Курсовой проект по низкотемпературным машинам

Сдана на отл с первого раза. Выполнена по методическим указаниям. ...

Тепловой и конструктивный расчёт поршневого компрессора 2ФУБС12

Курсовой проект по низкотемпературным машинам

Для аммиачных компрессоров np = 1,11,15 и nс = 1,21,25; для фреоновых компрессоров nр = = 11,05 и nс = 1,051,1.Принимаем угол = 15°. Показатель политропы сжатия nс = 1,1; расширения nр = 1,05.Для построения точек политропы сжатия используются вспомогательные лучи, проведенные из начала координат под углом с к оси ординат, а для политропы расширения - луч, проведенный под углом р.Угол вспомогательного луча с находим из уравнения:для политропы сжатия:Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист15КП НМ 06.02.11 ПЗ(tg + 1)nс = tg с + 1 = (0,2679 + 1)1,1 = tg с + 1,откуда с = 16° 36;для политропы расширения:(tg + 1)nр = tg р + 1 = (0,2679 + 1)1,05 = tg p + 1,откуда р = 16°.3.2. Построение диаграммысуммарной свободной силыМасштабы длин и сил на диаграмме суммарной свободной силы принимаем такими же,как и на индикаторной диаграмме. По оси абсцисс откладываем двойной ход поршня, по оси ординат - силы П, Iп , Rп (рис. 3.3). Графическое перестроение индикаторной диаграммы сил от давления пара на поршень pFп = = f (s) в развернутую диаграмму сил по углу поворота вала pFп = = f (α) производим по методу Брикса. Над диаграммой суммарной свободной силы проводим две полуокружности диаметром, равным ходу поршня. Из центров 0 полуокружностей к середине диаграммы в принятом масштабе откладываем отрезки 00', м длиной:00' = ш s / 4 =0,125 · 0,0434 / 4 = 1,35625 · 10-3,где ш = r / lш = 0,0217 / 0,160 = 0,135 – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; lш – длина шатуна (м), берем как у прототипа выбранного компрессора.Из точки 0' через угол 15° проводим линии до пересечения с полуокружностями. Проекции точек пересечения линий с полуокружностями на ось абсцисс показывают перемещение поршня, соответствующее повороту вала на угол α. Левая часть диаграммы соответствует ходу поршня к валу (α = 0180°), правая - обратному ходу (α = 180360°).Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист16КП НМ 06.02.11 ПЗСилы от давления пара на поршень, взятые из индикаторной диаграммы, силы инерции и силы трения откладываем на вертикальных линиях диаграммы в соответствии с углом поворота кривошипа α. Для расчета сил инерции первого и второго порядков определим угловую скорость вала компрессора , рад/с и массу поступательно движущихся частей: = 2 · · п = 2 · 3,14 · 24 = 151 рад/с.Результаты расчета сил инерции в зависимости от угла поворота кривошипа приведены в табл. 3.2.Таблица 3.2Результаты расчета сил инерции, осos сos βшcos2Iп1, НIп2, НIп, Н0110.135-290.53-39.2215-329.7515150,9660,9990.116-280.651-32.53-313.201300,8660,9970.0675-251.59-16.982-268.572450,7070,9940-205.40-205.4600,50,990-0.0675-145.26516.982-128.283750,2590,988-0.116-752432.55-42.699000,987–0,135039.221539.2215105–0,2590,988-0.11675.2432.55107.79120–0,50,990-0.0675145.26516.982162.247135–0,7070,9940205.40205.4150–0,8660,9970.0675251.59-16.982234.608165–0,9660,9990.116280.651-32.55248.101180–110.135290.53-39.2215294,9195–0,9660,9990,116280.651-32.55248.101210–0,8660,9970.0675251.59-16.982234.608225–0,7070,9940205.40205.4240–0,50,990-0.0675145.26516.982162.247255–0,2590,988-0.11675.2432.55107.7927000,987–0,135039.221539.22152850,2590,988-0.116-752432.55-42.693000,50,990-0.0675-145.26516.982-128.2833150,7070,9940-205.40-205.43300,8660,9970.0675-251.59-16.982-268.5723450,9660,9990.116-280.651-32.53-313.201При построении диаграммы суммарной силы сила трения поступательно движущихся частей условно принимается постоянной. Значения ее для одного цилиндра определяются по уравнению Rп1, Н:Rп1= Rп / z = 0,65 · Nтp / (cт · z) = 0,65 · 0,5 · 103 / (2,08 · 4) = 39,где Nтр = 0,5 · 103 Вт и ст = 2,08 м/с взяты из теплового расчета.Сила трения направлена против движения и меняет свой знак в мертвых точках.Сумма ординат всех сил для каждого угла поворота соответствует значениям суммарной свободной силы. Из диаграммы видно, что наибольшие значения силы Р, а следовательно, и сжимающей шатун силы Рш действуют в момент, когда поршень приближается к верхней мертвой точке.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист17КП НМ 06.02.11 ПЗ3.3. Построение диаграммы суммарной тангенциальной силыТангенциальную силу для одного цилиндра (табл. 3.3) рассчитываем на основе полученных выше значений суммарной свободной силы для 24 положений кривошипа.Значения углов β можно определить по формулам:sin = ш · sin,.Силу трения вращающихся частей Rвр компрессора принимаем постоянной. Ее влияние учитываем смещением начала отсчета ординат суммарной кривой тангенциальных сил от оси абсцисс на отрезок 00' (рис. 3.4), равный в масштабе сил диаграммы значению силы Rвр, Н:Rвр = 0,35 · Nтр /сm = 0,35 · 0,5 · 103 / 2,08 = 84,13.Среднее значение суммарной тангенциальной силы определяем планиметрированием площади под кривой Pt + Rвр. Частное от деления полученной площади на длину диаграммы (0-360о) дает ординату Ptср. Менее точно находят Ptсp делением суммы 24 ординат, взятых на диаграмме, на их количество. Кривая суммарных тангенциальных сил в соответствующем масштабе является кривой моментов, противодействующих вращению вала,М = (Pt + Rвр) · r.Площадки f1 и f2 между прямой Ptсp и кривой суммарной тангенциальной силы характеризуют неравномерность нагрузки на двигатель. Площадки над прямой Ptсp принято считать положительными, под прямой - отрицательными.Таблица 3.3Результаты расчета тангенциальных сил, ºP, HPt, Н04760.6001515500.292-449.530-3000.558167.445–2700.776209.5260-2000.927185.475-1001.0310390-30130.9105400.935-37.41201200.8-961351800.64-115.21501900.44-83.61651900.225-42.7518020000195300-0.2256.75210315-0.44138.915225400-0.64256240570-0.8456255800-0.9357482701300-1.0313292852000-120003003500-0,9353244,53154500-0,776349233044000,5582455,23454250-0,2921241Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист18КП НМ 06.02.11 ПЗ3.4. Построение диаграммы радиальных силДиаграмма радиальных сил строится в координатах Рr, α . Значения радиальной силы в зависимости от угла поворота кривошипа, полученные в ходе расчета, приведены в табл. 3.4. В радиальном направлении на кривошип, кроме силы Рr, действуют постоянные по величине силы инерции Iш.ш, Н от массы части шатунной шейки, приходящейся на один шатун, и от вращающейся части шатуна Iш.вр, Н.Iш.ш = mш.ш · r · 2 = 0,347 · 0,0225 · 1512 = 178,где mш.ш = · d2ш.ш. · l ш.ш · / 4 · i = 3,14 · 0,042 · 0,128 · 7850 / (4 · 4) = 0,347 кг; dш.ш = 0,042 м – диаметр шатунной шейки; lш.ш = 0,128 м – длина шатунной шейки; i = 4 – число шатунов на одной шейке; ρ = 7850 кг/м3 – плотность материала коленчатого вала.Iш.вр = m ш.вр · r · 2 = 0,533 · 0,0225 · 1512 = 273,где mш.вр = 2 / 3 · mш = 2 / 3 · 0,8 = 0,533 кг – масса вращающейся части шатуна.Результирующая сила, действующая на шатунный подшипник,Р'r = Pr Iш.вр.Результирующая сила, действующая на вал компрессора,Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист19КП НМ 06.02.11 ПЗР''r = Рr (Iш.ш + Iш.вр).Таблица 3.4Результаты расчета радиальных сил, ºP, HPr, НPr', НPr'', Н04760.614760,644874391515500,954478,7205,727.730-3000,827248.7-24.3-202.345–2700.629169.83-103.17-281.1760-2000.37675.2-197.8-375.875-1000.10710.7-262.3-440.390-30-0.162-4.86-277.86-455.8610540–0,409-16.36-289.36-467.36120120-0.623-74.76-347.76-525.76135180-0.784-141.12-414.12-592.12150190-0.904-171.76-444.76-622,76165190-0.977-185.63-458.63-636.63180200–1-200-473-651195315-0.977-293,1-566,1-744,1210400-0.904-284,76-557,76-735,76225570-0.784–313,36–586,36-764,36240800-0.623-355.11-628.11-806.112551300–0,409-327.2-600.2-778.22702000-0.162-210.6-483.6-661.628535000.10721459-23730045000.3761316104386531544000.62928302557237933042500,8273638.83365.83187.83454760.60,9544054.53781.43603.5Так как силы Iш.вр и Iш.ш постоянны по величине и имеют отрицательный знак (направлены от оси вращения вала), для определения значений Р'r на диаграмме радиальных сил переносим ось абсцисс на величину I ш.вр, для определения Р'r - на величину I ш.вр + I ш.ш в сторону положительных значений ординаты.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист20КП НМ 06.02.11 ПЗ3.5. Построение полярной диаграммы и диаграммыизнашивания шатунной шейки коленчатого валаНа шатунную шейку вала действуют переменные по величине и направлению в зависимости от угла поворота вала силы Рt и Р'r. Для определения интенсивности неравномерного по окружности изнашивания шатунной шейки и выбора места подвода смазки строим полярную диаграмму сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала По оси абсцисс с учетом знака в принятом масштабе сил для каждого положения вала от 0 до 360° откладываем значения силы Р'r , взятые из табл. 3.4, по оси ординат - значения силы Pt для одного цилиндра. Положительное направление осей координат указано на диаграмме. Из концов векторов восстанавливаем перпендикуляры до пересечения, обозначая точки пересечения соответствующим углом поворота вала. В полученные точки из начала координат проводим векторы, представляющие по величине и направлению равнодействующую силу R для данного , и соединяем их концы плавной кривой. Угол характеризует направление R относительно шейки. Анализ сил, действующих на шатунную шейку, определение максимальной нагрузки Rmaх могут быть произведены непосредственно по полярной диаграмме, но для получения среднего значения нагрузки Rcр строим полярную диаграмму, развернутую по углу поворота вала С помощью полярной диаграммы сил, действующих на шатунную шейку, строим условную диаграмму изнашивания, считая, что износ пропорционален нагрузке и распространяется равномерно на дуге (120±7,5)° (по 60° в каждую сторону от точки приложения вектора равнодействующей силы к шейке вала)Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист21КП НМ 06.02.11 ПЗРезультаты расчета суммарной нагрузки на шатунную шейку, ш0153045607590105120135150004,04,04,04,04,0------152950,35----------3093--0,150,150,150,150,150,150,150,150,1545100---0,20,20,20,20,20,20,20,260105---0,30,30,30,30,30,30,30,375120----0,250,250,250,250,250,252590132-----0,30,30,30,30,30,3105144------0,350,350,350,350,35120156------0,350,350,350,350,35135162-------0,40,40,40,4150170-------0,350,350,350,35165185--------0,350,350,35180190---------0,40,4195186--------0,450,450,45210171-------0,550,550,550,55225165-------0,60,60,60,6240150------0,750,750,750,750,75255130-----111111270107---1,91,91,91,91,91,91,91,928589--22222222230072-3,43,43,43,43,43,43,43,43,4-315524,854,854,854,854,854,854,854,85---330374,154,154,154,154,154,154,15----34520----Суммарнаянагрузка13,3516.418.5520.9521.218.519.951712.9513.359.95Таблица 3.5Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист22КП НМ 06.02.11 ПЗш165180195210225240255270285300315330345---------4,04,04,04,0-----0,350,350,350,350,350,350,350,35-------------0,2------------0,3------------0,250,25-----------0,30,30,3----------0,350,350,350,35---------0,350,350,350,35---------0,40,40,40,40,4--------0,350,350,350,350,35--------0,350,350,350,350,35--------0,40,40,40,40,40,40,4------0,450,450,450,450,450,45-------0,550,550,550,550,55--------0,60,60,60,60,6--------0,750,750,75----------111----------1,9--------------------------------------------------4,85-----------4,154,15----------12.19.79.458.46.951.20.750.350.354.354.358.513.353.6. УравновешиваниеНа опоры коленчатого вала, корпус и раму компрессора передаются неуравновешенные силы и моменты, вызывая вибрацию, дополнительные нагрузки на детали компрессора и расход мощности на колебания. Анализ сил, действующих в компрессоре, показывает, что силы от давления пара, приложенные одновременно к поршню и крышке цилиндра, замыкаются внутри компрессора и на раму не передаются, силы инерции Iп1, Iп2, Iвр, а в многорядных компрессорах и моменты от этих сил могут быть неуравновешенными.При проектировании компрессоров путем выбора схем расположения кривошипов коленчатого вала и цилиндров, подбора противовесов стремятся обеспечить условия, при которых суммарные силы инерции Iп1; Iп2; Iвр, а также моменты этих сил М I п1; M I п2; М I вр были бы равны нулю. С учетом сил инерции высоких порядков ввиду необходимости значительного Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист23КП НМ 06.02.11 ПЗусложнения конструкции полное уравновешивание практически неосуществимо.Наиболее распространенные компоновки современных холодильных компрессоров представлены на рис. 14. Во всех приведенных компоновках угол между кривошипами составляет 180°, Iвр и Iп1, а также М I п1 для компоновок 1, 2 и 4 равны нулю. Суммарные силы Iп2, имеющие различные для рассматриваемых компоновок амплитуду и направление, не уравновешиваются.Iвр = mвр · r · 2 · аРис. 3.6.1. Современные компоновки поршневых холодильныхкомпрессоров средней производительностиОни могут быть уравновешены двумя противовесами (по одному у каждого колена) с массой, приведенной к радиусу кривошипа (рис. 3.6.2),то = твр · а / b.Суммарный момент сил инерции первого порядка, действующий в плоскости колен и постоянный по величине в компоновках 2, 4:МI 1 = mп · r · 2 · a,может быть уравновешен двумя противовесами с массой, приведенной к радиусу кривошипа,mо = mп · a / b.Рис. 3.6.2. Схема размещения противовесовИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист24КП НМ 06.02.11 ПЗВ компоновке 3МI 1 = 3 / 2 · mп · r · 2 · a,mо = 3 · mп · а / (2 · b).В компоновке 1 суммарный неуравновешенный момент сил инерции первого порядкаМI 1 = тп · r · 2 · а · cos.Расчет уравновешивания заключается в определении необходимой массы противовесов (рис. 3.6.3). При выбранной компоновке компрессора и коленчатом вале с углом развала между кривошипами 180° масса противовеса, приведенная к радиусу кривошипа,mо = m’о + m"о.Часть приведенной к радиусу кривошипа массы противовеса, уравновешивающая момент сил инерции первого порядка,m’о = тп · а / b = 0,587 · 0,112 / 0,205 = 0,320 кг,где тп = 0,587 кг - масса поступательно движущихся частей;а = 0,112 м - расстояние между серединами колен;b = 0,205 м - расстояние между противовесами.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист25КП НМ 06.02.11 ПЗРис. 3.6.3. Схема для расчета противовесаК неуравновешенным вращающимся массам, кроме тш.ш и тш.вр, относится масса неуравновешенной части щеки тщтщ = Vщ · ρ = 3,17 · 10-5 · 7850 = 0,25 кг,где Vщ - объем неуравновешенной части щеки.Vщ = = = = 3,17 · 10-5 м3,где hср = 0,035 м - средняя толщина части щеки.Неуравновешенная вращающаяся масса, приведенная к радиусу кривошипатвр = i · тшш + 2 · тщ · rщ / r + i · тшвр == 4 · 0,537 + 2 · 0,25 · 0,049 / 0,0225 + 4 · 0,533 = 5,6 кг,где i = 4 - число шатунов на шатунной шейке;rщ = 0,049 м - радиус инерции щеки.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист26КП НМ 06.02.11 ПЗЧасть приведенной к радиусу кривошипа массы противовеса, уравновешивающая момент сил инерции неуравновешенных вращающихся масс,m"о = mвр · а / b = 5,6 · 0,112 / 0,205 = 3,0595 кг.Полная приведенная масса противовесаmо = m'о + m"о = 0,320 + 3,0595 = 3,379 кг.Масса противовесаmпр = mо · r / rпр = 3,379 · 0,0225 / 0,04 = 1,9 кг,где rпр = 0,04 м - радиус инерции противовеса, который определяется по чертежу как расстояние от центра массы противовеса до оси вращения.Противовес сложной геометрической формы разделяют на части простой формы. В этом случае масса противовеса, приведенного к радиусу кривошипа, может быть определена какгде Vо - объем противовеса, м3.Угол габарита противовесагде hср = 0,035 м - средняя толщина противовеса.При расчете коленчатого вала на прочность и жесткость необходимо учитывать силу инерции противовеса Iпр и силу инерции неуравновешенной части щеки Iщ:Iпр = mпр · rпр · 2 = 1.9· 0,04 · 1512= 1732.8 Н;Iщ = mщ · rщ · 2 = 0,25 · 0,049 · 1512 = 279 Н.4. РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА4.1. Расчет шатунаШатун подвергается действию сжимающих и растягивающих сил от давления пара, а также сил инерции. Анализ диаграммы суммарной свободной силы показывает, что вследствие малой массы поступательно движущихся частей силы инерции значительно меньше сил от давления пара. В связи с этим значения сил, действующих на шатун в режиме холостого хода, существенно ниже, чем в режиме работы под нагрузкой. В рассматриваемом примере расчет ведется по силам в режиме работы компрессора под нагрузкой. Расчетная схема и основные размеры шатуна представлены на рис. 4.1.4.1.1. Расчет стержня шатунаПрочность стержня шатуна (рис. 4.1) проверяем по среднему I - I и минимальному II - II сечениям.Напряжение растяжения в среднем сечении , Па:Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист27КП НМ 06.02.11 ПЗ = 271/ (1,43 · 10-4) = 1,8 · 106,где Рш = 271 Н – наибольшая растягивающая сила, действующая на шатун; fср= 1,43 · 10-4 м2 – площадь среднего сечения.Суммарные напряжения от сжатия и продольного изгиба в среднем сечении определяют по эмпирическим зависимостям:в плоскости качания шатуна ;в перпендикулярной плоскостиРис. 4.1. Расчетная схема и основные размеры шатунаИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист28КП НМ 06.02.11 ПЗгде Рш.с = 4527 Н – наибольшая сжимающая сила, действующая на шатун; l1 = l - (D + d) / 2 = 0,16 − (0,049 + 0,032) / 2 = 0,1195 м; Iх – момент инерции среднего сечения шатуна относительно оси х-х, м4: = = ;Iy ‒ момент инерции среднего сечения относительно оси у-у, м4: = .Тогда cx = 4527 · [1 / (1,43 · 10- 4) + 0,000526 · 0,16 / (3,195 · 10 - 9)] == 150 · 10 6; су = 4527 · [(1 / (1,43 · 10- 4) + 0,000132 · 0,1195 / (4,084 · 10 - 9)] == 49· 10 6.Допускаемые напряжения для шатунов из легированной стали 150-200 МПа.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист29КП НМ 06.02.11 ПЗЗапас прочности стержня шатуна на выносливость определяется по уравнению:n = (-1)p / (k · a / + · m),где (-1)p – предел выносливости материала при симметричном цикле растяжение - сжатие, Па ((-1)p 0,31 · в; в – временное сопротивление материала шатуна, Па); k – коэффициент концентрации напряжений; при обработанных поверхностях k = 1, при необработанных k = 1,31,35; – коэффициент влияния абсолютных размеров сечения, определенный по наибольшему размеру рассчитываемого сечения (см. рис. 4.2); – коэффициент, характеризующий чувствительность материала к асимметрии цикла; обычно = 0,050,2.Рис. 4.2. Коэффициент влияния абсолютных размеров εσ:стали: 1 - углеродистые; 2 - легированныеДля плоскости х - хах = (р + сх) / 2 = (1,8 + 150) · 106 / 2 = 75,9· 106,mх = (р - сx) / 2 = (1,8 – 150) · 106 / 2 = −74,1· 106.Для плоскости у - уаy = (р + сy) / 2 = (1,8 + 49) · 106 / 2 = 25,4 · 106,my = (р - сy) / 2 = (1,8 – 49) · 106 / 2 = −23,6 · 106.Запас прочности nх:Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист30КП НМ 06.02.11 ПЗnх = 282,1 · 106 / (1,3 · 75,9 · 106 / 0,91 + 0,1 · 74,1· 106) = 18,5,где 190 МПа – (-1)p; 1,3 – k; 0,81 – ; 0,2 – р.ny = 282,1 · 106 / (1,3 · 25,4 · 106/ 0,91 +0,123,6 · 106) = 7,3Допускаемый запас прочности 2-4.4.1.2. Расчет поршневой головки шатунаНа поршневую головку действуют переменная по величине и направлению сила Рш и постоянное давление со стороны втулки. Когда шатун растянут, нагрузка на головку почти равномерно распространяется по верхней половине, а когда шатун сжат, то по нижней половине примерно по косинусоидальному закону.