Расчёт шпонки

[derder 2]

Добрый день!

 

Подскажите пожалуйста, как выбрать/проверить шпонку на валу приводимом редуктором через зубчатую передачу в следующей ситуации. Есть грузоподъёмный механизм и приводится в движении при помощи асинхронного короткозамкнутого двигателя мощностью 4 кВт при помощи прямого пуска. По каталогу у данного электродвигателя пусковой момент вдвое больше номинального. До этого я имел дело только с проектами, где  электродвигатель работал от частотного регулятора и там была возможность настройки плавного пуска. Соответственно теперь из-за того, что я ни в полной мере представляю, что происходит при запуске двигателя, мне не понятно какой брать момент при расчёте шпонки. Максимальный пусковой, который может выдать электродвигатель или расчётный, который возникает под действием груза? Так же при выборе допускаемых напряжений часто фигурирует вид нагрузки - постоянный, знакопеременный и ударный. В случае когда электродвигатель пускается напрямую это ударная нагрузка или нет?

 

В итоге вопросы следующие:

1) Какой момент действует на шпонку при пуске электродвигателя до того момента пока он не набрал номинальную скорость? Момент от груза или пусковой момент двигателя или еще какой-то другой?

2) Входят ли в коэффициент запаса возможные пиковые нагрузки? Так как коэффициент запаса минимум 2-х кратный (судя по литературе) то может и не надо беспокоится, брать расчётный момент и всё?

3) Можно ли считать прямой пуск ударной нагрузкой?

 

Приветствуется как жизненный опыт, так и ссылки на авторитетные источники. Всем спасибо!

[ANT0N1DZE 178]

Ряховский "Детали машин" - в помощь

[soklakov 1 475]

41 минуту назад, derder сказал:

Соответственно теперь из-за того, что я ни в полной мере представляю, что происходит при запуске двигателя, мне не понятно какой брать момент при расчёте шпонки. Максимальный пусковой, который может выдать электродвигатель или расчётный, который возникает под действием груза?

зависит от того, какой момент должна выдержать шпонка по Вашему мнению. если пусковой она пережить не должна - то и считать на него не надо.

42 минуты назад, derder сказал:

2) Входят ли в коэффициент запаса возможные пиковые нагрузки?

нет.

43 минуты назад, derder сказал:

3) Можно ли считать прямой пуск ударной нагрузкой?

внезапно приложенной, если быть точнее. да, но смотря для чего.

[derder 2]

Увы расчёт шпоночного соединения для меня так и остается не ясным... 

Дополню еще одним вопросом. Есть планетарные редуктора фирмы Bonfiglioli, в каталоге для  редуктора 303L2 (передаточное число 30,8 )приведены следующие значения моментов: номинальный момент на выходном валу 2140 Н*м; максимальный выходной момент (пиковый) 2970 Н*м. Выходной вал у такого редуктора диаметром 60 мм с допуском по h7, на валу установлена шпонка исполнения 1 (со скругленными концами) 18х11х90. Длина шпонки для расчета 90 мм - 9 мм - 9 мм = 72 мм. Подставляя значения в формулу расчета шпонки согласно деталям машин получаем

1) Для номинального момента на выходном валу

Напряжения (смятия) = 2 140 000 Н*мм/(0,5*60 мм*4 мм * 72 мм) = 247,7 МПа.

2) Для максимального момента на выходном валу

Напряжения (смятия) = 2 970 000 Н*мм/(0,5*60 мм*4 мм * 72 мм) = 343,8 МПа.

 

Вот как это понимать? Это напряжения значительно выше допускаемых рекомендованных в деталях машин. В той литературе, где допускаемые напряжения вычисляются от предела текучести получается, что да же для самого легкого режима работы (0,65*Сигма_тек) необходимо брать стали с пределом текучести 529 МПа, а для ударных нагрузок (0,16*Сигма_тек) так вообще 2149 МПа. Это что-то чересчур невероятное. Переход к допускаемым напряжениям выполнен при помощи книги - "Расчёты кранов механизмов и их деталей. ВНИИПТМАШ в 2-х томах. под ред. Лалаянца Р. А. - т.2 с. 33".

 

У меня возникло предположение, что изготовители рассчитывают шпонку с учётом посадки с натягом, но подобных методов в Деталях машин найти не смог, кроме упоминания того, что на практике так не делают из-за большого числа разнообразных факторов. Кто-нибудь знает в чем прикол?

 

P.S. Фирму Bonfiglioli взял чисто для конкретики, я думаю у других западных производителей напряжения в шпонках при номинальном моменте на выходном валу редуктора будут примерно такими же...

Изменено 31 марта 2020 пользователем derder

[bard 76]

10 hours ago, derder said:

Увы расчёт шпоночного соединения для меня так и остается не ясным... 

Дополню еще одним вопросом. Есть планетарные редуктора фирмы Bonfiglioli, в каталоге для  редуктора 303L2 (передаточное число 30,8 )приведены следующие значения моментов: номинальный момент на выходном валу 2140 Н*м; максимальный выходной момент (пиковый) 2970 Н*м. Выходной вал у такого редуктора диаметром 60 мм с допуском по h7, на валу установлена шпонка исполнения 1 (со скругленными концами) 18х11х90. Длина шпонки для расчета 90 мм - 9 мм - 9 мм = 72 мм. Подставляя значения в формулу расчета шпонки согласно деталям машин получаем

1) Для номинального момента на выходном валу

Напряжения (смятия) = 2 140 000 Н*мм/(0,5*60 мм*4 мм * 72 мм) = 247,7 МПа.

2) Для максимального момента на выходном валу

Напряжения (смятия) = 2 970 000 Н*мм/(0,5*60 мм*4 мм * 72 мм) = 343,8 МПа.

 

Вот как это понимать? Это напряжения значительно выше допускаемых рекомендованных в деталях машин. В той литературе, где допускаемые напряжения вычисляются от предела текучести получается, что да же для самого легкого режима работы (0,65*Сигма_тек) необходимо брать стали с пределом текучести 529 МПа, а для ударных нагрузок (0,16*Сигма_тек) так вообще 2149 МПа. Это что-то чересчур невероятное. Переход к допускаемым напряжениям выполнен при помощи книги - "Расчёты кранов механизмов и их деталей. ВНИИПТМАШ в 2-х томах. под ред. Лалаянца Р. А. - т.2 с. 33".

 

У меня возникло предположение, что изготовители рассчитывают шпонку с учётом посадки с натягом, но подобных методов в Деталях машин найти не смог, кроме упоминания того, что на практике так не делают из-за большого числа разнообразных факторов. Кто-нибудь знает в чем прикол?

 

P.S. Фирму Bonfiglioli взял чисто для конкретики, я думаю у других западных производителей напряжения в шпонках при номинальном моменте на выходном валу редуктора будут примерно такими же...

сигма=4*T/h*l*d=(4*2140*1000)/11*72*60=8560000/47520=180 МПа. По Иванову М.Н. Детали машин "стандартные шпонки изготавливают из чистотянутых стальных прутков - углеродистой или легированной стали с пределом прочности не ниже 50кгс/мм2. Для неподвижных соединений допускают;

- при переходных посадках - 80-150 МПа;

- при прессовых посадках - 110-200 МПа;

Об определении расчетных нагрузок, источник - см. выше. Расчетную нагрузку (например крутящий момент) определяют как произведение номинального крутящего момента на динамический коэффициент режима работы. Далее приводится таблица выбора коэффициента.

Момент, создаваемый приводом, получается как момент сопротивления нагрузке. Вот нет у Вас нагрузки на валу, какой будет выходной момент? Небольшой. А обороты - большие. Или наоборот, Ваш вал жестко закреплен. Какой будет момент? Максимальный или даже больше. А обороты - нулевые. Проектировать механизм работающий на пиковых моментах редуктора нужно крайне осторожно. 

И еще соображение. Номинальный и максимальный моменты редукторов даются производителем исходя из некого ресурса. Если ресурс Вам не важен (время работы 5 секунд, например) - Вы можете завысить номинальный момент редуктора.

Извините за многобуков.

[derder 2]

@bard спасибо за ответ. Я смотрел Иванова, мне лично не нравится допущение что "шпонка врезана в вал на половину своей высоты". Это не есть правда. Но да же если принять и это, то по формуле из Иванова при максимально крутящем моменте получается 250 МПа. Это опять же больше им самим рекомендуемых допускаемых напряжений. Сдается что на западе считают как-то иначе...

 

По поводу момента я понимаю, что вы пишите. Но вы рассматриваете случай устоявшегося движения, когда вал без нагрузки. А я спрашиваю про момент пуска. Какой момент действует при разгоне. Дело в том, что при расчете времени разгона в формуле фигурирует пусковой момент и чем он выше тем быстрее происходит выход на заданную скорость. А это наводит на мысли о том, что элементы конструкции в момент пуска испытывают  нагрузки именно от пускового момента двигателя.

 

Честно говоря вопрос по моменту меня беспокоит в меньшей степени так как в целом удалось найти литературу, что происходит в механизме при пуске. А вот вопрос по расчёту шпонки все больше вызывает недоумение. Огромное число информации, которая в большей части дублируется и при этом с изделиями импортными не совпадает. Если проектировать всё с нуля вопросов конечно нет, но как только берешь покупное изделие сразу возникает вопрос - почему у них вал 60 мм, а у нас 80 или 90? И какой брать материал детали для посадки на их вал или как считать более уточнено. 

 

@bard забыл добавить, а Вы не подскажите, где можно посмотреть динамические коэффициенты режима работы?

Изменено 1 апреля 2020 пользователем derder

[vasillevich68 699]

1 час назад, derder сказал:

Я смотрел Иванова, мне лично не нравится допущение

для 1 апреля, зачетная шутка

[Udav817 288]

1 час назад, derder сказал:

Я смотрел Иванова, мне лично не нравится допущение что "шпонка врезана в вал на половину своей высоты". Это не есть правда.

А что собственно не так? Глубина паза на валу (t1) и втулке (t2) разная. Но именно для того, чтобы учесть ширину шпонки (b) и диаметр вала (d). И чтобы при этом боковая стенка шпонки действительно была наполовину заглублена. 

1 час назад, derder сказал:

почему у них вал 60 мм, а у нас 80 или 90

разные технологии (изготовления обмотки на валу электродвигателя) и материалы (валов).

[bard 76]

12 hours ago, derder said:

@bard спасибо за ответ. Я смотрел Иванова, мне лично не нравится допущение что "шпонка врезана в вал на половину своей высоты". Это не есть правда. Но да же если принять и это, то по формуле из Иванова при максимально крутящем моменте получается 250 МПа. Это опять же больше им самим рекомендуемых допускаемых напряжений. Сдается что на западе считают как-то иначе...

 

По поводу момента я понимаю, что вы пишите. Но вы рассматриваете случай устоявшегося движения, когда вал без нагрузки. А я спрашиваю про момент пуска. Какой момент действует при разгоне. Дело в том, что при расчете времени разгона в формуле фигурирует пусковой момент и чем он выше тем быстрее происходит выход на заданную скорость. А это наводит на мысли о том, что элементы конструкции в момент пуска испытывают  нагрузки именно от пускового момента двигателя.

 

Честно говоря вопрос по моменту меня беспокоит в меньшей степени так как в целом удалось найти литературу, что происходит в механизме при пуске. А вот вопрос по расчёту шпонки все больше вызывает недоумение. Огромное число информации, которая в большей части дублируется и при этом с изделиями импортными не совпадает. Если проектировать всё с нуля вопросов конечно нет, но как только берешь покупное изделие сразу возникает вопрос - почему у них вал 60 мм, а у нас 80 или 90? И какой брать материал детали для посадки на их вал или как считать более уточнено. 

 

@bard забыл добавить, а Вы не подскажите, где можно посмотреть динамические коэффициенты режима работы?

Сколько по времени действует тот пусковой момент? Доли секунды, ну хорошо единицы секунд. Инерция первой же шестеренки его сожрет. А чем больше время разгона, тем меньше пусковой момент. Если очень хочется - считайте переменный режим нагружения, обосновывайте замену его эквивалентным. Я Вам привел расчет с цифрами, как Вы насчитали 250МПа? 180МПа - отлично вкладывается в допустимый диапазон. Насчет динамических коэффициентов не подскажу, вдруг Вам опять не понравится.

[soklakov 1 475]

В 31.03.2020 в 13:38, derder сказал:

для самого легкого режима работы (0,65*Сигма_тек)

 

В 31.03.2020 в 23:47, bard сказал:

для ударных нагрузок (0,16*Сигма_тек)

Sдоп<=Smax/k

где Smax - для стали вполне себе предел текучести.

k- коэффициент запаса, который может быть разным. видите его в своих формулах? 1/0.65 и 1/0.16.

Будете делать железку для самолета, запас будет ближе к единице с небольшим хвостиком, а будете катать на своей железке детей в парке аттракционов - ближе к десяти.

если используете точные методы расчета и хорошие материалы, можете снизить коэффициент запаса.

13 часов назад, derder сказал:

почему у них вал 60 мм, а у нас 80 или 90?

при тех же материалах и нагрузках может быть другой запас.

[derder 2]

9 часов назад, bard сказал:

Я Вам привел расчет с цифрами, как Вы насчитали 250МПа?

Вот так насчитал - сигма=4*T/h*l*d=(4*2970*1000)/11*72*60=11880000/47520=250 МПа. Цифра 2970 Н*м - максимальный момент для данного редуктора, первоначально значение была приведено в посте №4.

 

 

[bard 76]

3 hours ago, derder said:

Вот так насчитал - сигма=4*T/h*l*d=(4*2970*1000)/11*72*60=11880000/47520=250 МПа. Цифра 2970 Н*м - максимальный момент для данного редуктора, первоначально значение была приведено в посте №4.

 

 

1. По сравнению с пост №4 значение сигма снизилось, значит мы на верном пути

2. Сколько по времени действует максимальный момент? По любимому мною Иванову 

On 3/31/2020 at 11:47 PM, bard said:

стандартные шпонки изготавливают из чистотянутых стальных прутков - углеродистой или легированной стали с пределом прочности не ниже 50кгс/мм2.

значит, во время работы редуктора с максимальным моментом шпонка будет несколько перегружена. И вообще зачем я это все пишу? Кто хочет работать - ищет способы, кто не хочет - ищет причины. 

Ну скачайте буржуйский учебник по деталям машин, хотя, скорее всего, расчет шпонок засекречен.