинамические передачи нашли применение в автомобилях. Они повышали плавность трогания с места. В 1930 году Гарольд Синклер (англ. HaroldSinclair), работая в компании Даймлер, разработал для автобусов трансмиссию, включающую гидромуфту и планетарную передачу. В 1930-х годах производились первые дизельные локомотивы, использовавшие гидромуфты.

В СССР первая гидравлическая муфта была создана в 1929 году.

Цель курсового проекта: Проектирование турбомуфты, исследование её напряженно- деформированного состояния для обеспечения прочности изделия.

1Турбомуфты постоянного наполнения

Турбомуфта (гидромуфта) - это гидродинамическая муфта, работа которой основана на принципе Г.Феттингера. Основными элементами ее конструкции являются два лопастных колеса - насосное и турбинное, а также внешний корпус. Колеса установлены одно напротив другого. Передача усилия осуществляется с минимальным износом, механический контакт между передающими мощность деталями отсутствует.

В муфте находится постоянное количество рабочей жидкости, как правило, минерального масла. Турбомуфты с водой в качестве рабочей жидкости поставляются по запросу. Крутящий момент от приводного двигателя через связанное с ним насосное колесо создает энергию потока в рабочей жидкости. В турбинном колесе эта энергия потока снова превращается в механическую энергию. В функционировании муфты имеются три состояния:

-Состояние покоя

Вся рабочая жидкость находится неподвижно в муфте.

-Трогание с места

С увеличением числа оборотов двигателя насосное колесо ускоряет рабочую жидкость так, что в рабочем пространстве создаётся циркулирующий поток.При этом соответствующий круговой поток омывает турбинное колесо и приводит его в движение. Изменение крутящего момента зависит от характеристики муфты, которая быть изменена с помощью установки соответствующих дополнительных камер (камера замедления, кольцевая камера).

-Номинальный режим

По причине небольшой разницы числа оборотов насосного и турбинного колеса (так называемое номинальное скольжение) в муфте устанавливается постоянный циркулирующий поток. Передается только крутящий момент, требующийся для рабочей машины.

Выбор размера турбомуфты:

Существенными факторами для выбора муфты являются мощность и частота вращения приводного двигателя. Взяв за основу номинальную мощность и частоту вращения привода, можно выбрать соответствующий размер муфты по диаграмме мощности, приведенной ниже. Выбранная в соответствующем диапазоне мощности муфта приспосабливается для конкретного привода посредством изменения объема заполнения маслом. Различные случаи применения требуют разных пусковых характеристик (кривых) муфты. Существенными критериями при этом являются момент инерции, ограничение крутящего момента и частота пусков устройства.

Диаграмма 1. Выбор турбомуфт по номинальной мощности

Пример:Номинальная мощность привода: 55 кВт. Частота вращения привода: 1500 мин.^-1. Размер муфты: 422

2 Основы теории и принцип действия гидромуфт (турбомуфт)

Создание первых гидродинамических муфт относится к началу 20-го столетия.

Первым изобретателем этой простой гидропередачи был инженер Г.Фëттингер,предложивший при реализации равенства моментов на насосе и турбине для передачи энергии с высоким КПД отказаться от использования реактора в им же изобретенном турботрансформаторе. Таким образом, в итоге появился второй тип гидродинамической передачи – турбомуфта, состоящая из двух, соосно расположенных друг напротив друга, лопастных колес, одно из которых соединено с вращающейся крышкой.

Уникальные изобретения Г.Фëттингера фактически базируются на фундаментальной теории движения жидкости. В частности расчет теоретического значения крутящего момента гидромуфты связан стурбинным уравнением Эйлера.

Согласно этому уравнению напор H, развиваемый насосным колесом центробежного типа, равен:

H=ω₁ /g ∙ (r₁U₁ ─r₂U₂), ω₁= (π∙ n₁)/30 , где:

ω1, n1 -соответственно угловая скорость и частота вращения насосного колеса

r1, r2 - соответственно наибольший и наименьший радиус циркуляционного потока,

U1, U2 – соответственно линейная скорость на выходе и входе колеса,

g ─ ускорение силы тяжести.

Момент турбомуфты определяется из формулы

Мг= N / ω1= 1 / ω1∙( Q∙ ρ∙ g ∙ H )…..(1) , где :

N ─ мощность,

Q ─ расход жидкости в каналах колес турбомуфты,

ρ─ плотность жидкости.

Подставив в уравнение (1) значение напора, получим формулу для теоретического значения момента турбомуфты:

Мг=Q∙ρ(r1U1─ r2U2)

Уравнение момента относится в равной мере как к насосному колесу (насосу), так и к турбинному колесу (турбине), т.е.

Мн (М1) = ─ Мт (М2).

КПД турбомуфты η определяется как отношение η = М2∙n2 / М1∙ n1.

Т.к. М2 = М1, то η = n2 / n1= i.

Это значит, что КПД равен передаточному отношению. Как правило, в виду имеется КПД при номинальном моменте турбомуфты.

Принимая во внимание связь турбинного уравнения Эйлера с основами теории гидродинамических передач, становится понятным появление термина турбомуфта, которую позднее чаще стали

именовать как гидромуфта или более правильно гидродинамическая

муфта.

Момент гидромуфты Мг подчиняется также зависимости, отражающей закон подобия лопастных машин

Мг = λм·ρ·(n1/ 60)2·Da5 (2), где:

λ.м - безразмерный коэффициент момента, являющийся параметром

гидромуфты данного типа при заданных значениях

ρ и i (i- передаточное отношение гидромуфты,

i = n2 / n1, n2 - частота вращения турбинного колеса (турбины),

Da - активный диаметр колес, равный их наибольшему диаметру по

лопаткам.

Из уравнения (2) следует, что момент гидромуфты пропорционален плотности жидкости, квадрату частоты вращения насоса и пятой степени активного диаметра.

Отставание скорости турбины от скорости насоса называется скольжением, которое определяется выражением

S=(n1 ─ n2) / n1∙100 % (в процентах), а S = 1- i. Номинальное скольжение Sн =1─ iн, так же, как и iн соответствует номинальному моменту гидромуфты.

2.1 Принцип действия и особенности устройства основных типов гидромуфт(турбомуфт) постоянного заполнения

Для уяснения принципа действия турбомуфты рассмотрим гидродинамическую передачу (рис.1), состоящую из центробежного насоса и радиально-осевой турбины. Вал насоса соединен с валом приводного двигателя (электрического или дизельного), а вал турбины с входным валом трансмиссии машины. Работа такого привода основана на использовании кинетической энергии жидкости или иными словами за счет ее динамического (скоростного) напора в процессе взаимодействия с лопатками турбины. Насос связан с турбиной соответствующим трубопроводом. Всасывая жидкость из бака, насос подает ее через трубопровод в турбину. При этом в насосе механическая энергия двигателя преобразуется в кинетическую энергию жидкости, скоростной поток которой попадает с ударом и некоторым торможением на вход лопаток турбины. Дальнейшее торможение жидкости в турбине происходит при ее протекании к оси вращения по лопаткам, которые нагружаются силами Кориолиса, в связи с тем, что частицы жидкости участвуют в двух движениях: с одной стороны во вращении вместе с колесом, а с другой стороны движутся по его лопаткам. Таким образом, совместное действие сил удара струй жидкости в лопатки турбины при входе потока в это колесо и сил Кориолиса, воздействующих на лопатки при протекании потока в каналах, вызывает вращение вала указанного колеса. Это значит, что подведенная к турбине кинетическая энергия потока преобразуется в ней в механическую энергию, необходимую для совершения работы машиной.

В центре рис.1 схематично изображена собственно турбомуфта, содержащая те же насос, турбину и соединенную с насосом крышку. В такой конструкции уже нет бака и трубопроводов, а сами насос и турбина имеют минимальный осевой зазор, что позволили существенно увеличить КПД передачи.

Рисунок. 1 Гидродинамическая передача турбомуфты

2.2 Предохранительная гидромуфта

На рис.2a и рис.2b показана предохранительная турбомуфта (гидромуфта). Насос 1 (внутреннее лопаточное колесо на рис 2.a) гидромуфты соединяется с валом приводного двигателя, а вал турбины 2(внешнее лопаточное колесо на рис.2a), как и положено, с входным валом рабочей машины. Оба колеса, имеющие небольшой зазор по торцам лопаток, вращаются на одной геометрической оси. Крышка 3 (рис.2a) совместно с турбиной 2 образуют замкнутый объем, в который заливается масло или иные рабочие жидкости (РЖ). Оба рабочих колеса снабжены плоскими радиальными лопатками, а собственно полость межлопаточных каналов колес образует рабочую полость, в которой при взаимодействии колес формируется крутящий момент, передаваемый посредством жидкости от ведущего колеса (насоса) к ведомому колесу (турбине). Передача энергии в гидромуфте реализуется без контакта и износа ее силовых рабочих элементов.

Рисунок.2a

Рисунок. 2b

Между валом насоса 1 и турбиной 2 с одной стороны и крышкой 3 с другой размещены подшипники. В данном конкретном примере гидромуфта устанавливается на вал двигателя (стандартная монтажная схема). Гидромуфта помимо стандартной монтажной схемы может иметь и обратную ей, а именно реверсивную монтажную схему (см. рис.3), при которой гидромуфта устанавливается на вал редуктора.

Рисунок. 3

«Черные» стрелки относятся к силовому потоку в реверсивной монтажной схеме, «белые» к силовому потоку в стандартной монтажной схеме.

При включении двигателя насос 1 разгоняется очень быстро. Напор насоса и его вращающий момент пропорциональны квадрату частоты вращения. Поток, ускоряясь в насосе, ударяет на его выходе в лопатки турбины (на входе в нее), а далее проходит в сторону оси вращения турбины, отдавая этому колесу энергию, вновь всасывается насосом на его входе. Жидкость в насосе «заряжается» следующей порцией кинетической энергии. Процесс многократно повторяется, поскольку кинетическая энергия в турбине вновь преобразуется в механическую энергию вращения. Этот процесс протекает непрерывно. Жидкость движется в каналах обоих колес гидромуфты по замкнутому кругу, который и называется кругом циркуляции.

Поскольку гидромуфта является механизмом без внешней опоры, то вращающий момент М₂ турбины равен моменту М₁ насоса.

Тем не менее, передача энергии от насоса к турбине и наоборот происходит с некоторыми потерями, величина которых зависит в большой степени от режима работы привода. В рабочей зоне установившегося режима КПД гидромуфты составляет 96-98%. Это значит, что потери энергии, превращающейся в тепло, составляют соответственно 2-4%. Особенностью гидромуфты является то, что передача энергии в ней возможна лишь при скорости вращения турбины, меньшей скорости вращения насоса. При равных скоростях колес циркуляция потока жидкости в гидромуфте прекращается, поскольку крутящий момент не формируется. Как только на валу турбины появляется хотя бы небольшое сопротивление (нагрузка), циркуляция потока жидкости возобновляется, скорость турбины замедляется, а на ее валу появляется вращающий момент, равный внешнему моменту сопротивления.

Увеличение скольжения является всегда результатом увеличения нагрузки. Если скольжение гидромуфты равно 100% (S=100%), то это значит, что под воздействием возросшей нагрузки вал турбины вместе с рабочим органом машины остановился. В этом случае если момент сопротивления не превышает максимального момента двигателя, то насосное колесо продолжает вращаться практически с прежней скоростью, в то время как турбина остается неподвижной. В таком режиме вся подводимая энергия переходит в тепло.=М₁, то η =n₂ / n₁= i , а номинальное скольжение Sн =1─ iн.

КПД гидромуфты (η) определяется как отношение η =М₂∙n₂ / М₁∙n₁. Т.к. М₂

Нужно иметь в виду, что понятия КПД и iн относятся как правило к номинальным значениям частот вращения и момента гидромуфты. Для любых же значений момента и частот вращения всегда справедливо равенство S =1─ i.

Сприменением гидромуфт в различных машинах и оборудовании привод приобретает вполне определенные полезные свойства, степень проявления которых определяется правильно выбранным типом гидромуфты и ее соответствием режимам работы машины.

3. Предохранительные свойства и автоматичность срабатывания

3.1 Плавность пуска машин

Предохранительные гидромуфты позволяет плавно страгивать машину и разгружать двигатель при его пуске. Обусловлено это тем, что момент гидромуфты, как указано выше, при возрастании скорости двигателя постепенно увеличивается с нуля по закону квадратичной параболы.

Гидромуфты предохранительного типа обеспечивают надежную и стабильную защиту от недопустимых перегрузок двигателя, механической передачи и машины в целом. Предельное значение крутящего момента гидромуфты определяется лишь количеством жидкости в ее полости. Гидромуфты этого типа широко применяются в приводах машин, работа которых сопряжена с частыми перегрузками. Гидромуфты защищают машины также и в режимах разгона при повышенных пусковых нагрузках и большом моменте инерции быстровращающихся роторов.

В гидромуфте (рис.2) физический механизм защиты от перегрузки состоит в том, что с ростом момента сопротивления на валу турбины 2 уменьшается и ее скорость вплоть до полной остановки. Поток жидкости, находящийся в каналах этого колеса опускается в центральную дополнительную камеру и заполняет ее. Насос 1 в этом режиме отсасывает из этой камеры определенное количество жидкости, но в тот же самый момент времени в нее из турбины 2 (под избыточным напором насоса 1) подается ровно такое же количество жидкости. Таким образом, наступает динамическое равновесие в потоке, при котором постоянно часть жидкости аккумулируется в центральной камере, а уменьшенное количество жидкости, циркулирует в каналах колес, что приводит к необходимому снижению крутящего момента. Аналогичная картина имеет место при пуске, но процесс протекает в обратном порядке.

Предохранительная гидромуфта обладает высоким быстродействием при экстренных и пиковых нагрузках за доли секунды снижает крутящий момент до значения, соответствующего моменту при скольжении 100%. При снятии с машины нерегламентированной нагрузки гидромуфта автоматически переходит в рабочий режим с минимальным скольжением.

Для ряда машин по условиям эксплуатации требуется особо высокая плавность пуска, для чего необходимо снижение пускового вращающего момента до значений 1,2 ÷ 1,4 от номинальной величины. Исключительно важно это, например, для пуска ленточных конвейеров большой длины, в которых используется резинотканевая или синтетическая лента. При выполнении указанного снижения пускового момента исключаются опасные динамические колебания в ленте и ее пробуксовка по тяговым барабанам. Для этой цели созданы гидромуфты пуско-предохранительного типа.

На рис.4 показана гидромуфта пуско-предохранительного типа с дополнительной камерой

. «Transfluid», исполнение ССKR

Рисунок. 4

Гидромуфта отличается от обычной предохранительной гидромуфты тем, что к ее крышке присоединена камера.

3.2 Совместные характеристики гидромуфты и короткозамкнутого электродвигателя

Взаимосвязь характеристик

На рис. 5 и 6 показана взаимосвязь характеристик электродвигателя и гидромуфты.

Рисунок. 5

Рисунок. 6

На рисунке 5 представлены две кривые запуска привода с гидромуфтой и кривая моментной характеристики электродвигателя. Затененная область между кривой момента двигателя и кривой момента гидромуфты при ее скольжении, равном 100%, показывает, какой движущий момент может быть использован для старта и ускорения ротора двигателя.

Ротор двигателя ускоряется примерно за 1÷2 секунды, что соответствует изменении крутящего момента от точки А до точки В. Это свидетельствует о возможности быстрого запуска двигателя и постепенного плавного разгона рабочей машины, в приводе которой установлена гидромуфта. Двигатель в рабочих режимах используется оптимально, что видно в части участка кривой крутящего момента между точкой В (100%) и точкой С(скольжение гидромуфты равно 2% - 5%). Точка С – типичная рабочая точка для условий нормальной эксплуатации.

Из рассмотрения кривых (рисунок 6) тока короткозамкнутого электродвигателя при использовании гидромуфты и при ее отсутствии в приводе следует, что система привода без гидромуфты с прямым запуском двигателя имеет серьезные недостатки:

• потребляемый электрический ток при запуске в 6÷7 раз больше номинального, что вызывает повышение температуры двигателя, перегрузку электрических линий в случае частых запусков, повышение стоимости эксплуатации.

• излишняя занятость персонала, обслуживающего привод, в связи с необходимостью устранения вышеуказанных недостатков.

4 ВВЕДЕНИЕ В ANSYS

4.1 Основное назначение ANSYS

ANSYS – программное обеспечение, позволяющее решать следующие задачи:

1. Построение модели конструкции (геометрия, реологические свойства, краевые условия) или импорт их из CAD¹ систем.

2. Изучение реакции конструкции на различные физические воздействия, такие, как воздействие различных нагрузок, температурных и электромагнитных полей, решение задач механики жидкости и газа.

3. Оптимизация геометрии конструкции.

4.2 Как организована программа ANSYS

Для удобства пользования ANSYS имеет графический интерфейс пользователя (ГИП)³, предоставляющий быстрый доступ к различным функциям, командам, а также к обширной HELP – системе.

Работа программы ANSYS организована в два уровня:

• начальный уровень (Beginlevel);

• процессорный уровень.

Работа программы ANSYS начинается с начального уровня (Beginlevel). На этом уровне доступны команды работы с файлами (сохранение, удаление, переименование и т.д.).

На процессорном уровне доступны несколько процессоров. Каждый процессор предоставляет доступ к различным функциям и командам. Список наиболее часто используемых процессоров и задач, с помощью них решаемых, приведен в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Процессор		Функция	Путь в ГИП	Команда
PREP7		Построение геометрической модели объекта, задание реологических свойств и краевых условий.	MainMenu> Preprocessor	/PREP7
SOLUTION		Задание краевых условий, выбор решателя, спецификация решателя, решение.	MainMenu> Solution	/SOLUTION
POST1		Обзор результатов решения для стационарного случая или по шагам нагрузки или времени. Средства вывода в файл. Графическая визуализация. Анимация.	MainMenu> GeneralPostproc	/POST1
POST26	Обзор результатов решения в виде графиков результат – шаг нагрузки или результат – время.		MainMenu> TimeHistPostpro	/POST26

Работать с программой ANSYS можно с помощью как графического интерфейса пользователя (ГИП) – интерактивный режим, так и с помощью команд – командный режим.

4.3. Командный режим в ANSYS

Каждое действие, производимое с помощью ГИП, можно выполнить с помощью команды, вводя ее в окно меню ANSYS Input. Все эти команды отражаются в LOG-файле. ANSYS содержит около 1000 команд, используемых для различных целей. С помощью этих команд можно запрограммировать необходимые для анализа действия. Исполнить программу можно по пути в меню UtilityMenu>File>ReadInputfrom.

Для написания программы в ANSYS используются следующие правила:

1. В каждой строке должен быть один оператор.

2. Допускается применение в одной строке нескольких операторов, при этом их необходимо разделять знаком $. (Хотя это делать не рекомендуется из-за плохой читаемости программы.)

3. Максимальное число знаков в строке, включая пробелы и разделители $, не должно превышать 130.

4. В ANSYS отсутствует типизация переменных, в связи с этим не требуется описание типов переменных. Все переменные, организуемые пользователем, воспринимаются как действительные.

5. Специфицированные в ANSYS переменные распознаются автоматически. Так, например, если при задании целой переменной (например, число слоев в пакете пластин и др.) задать действительное число, то программа округлит это число до ближайшего целого. Для таких переменных пределы используемых чисел: 0-9999999. Если будет задано не числовое значение, то возникнет ошибка. Если не будет задано ничего, то ANSYS присвоит значение 0.

6. Для задания действительных чисел используется десятичная точка. Для чисел в экспоненциальной форме можно применять формы записи с E и D. Например, число 25000 может быть записано в форме 25E3 или 25D3.

7. Допустимые пределы изменения переменной: от ±10^-60 до ±10⁶⁰.

8. Для имен переменных используются латинские буквы, при этом в именах не допускаются символы: ! @ # $ % & ^ * ( ) _ - + = | { } [ ] “ ‘ / ~

9. Комментарии в командной строке записываются, используя !.

4.4. Определение единиц измерения

Поскольку в расчетах по умолчанию используется британская система мер, то для перехода к системе единиц СИ необходимо задать команду /UNITS. Данная команда недоступна из ГИП и должна непосредственно вводиться в командное окно: /UNITS, SI. Стоит отметить, что во многих задачах это делать не обязательно.

4.5. Метод конечных элементов (МКЭ)

Возникновение МКЭ связано с решением задач космических исследований (1950 г.). Этот метод возник из строительной механики и теории упругости, а уже потом был осмыслен математиками, которые часто называли данный метод вариационно-разностным, подчеркивая тем самым его математическую природу. Они занимаются математическим обоснованием МКЭ, т.е. проводят теоретический анализ его сходимости и точности результатов. Представители же инженерного направления решают довольно сложные технические задачи, часто не задумываясь над строгим обоснованием применяемых ими приемов, а построенные алгоритмы и программы проверяют на известных точных решениях.

Существенный толчок в своем развитии МКЭ получил после того, как было доказано (1963 г.), что этот метод можно рассматривать как один из вариантов известного в строительной механике метода Рэлея – Ритца, который путем минимизации потенциальной энергии позволяет свести задачу к системе линейных уравнений равновесия.

Связь МКЭ с процедурой минимизации позволила широко использовать его при решении задач в других областях техники. Метод применялся к задачам, описываемым уравнениями Лапласа или Пуассона (например, электромагнитные поля). Решение этих уравнений также связано с минимизацией некоторого функционала. Известны решения с помощью этого метода задач распространения тепла, задач гидромеханики и, в частности задач о течении жидкости в пористой среде.

Область применения МКЭ существенно расширилась, когда было показано (1968 г.) что уравнения, определяющие элементы в задачах строительной механики, распространения тепла, гидромеханики, могут быть легко получены с помощью таких вариантов метода взвешенных невязок, как метод Галеркина или способ наименьших квадратов. Установление этого факта в теоретическом обосновании МКЭ, т.к. позволяло применять его при решении многих типов дифференциальных уравнений. Таким образом, МКЭ из численной процедуры решения задач строительной механики превратился в общий метод численного решения дифференциальных уравнений или систем дифференциальных уравнений.

Краткая сущность МКЭ. Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что любую непрерывную величину (перемещение, температура, давление и т.п.) можно аппроксимировать моделью, состоящей из отдельных элементов (участков). На каждом из этих элементов исследуемая непрерывная величина аппроксимируется кусочно-непрерывной функцией, которая строится на значениях исследуемой непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемого элемента.

В общем случае непрерывная величина заранее неизвестна, и нежно определить значения этой величины в некоторых внутренних точках области. Дискретную модель, однако, очень легко построить, если сначала предположить, что известны значения этой величины в некоторых внутренних точках области (в дальнейшем эти точки мы назовем «узлами»). После этого можно перейти к общему случаю.

Чаще всего при построении дискретной модели непрерывной величины поступают следующим образом:

1. Область определения непрерывной величины разбивается на конечное подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности аппроксимируют форму области.

2. В рассматриваемой области фиксируется конечное число точек. Эти точки называются узловыми точками или просто узлами.

3. Значение непрерывной величины в каждой узловой точке первоначально считается известным, однако необходимо помнить, что эти значения в действительности еще предстоит определить путем наложения на них дополнительных ограничений в зависимости от физической сущности задачи.

4. Используя значения исследуемой непрерывной величины в узловых точках и ту или иную аппроксимирующую функцию, определяют значения исследуемой величины внутри области.

В сплошной среде число связи точки бесконечно, и именно это составляет основную трудность получения численных решений в теории упругости. Понятие «конечных элементов» представляет собой попытку преодолеть эту трудность путем разбиения сплошного тела на отдельные элементы, взаимодействующие между собой только в узловых точках, в которых вводится фиктивные силы, эквивалентным поверхностным напряжениям, распределенным по границам элементов. Если такая идеализация допустима, то задача сводится к обычной задаче строительной механики, которая может быть решена численно.

5 Проектирование и расчет турбомуфты

5.1 Блок команд

//NOPR !переход к объемной задаче

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,1

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

KEYW,PR_ELMAG,0

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,0

KEYW,PR_MULTI,0

KEYW,PR_CFD,0

/GO

/prep7!

/UNITS,SI!расчетывси

ET,1,solid92

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,1,,200000

MPDATA,PRXY,1,,0.3

! построение кожуха

K,0,0,0,0,

K,1,0,0,-0.06,

K,2,0,0.06,-0.06,

K,3,0,0.06,0,

K,4,0,0.2,0,

K,5,0,0.30,0.1,

K,6,0,0.2,0.1,

K,7,0,0.06,0.1,

K,8,0,0,0.1,

K,13,0,0.06,0.005,

K,14,0,0.2,0.005,

K,15,0,0.30-0.005,0.1,

!K,23,0,0.06-0.005,0.003,

!K,24,0,0.2,0.003,

!K,25,0,0.30-0.002,0.1,

!K,27,0,0.06-0.005,0.1,

LSTR, 1, 2

LSTR, 2, 3

LSTR, 3, 4

LSTR, 14, 13

LSTR, 13, 7

LSTR, 7, 8

LSTR, 8, 1

LSTR, 5, 15

!LSTR, 24, 23

larc,4,5,6,0.1 ! рисованиедуг

larc,14,15,6,0.1-0.005

!larc,24,25,6,0.1-0.002

al, 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 ! созданиеплощади

vrotat,1,,,,,,1,8,360, ! создание объёма вращением

cylind,0.05,,-0.06,0.1 создание вала

FLST,2,4,6,ORDE,2

FITEM,2,1

FITEM,2,-4

VSBV,P51X, 5 ! вырезаниевала

! рисование плоскостей для лопаток колеса

i=0

*do,ival,0,360,45 ! циклпоival

iv=ival*3.14/180 ! перевести в радианы

r1=0.298

r2=0.2

r3=0.06-0.005

! построение лопатки Расчет и построение координат

! точек лопатки при выполнении цикла (изменения положения

! координат для последующих лопаток)

K,124+i*10,r2*cos(iv),r2*sin(iv),0.003,

K,123+i*10,r3*cos(iv),r3*sin(iv),0.003,

K,125+i*10,r1*cos(iv),r1*sin(iv),0.1,

K,127+i*10,r3*cos(iv),r3*sin(iv),0.1,

K,106+i*10,x+r2*cos(iv),r2*sin(iv),0.1,

! построение дугообразных линий лопаток

larc,125+i*10,124+i*10,106+i*10,0.1

! построение площадей лопаток через точки (здесь линии

! кромекриволинейныхненужны)

a,123+i*10,127+i*10,106+i*10,125+i*10,124+i*10,123+i*10

i=i+1 !циклпо i

*enddo

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,1

VEXT,P51X, , ,0,0.005,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,2

VEXT,P51X, , ,-0.0035,0.0035,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,10

VEXT,P51X, , ,-0.005,,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,11

VEXT,P51X, , ,-0.0035,-0.0035,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,12

VEXT,P51X, , ,,-0.005,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,20

VEXT,P51X, , ,0.0035,-0.0035,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,21

VEXT,P51X, , ,0.005,,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,22

VEXT,P51X, , ,0.0035,0.0035,0,,,,

FLST,2,4,6,ORDE,2

FITEM,2,6

FITEM,2,-9

FLST,3,8,6,ORDE,4

FITEM,3,1

FITEM,3,-5

FITEM,3,10

FITEM,3,-12

VSBV,P51X,P51X

! Снова вставить лопатки (рисование плоскостей для

! лопаток колеса)повторяет текст рисование...

i=0

*do,ival,0,360,45 ! циклпоival

iv=ival*3.14/180 ! перевести в радианы

r1=0.298

r2=0.2

r3=0.06-0.005

! построение лопатки расчет и построение координат

! точек лопатки при выполнении цикла (изменения положения

! координат для последующих лопаток)

K,124+i*10,r2*cos(iv),r2*sin(iv),0.003,

K,123+i*10,r3*cos(iv),r3*sin(iv),0.003,

K,125+i*10,r1*cos(iv),r1*sin(iv),0.1,

K,127+i*10,r3*cos(iv),r3*sin(iv),0.1,

K,106+i*10,x+r2*cos(iv),r2*sin(iv),0.1,

! построение дугообразных линий лопаток

larc,125+i*10,124+i*10,106+i*10,0.1

! построение площадей лопаток через точки (здесь линии

! кромекриволинейныхненужны)

a,123+i*10,127+i*10,106+i*10,125+i*10,124+i*10,123+i*10

i=i+1 !циклпо i

*enddo

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,6

VEXT,P51X, , ,-0.005,,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,7

VEXT,P51X, , ,-0.0035,-0.0035,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,8

VEXT,P51X, , ,,-0.005,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,9

VEXT,P51X, , ,0.0035,-0.0035,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,10

VEXT,P51X, , ,0.005,,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,11

VEXT,P51X, , ,0.0035,0.0035,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,30

VEXT,P51X, , ,,0.0035,0,,,,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,2

VEXT,P51X, , ,-0.0035,0.0035,0,,,,

Vadd,all ! правая часть не склеивается, поэтому

!применил команду соединения объемов, недостаток в том,

! что сетку строим общую и не возьмешь для лопаток другой

! материал

vmesh,all

FINISH

/SOL

EQSLV,PCG,1E-8 ! максимальная точность объёмного решения

FLST,2,2,5,ORDE,2

FITEM,2,47

FITEM,2,56

!*

/GO

DA,P51X,ALL, ! закрепили по двум внутренним поверхностям

! отверстия

FLST,2,8,5,ORDE,8

FITEM,2,173

FITEM,2,-174

FITEM,2,176

FITEM,2,179

FITEM,2,181

FITEM,2,-182

FITEM,2,184

FITEM,2,-185

/GO

!*

SFA,P51X,1,PRES,20000 ! давление против часовой стрелки по

!соответствующим поверхностям

!визуально одна лопатка (справа горизонтальная) прогнулась

!больше, может поэтому не склеивалось, что материалы по торцу

! не едины

5.2 Проектирование модели в ANSYS

3

2

1

 

Рисунок 7.Турбомуфта

1-Корпус турбомуфты, 2-лопатка, 3-цилиндр корпуса турбомуфты.

Рисунок 8. Создание области

Рисунок 9. Применяем команду поворота

Рисунок 10. Вид по оси Х и У

Рисунок 11. Построение цилиндра

Рисунок 12. Вырезаем цилиндр

Рисунок 13. Вырезаем внутренности крыльчатки

Рисунок 14. Построение области лопаток

Рисунок 15. Создание цикла

Рисунок 16. Цикл завершен

Рисунок 17. Вырезаем область для лопаток

Рисунок 18. Вставляем лопатки

Рисунок 19. Создаем сетку по всей поверхности

Рисунок 20. Вид для хорошего обзора лопаток

Рисунок 21. Показана деформация лопаток, после нагрузки

Рисунок 22. Максимальная и минимальная деформация по оси Y

Рисунок 23.Максимальная и минимальная деформация по оси Z

По завершению моделирования турбомуфты, видно по рисунку 23, как лопатку турбомуфты деформировало, это значит были ошибки при построении и тем самым мы можем увидеть дефекты турбомуфты при её эксплуатации. При моделировании использовал операторы такие как: циклы (создание лопаток, через определенный цикл), повороты детали на 360 градусов, склеивание модели, вычитание, врезание, создание радиуса по 3 точкам, создание сетки (для разбивки материала), задал нагрузку на лопатку 20кН.

Заключение

Гидравлическая муфта — вид гидродинамической передачи, в которой, в отличие от механической муфты, отсутствует жёсткая кинематическая связь между входным и выходным валом, и, в отличие от гидротрансформатора, отсутствует реактор.

Гидродинамические муфты (турбомуфты или гидромуфты) были созданы в начале 20-го столетия и до настоящего времени широко применяются в приводах машин и оборудования различных отраслей промышленности. Этому в значительной степени способствовали особенности принципа действия таких гидропередач и их благоприятные характеристики. Встраивание гидромуфт между приводным двигателем и механической трансмиссией значительно улучшают предохранительные и пусковые свойства характеристики машины в целом.

Наибольшее распространение получили простые гидромуфты (турбомуфты) постоянного заполнения рабочей жидкостью, в качестве которой применяются маловязкие минеральные масла, синтетические масла с особыми свойствами, водные эмульсии и чистая вода.

Трудно назвать какую-либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы гидромуфты. В первую очередь это горнорудные, угледобывающие, обогатительные и металлургические предприятия, на которых гидромуфтами оснащаются конвейеры различных типов, дробильно-размольное оборудование, роторные экскаваторы, мешалки, грохоты, центрифуги, скреперные лебедки, вагоноопрокидыватели и др.

Одновременно с турбомуфтами постоянного заполнения расширяется область и объемы применения гидромуфт переменного заполнения для приводов машин, требующих регулирования плавности пусковых процессов, регулирования частоты вращения рабочего органа и остановки машины без выключения двигателя.

Особенно эффективно в целях энергосбережения применение этих гидромуфт для регулирования скорости центробежных насосов в нефтяной, нефтеперерабатывающей, газовой и химической отраслях промышленности, а также в энергетике (ТЭЦ), водоснабжении и коммунальном хозяйстве. Гидромуфты с регулируемым заполнением широко используются в приводах центробежных и осевых вентиляторов, дымососов и др. лопастных машин, а также для плавного запуска ленточных конвейеров большой протяженности, мощных шаровых мельниц и скоростных роторных дробилок со значительным моментом инерции.

В этой курсовой работе, я описал проектирование в программном пакете Ansys. Здесь рассматриваю проектирование турбомуфты, с помощью операций в блоке команд и через меню пакета. Рассмотрел такие операции как циклы DO, ENDDO, повороты рабочей области vrotate.

Список использованной литературы

1. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. Учебник для втузов. –М.: Высшая шк., 1990. –335 с.

2. Системы автоматизированного проектирования: Учеб.пособие для втузов: В 9 кн. / Под ред. И.П. Норенкова. –М.: Высш.шк., 1986.

3. А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева «ANSYS в руках инженера, практическое руводство»,-М.2003

4. Нургужин М.Р., Даненова Г. Т. Инженерные расчёты в ANSYS: сборник примеров, Караганда 2006 319 с.

5. Пивень Г.Г., Климов Ю.И. Имитационное моделирование гидромеханических систем (математические модели): учеб.пособие / КарГТУ. – Караганда, 2004. – 106 с.

6. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / Под общей редакцией Д.Г. Красковского. – М.: КомпьютерПресс, 2002. – 224 с.

7. Бейсембаев К.М., Шащянова М.Б. Основы системного анализа в базах данных. Караганды, Болашак-Баспа, 2008, 208 с.

8. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С. Практические аспекты разработки промышленных информационных систем. Караганда 2009, изд-во КарГТУ, 207 с.

9. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С., Демин В.С., Малыбаев Н.С., Шманов М.Н. Практические и исследовательские аспекты авто проектирование горных машин в 3d. Караганда 2012, изд-во КарГТУ.

10. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С., Шманов М.Н. Геомеханические основы разработки угля в нестационарных системах. Караганда 2009, изд-во КарГТУ, 207 с.

11. Конюхов А.В. Основы анализа конструкций в ANSYS / Казанский государственный университет, Казань 2001, Электронные материалы

12. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Гидравлика / Москва, «Высшая школа», 2007, 199с.

Код для цитирования: Скопировать