Проектирование и исследование поршневого газового компрессора

1. Курсовая работа по дисциплине «Основы проектирования машин» Часть I

Проектирование и исследование поршневого
газового компрессора
Вариант 127А
Группа: ИБМ5-61
Студент: Гиланзов Р. Н.
Преподаватель: Леонов И. В.
1

2. Содержание

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
2
Структурная схема компрессора
Исходные данные
Определение размеров механизма
Кинематика механизма
Аппроксимация индикаторной диаграммы
Силы и моменты сил в цилиндрах
Проверка расчета
Выбор электродвигателя
Расчет приведенных моментов инерции
Расчет машины на установившемся режиме
Расчет машины на неустановившемся режиме
Выводы

3. 1. Структурная схема компрессора

1
2
3
4
Рисунок 1.1. Структурная схема компрессора
1.
2.
3.
4.
3
Электродвигатель
Редуктор
Маховик
Компрессор
Рисунок 1.2. Схема компрессора
1 – кривошип
2 – шатун
3 – поршень
4 – маховик
5 – редуктор
6 – электродвигатель
7 – выходной клапан
8 – входной клапан

4. 2. Исходные данные

Таблица 2.1. Исходные данные
Значение
Единица
измерения
Средняя скорость поршня
3,0
м/с
Отношение D/H
1,0
-
Отношение AB/OA
3,0
-
Отношение AS/AB
0,3
-
Объемная производительность
3,0
м3/мин
Максимальное давление в цилиндре
5·105
Па
Коэффициент неравномерности вращения кривошипа
1/50
-
Толщина стенки поршня
0,01
м
2
-
Параметр
Число цилиндров
4

5. 3. Определение размеров механизма

L_AB2
8.461 1
Js m2
12
Таблица 3.1. Основные размеры механизма
Диаметр поршня
0,146 м
Длина кривошипа
0,073 м
Длина шатуна
0,219 м
Масса поршня
2,126 кг
Масса шатуна
2,126 кг
Момент инерции шатуна относительно центра масс
8,461·10-3 кг·м2
5

6. 4. Кинематика механизма

Рисунок 4.1. Кинематическая модель механизма
(метод замкнутых контуров)
6

7.

Перемещение поршня
SS( 1 ) 0.5 (1 _AB_OA cos ( 1 )
SS( 1 ) 0.5 (1 _AB_OA cos ( 1 ) _AB_OA cos ( 2 ( 1 ) ))
Рисунок 4.2. График отношения S/H
Аналог скорости поршня
V_qB( 1 ) 2 L_OA
Рисунок 4.3. График аналог скорости для поршня
7
d
SS( 1 )
d 1

8. 5. Аппроксимация индикаторной диаграммы

VPR cspline( SH PR)
VPS cspline( SH PS)
intPR( x) interp( VPR SH PR x)
intPS( x) interp( VPS SH PS x)
Рисунок 5.1. Индикаторная диаграмма компрессора
8

9. 6. Силы и моменты сил в цилиндрах

2
F3( 1 )
D ( Pmax Patm)
4
intPR( SS( 1 ) ) if 0 1
intPS( SS( 1 ) ) otherwise
Рисунок 6.1. График силы действия газов на поршень
9

10.

Рисунок 6.2. График приведенных моментов сил двух цилиндров в отдельности
M1( 1 )
0 if 1 0
F3( 1 ) V_qB( 1 ) if 0 1 2
0 otherwise
M2( 1 )
0 if 1 0
F3( 1 0 ) V_qB( 1 0 ) if 0 1 2
0 otherwise
10

11. 7. Проверка расчета

Расчет работ, совершаемых газовой силой, может служить проверкой
проведенных расчетов, так как может быть выполнен двумя путями:
работа по индикаторной диаграмме и работа приведенного момента
за цикл.
Таблица 7.1. Результаты проверки расчетов с помощью работ газовых сил
11
Работа одного цилиндра за цикл
369,522 Дж
Суммарная работа двух цилиндров за цикл
739,045 Дж
Средний момент двигателя за цикл
117,622 Н·м
Абсолютная ошибка
6,367·10-4 Дж
Относительная ошибка
1,723·10-6

12. 8. Выбор электродвигателя

Таблица 8.1. Характеристики электродвигателя
Наименование
4А160М8 УЗ
Мощность
11 кВт
Частота вращения
750 об/мин
Номинальный момент
140,056 Н·м
Пусковой момент
252,101 Н·м
Максимальный момент
308,124 Н·м
12
Рисунок 8.1. Характеристика выбранного электродвигателя

13. 9. Расчет приведенных моментов инерции

2
J2( 1 ) m2 V_qS( 1 ) Js U21( 1 )
J3( 1 ) m3 V_qB( 1 )
2
2
Рисунок 9.1. Графики приведенных моментов инерции многоцилиндровой машины
13

14. 10. Расчет машины на установившемся режиме

MsumU( 1 ) Msum( 1 ) Mavg
Aóñò( 1 )
1
MsumU( 1 ) d 1
0
Рисунок 10.1. Суммарная работа сил на установившемся режиме
14

15. 10.1. Расчет маховика

T2óñò( 1 ) Jsum( 1 )
1avg
2
2
T1max 91.709
T1óñò( 1 ) Aóñò( 1 ) T2óñò( 1 )
T1min 40.723
100
T1max T1max T1min 132.432
50
T1óñò ( 1 )
2
1.582
1avg
0
2
4
6
5
1
Рисунок 10.1.1. Изменение кинетической энергии первой группы звеньев
Определение закона движения:
îá 7.8
0.1
50
15
T1max
J1r
1 ( 1 )
T1óñò( 1 )
J1r 1avg
Dîá
J1r îá
32
0.656

16. 10.2. Расчет угловых ускорений

100
0
2
4
6
4
6
1óñò ( 1 )
1óñò( 1 )
100
d 1 ( 1 ) 1avg
d 1
200
1
100
0
2
2 d
MsumU( 1 ) 1avg
2óñò ( 1 )
2óñò( 1 )
100
d 1
Jsum( 1 ) J1r
200
1
Рисунок 10.2.1. Угловое ускорение звена
приведения, рассчитанное разными способами
16
Относительная ошибка: 1,9%
Коэффициент корреляции: ~1,000
Jsum( 1 )
2

17. 10.3. Расчет коэффициента корреляции

17

18. 11. Расчет машины на неустановившемся режиме

400
200
Msum_start( 1 ) M_start U12 Msum( 1 )
M sum_start ( 1 )
0
2
4
6
200
1
Рисунок 11.1. Суммарный момент сил на неустановившемся
режиме
3
1.5 10
3
1 10
Asum_start ( 1 )
Asum_start ( 1 )
0
500
0
2
4
6
1
Рисунок 11.2. Суммарная работа сил на неустановившемся режиме
18
1
Msum_start ( 1 ) d 1

19. 11.1. Расчет закона и времени движения

40
30
1íåóñò ( 1 )20
1íåóñò ( 1 )
10
0
2
4
2
Asum_start ( 1 )
Jsum( 1 ) J1r
6
1
Рисунок 11.1.1. Угловая скорость звена приведения
0.3
0.2
t( 1 )
t ( 1 ) 0.1
0
2
4
0.1
1
Рисунок 11.1.2. Время движения машины
19
6
1
step
1
1íåóñò ( 1 )
d 1

20. 11.2. Расчет угловых ускорений

300
200
1íåóñò ( 1 )
1íåóñò ( 1 ) 100
2
4
d 1íåóñò ( 1 ) 1íåóñò ( 1 )
d 1
6
100
1
300
Msum_start( 1 ) ( 1avg ) 2 d Jsum( 1 )
2
d 1
2íåóñò ( 1 )
200
2íåóñò ( 1 ) 100
Jsum( 1 ) J1r
0
2
4
6
100
1
Рисунок 11.2.1. Угловое ускорение звена
приведения, рассчитанное разными способами
20
Относительная ошибка: 2,2 %
Коэффициент корреляции: 0,985

21. 11.3. Расчет коэффициента корреляции

21

22. 12. Выводы

1.
Проверка правильности определения параметров динамической
модели произведена расчетом работ за цикл двумя разными
вычислительными методами. Ошибки расчетов близки к нулю,
значит приведение сил и определение работ выполнены верно.
2.
Динамическая модель машины представляет собой систему
уравнений, описывающих ее динамические свойства в виде
суммарного приведенного момента инерции и суммарного
приведенного момента сил.
3.
Проведенные расчеты показали, что основное влияние на закон
движения оказывают внешние силы.
4.
Согласно расчетам параметров маховика, его необходимый диаметр
составляет 66 см, а момент инерции — 1,582 кг*м2.
22

23. Список использованной литературы

1.
В.И. Анурьев. Справочник конструктора-машиностроителя. М.:
Машиностроение, 2001.
2.
И.В. Леонов, В.Б. Тарабарин. Использование системы MathCAD в курсовом
проектировании и выполнении домашних заданий по теории механизмов
и машин. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.
3.
И.В. Леонов, Д.И. Леонов. Теория механизмов и машин. Основы
проектирования машин по динамическим критериям и показателям
экономичности: учебное пособие. М.: Высшее образование, 2009.
4.
М.Н. Иванов. Детали машин. М.: Высшая школа, 2000.
5.
С.А. Попов, Г.А. Тимофеев. Курсовое проектирование по теории механизмов
и механике машин. М.: Высшая школа, 1999
23