Báo cáo Ứng dụng maple trong tính toán thiết kế cơ khí (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Ứng dụng maple trong tính toán thiết kế cơ khí (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ỨNG DỤNG MAPLE TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: T2014-91 SKC0 0 5 5 3 0 Tp. Hồ Chí Minh, 11/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG ỨNG DỤNG MAPLE TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ Mã số: T2014-91 Chủ nhiệm đề tài: Th.s Nguyễn Đức Tôn TP. HCM, Tháng 11 / Năm 2014
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG ỨNG DỤNG MAPLE TRONG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ Mã số: T2014-91 Chủ nhiệm đề tài:Th.s Nguyễn Đức Tôn Thành viên đề tài: TP. HCM, Tháng 11 / Năm 2014
4. DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH 1- Chủ trì đề tài: Nguyễn Đức Tôn 2- Đơn vị phối hợp chính:
5. MỤC LỤC Thông tin kết quả nghiên cứu 1 Mở đầu 3 Chương 1: Giới thiệu Maple 6 Chương 2: Tính toán động cơ . Phân phối tỉ số truyền cho hộp giảm tốc 2 10 cấp. Chương 3: Tính toán thiết kế truyền động xích 15 Chương 4: Tính toán thiết kế truyền động bánh răng 18 Chương 5: Tính toán thiết kế trục truyền động trong hộp giảm tốc 2 cấp 29 Kết luận và kiến nghị 45 Tài liệu tham khảo 46
6. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Khoa Cơ khí chế tạo máy Tp. HCM, Ngày 01 tháng 11 năm 2014 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Ứng dụng Maple trong tính toán thiết kế cơ khí - Mã số: T2014-91 - Chủ nhiệm: Nguyễn Đức Tôn - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM - Thời gian thực hiện: tháng 01/2014 đến tháng 11/2013 2. Mục tiêu: Nghiên cứu sử dụng Maple trong tính toán thiết kế cơ khí - Tìm hiểu các chức năng tính toán của Maple. - Sử dụng Maple tính toán thiết kế truyền động cơ khí . Tính mới và sáng tạo: - Sử dụng Maple trong tính toán thiết kế cho phép người sử dụng tập trung giải quyết các vấn đề kỹ thuật của bài toán thay vì tính toán xử lý số liệu. - Dễ sửa chữa, cập nhật, thử nghiệm. 1. Kết quả nghiên cứu: - Ứng dụng Maple trong tính toán thiết kế các bộ truyền động cơ khí. 2. Sản phẩm: - Tập thuyết minh kèm đĩa CD chứa nội dung và kết quả nghiên cứu. 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Kết quả nghiên cứu hoàn toàn có thể đưa vào nội dung giảng dạy các môn học, đồ án tính toán thiết kế cơ khí. - Có thể ứng dụng trong thực tế. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) Nguyễn Đức Tôn 1
7. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project topic: Application of Maple in mechanic design Code number: T2014-91 Coordinator: NGUYEN DUC TON Implementing institution: University of Technical Education Ho Chi Minh City Duration: From January 2014 - November 2014 2. Objective(s): Application of Maple in mechanic design calculation: - Search for calculation functions of Maple. - Use Maple in mechanic design calculation. 3. The New and Creation of Maple: - The application of Maple allows users to concentrate on solving technical problems instead of calculating statistics. - Easy to fix, update statistics, test different methods to find the best solution. 4. Research results: - Application of Maple in mechanic design. 5. Products: - Description notes and a CD of contents and research results. 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: - Research results can be applied to lectures of every subject, calculation of mechanic design projects. - Can be applied to reality. 2
8. MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước Nhiều môn học trong trường đại học kỹ thuật đòi hỏi sinh viên phải thực hiện công việc tính toán dữ liệu ở dạng số. Cụ thể các môn: Sức bền vật liệu, dao động, nguyên lý - chi tiết máy. Trong các đồ án môn học thuộc lĩnh vực tính toán, thiết kế như Thiết kế hệ dẫn động cơ khí công việc tính toán càng chiếm khá nhiều công sức và thời gian của sinh viên. Tính toán thiết kế trong lĩnh vực cơ khí là một yêu cầu được coi trọng không những trong môi trường học tập mà còn cả trong thực tế sản xuất. Trong các trường đại học ở Việt nam, cụ thể ở trường đại học Sư phạm kỹ thuật việc thực hiện các môn học, đồ án thường được sinh viên tính bằng tay. Điều này dễ dẫn tới sai sót nhầm lẫn trong khâu xử lý, tính toán số liệu. Việc sửa chữa, cập nhật thử nghiệm các phương án để tìm kết quả tối ưu càng khó khả thi đối với người học. Ở một số trường đại học còn áp dụng bảng tính Excel trong tính toán thiết kế. Phương pháp này tuy giảm thiểu công sức tính toán nhưng không thể hiện được quá trình thiết kế một cách tường minh. Các phần mềm toán thường được sinh viên kỹ thuật sử dụng, phổ biến nhất là Matlab, Mathematica, Maple Maple là ngôn ngữ sử dụng dạng ký hiệu rất quen thuộc và gần gũi vời con người. Khả năng tính toán cũng như chức năng đồ họa của Maple rất mạnh hoàn toàn có thể đưa vào giải quyết phần tính toán của các bài toán thiết kế cơ khí. Tuy nhiên có một thực trạng ở Việt nam cũng như trường ta, việc tìm hiểu để ứng dụng Maple giải quyết các bài toán toán thiết kế cơ khí gần như chưa được chú ý. Tính cấp thiết Tính toán thiết kế máy là một trong những nội dung không thể thiếu trong chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí . 3
9. Trong thiết kế máy, công việc tính toán xử lý số liệu là một công việc khá nặng nề chiếm nhiều thời gian và dễ dẫn tới nhầm lẫn sai sót làm sai lệch kết quả., đặc biệt nếu thực hiện thủ công bằng máy tính cầm tay như ở trường ta. Ngoài vấn đề sai sót nhầm lẫn, việc tính toán thủ công còn có mặt hạn chế đối với sinh viên trong công việc sửa chữa cập nhật cũng như thử nghiệm các phương án để tìm lời giải tối ưu cho bài toán thiết kế. Trước tình hình thực tế , việc nghiên cưú tìm hiểu khả năng ứng dụng của Maple trong học tập giảng dạy tính toán thiết kế máy cho sinh viên ngành cơ khí là yêu cầu cấp thiết. Ở nước ta, tài liệu học tập, sách vở tham khảo về ứng dụng Maple trong cơ khí rất ít. Các tài liệu thường thiên về hướng lập trình gây khó khăn cho sự tiếp cận Maple về mặt ứng dụng. Đề tài “Ứng dụng Maple trong tính toán thiết kế cơ khí” nhằm giải quyết các vấn đề nêu trên Nghiên cứu áp dụng Maple vào học tập sẽ giúp việc học các môn nặng về tính toán sẽ trở nên hiệu quả đối với sinh viên cũng như người dạy. Mục tiêu Đề tài “Ứng dụng Maple trong tính toán thiết kế cơ khí” nhằm giải quyết các vấn đề: - Thay thế việc tính toán thủ công bằng tính toán tự động. - Giúp người học tập trung giải quyết các vấn đề của bài toán thay vì tập trung vào việc tính toán số liệu. - Giảm độ phức tạp trong tính toán, nâng cao hiệu quả trong quá trình thiết kế. - Mở rộng phạm vi các bài toán kỹ thuật có thể giải quyết. Cách tiếp cận - Tìm hiểu các môn học (lý thuyết và đồ án), trong đó khối lượng tính toán chiếm nhiều thời gian và công sức. - Tìm hiểu khả năng tính toán, vẽ đồ thị của Maple trong các bài toán kỹ thuật. - Tính hiệu quả và khả năng ứng dụng Maple vào giảng dạy và học tập các môn học. 4
10. Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu việc tính toán, xử lý số liệu. - Tìm hiểu khả năng ứng dụng Maple trong phạm vi các bài toán cần giải quyết. - Ứng dụng Maple giải các bài toán thiết kế có khối lượng tính toán lớn. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài “Ứng dụng Maple trong tính toán thiết kế cơ khí” là các bài toán thuộc các môn học lý thuyết và đồ án yêu cầu sinh viên phải thực hiện khối lượng tính toán phức tạp. Sử dụng Maple trong tính toán xử lý số liệu của bài toán Nội dung nghiên cứu. Đề tài “Ứng dụng Maple trong tính toán thiết kế cơ khí” bao gồm các bước thực hiện các nội dung sau đây: - Tìm hiểu các môn học đặc thù cần tính toán nhiều của sinh viên cơ khí. - Tìm hiểu cách sử dụng Maple trong các bài toán , đồ án của các môn học. - Đánh giá tính hiệu quả của việc ứng dụng Maple trong tính toán thiết kế. 5
11. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MAPLE I. Giới thiệu Maple là một phần mềm tính toán do hãng Maple Soft. Cho đến nay Maple đã phát hành qua nhiều phiên bản, ngày càng hoàn thiện. Với Maple người sử dụng có thể: - Thực hiện tính toán với khối lượng lớn, tốc độ xử lý nhanh và độ chính xác cao. Giải phương trình với điều kiện ban đầu , , cho kết quả nghiệm: - Cung cấp khả năng đồ họa 2D & 3D 6
12. - Các file Maple cho phép trình bày tài liệu tính toán ở dạng kết hợp văn bản, nội dung tính toán, đồ họa ở dạng tài liệu tương tự các văn bản dạng ấn phẩm kỹ thuật chính thức. - Các xử lý số liệu: tính toán, giải phương trình, hệ phương trình đa phần có thể thực hiện qua thao tác click chuột. 2. Maple có thể làm việc ở hai mode: - Document mode - Worksheet mode Thường sử dụng kết hợp cả hai để tạo tài liệu thiết kế có dạng như ấn phẩm dùng trong xuất bản. II. Ứng dụng Maple trong tính toán, thiết kế ngành cơ khí Bài viết trích dẫn một phần các tính toán sinh viên thường phải thực hiện trong quá trình làm đồ án môn học Nguyên lý- Chi tiết máy ở trường đại học Sư phạm kỹ thuật. Sử dụng Maple để trình bày văn bản, thực hiện tính toán bao gồm các bước xử lý số liệu, cập nhật, thử nghiệm các phương án , xuất kết quả ở dạng bảng, đồ thị. Điều này giúp sinh viên tập trung thực hiện các bước trong qui trình thiết kế, lựa chọn phương án tối ưu, giảm thiểu tối đa công sức tính toán nếu thực hiện đồ án một cách thủ công như hiện nay. Bài toán: Tính toán các trục trong hộp giảm tốc bánh răng phân đôi với các số liệu sau: - Công suất trên trục vào của hộp giảm tốc: kW. - Số vòng quay vg/ph. - Tỉ số truyền - Trên đầu vào của trục 1 lắp bánh đai, lực tác dụng từ đai lên trục N - Chiều rộng vành răng mm, mm - Bán kính bánh răng mm, mm - Góc nghiêng của bánh răng phân đôi > o Giải: - Tính giá trị phản lực tại các gối đỡ Thiết lập hệ phương trình có chứa các phản lực tại gối đỡ. Maple sẽ giải và cho biết các giá trị và chiều của các phản lực tại các gối đỡ. Trục I: 7
13. ⇒ N; N ⇒ ; - Vẽ biểu đồ nội lực: Thiết lập biểu thức tính toán giá trị nội lực theo vị trí mặt cắt: Trục II Maple sẽ vẽ biểu đồ nội lực và cho biết giá trị nội lực tại các vị trí tiết diện tương ứng: Nmm; Nmm; Nmm; Nmm; Nmm - Xác định hệ số an toàn ở các tiết diện nguy hiểm của các trục theo công thức Chọn , cho thấy các tiết diện nguy hiểm trên ba trục đều đảm bảo an toàn về mỏi. Kết quả tính toán hệ số an toàn đối với các tiết diện của ba trục sẽ được Maple ghi trong bảng ở cột S: 8
14. - Tính kiểm nghiệm độ bền của then: Tiết diện 33 không thỏa điều kiện: MPa Tại tiết diện 33, chọn tăng chiều dài then mm và sử dụng hai then đặt cách nhau : Mpa ≤ MPa ( Nhìn vào cách tính toán thiết kế trục được trích dẫn ở dạng tài liệu Maple có thể thấy giao diện rất trực quan. Đa phần các thao tác xử lý được thực hiện thông qua các pallete, nhấp chuột. Việc lập trình không nhất thiết được đặt ra, hoặc hạn chế ở mức tối thiểu để tự động hóa nội dung tính toán. - Tài liệu thiết kế thể hiện rõ qui trình thiết kế, các bước thực hiện. Người sử dụng chỉ cần tập trung vào các vấn đề kỹ thuật nảy sinh trong thiết kế. - Việc tìm hiểu và ứng dụng Maple trong học tập không mất nhiều thời gian. 9
15. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ. PHÂN PHỐI TỈ SỐ TRUYỀN TRONG HỘP GIẢM TỐC HAI CẤP Số liệu thiết kế: Công suất trên trục thùng trộn, P=9,5 (kw) Số vòng quay trên trục thùng trộn, n=42(v/p) Thời gian phục vụ, L=6 năm Quay một chiều, làm việc 2 ca, tải va đập nhẹ. (1 năm làm việc 250 ngày, 1 ca làm việc 8 giờ) Chế độ tải: T1= T ; T2= 0,7T t1= 36 giây ; t2 =15 giây 10
16. GIẢI I. Tính toán động cơ Công suất trên trục động cơ được xác định theo công thức: Pt Pct = Pt - công suất tính toán trên trục máy công tác, kW; - hiệu suất truyền động. Tải trọng thay đổi nên Pt = Ptd t = 36 s; t = 15 s; t = 51s 1 2 ck P = 9.5 kW; P = 1 P ; P = 0.7 P lv 1 lv 2 lv 2 2 P i t P i i = 1 lv P = P = P = 8.76 kW t td lv 2 t i i = 1 Hiệu suất truyền động x = 0.96; br = 0.97; ol = 0.99; kn = 0.98 2 4 = x br ol kn = 0.82 Công suất trên trục động cơ: Pt Pct = = 10.62 kW Xác định số vòng quay sơ bộ của động cơ nsb : ux = 3; uh = 11; nlv = 42 vg/ph ut = ux uh = 33 nsb = nlv ut = 1386 vg/ph Chọn động cơ: Động cơ được chọn phải có công suất Pdc và số vòng quay đồng bộ thỏa mãn điều kiện: Pdc Pct ndb nsb Chọn động cơ 4A160S4Y3 : ndb = 1500 vg/ph Pdc = 15 kW; ndc = 1460 vg/ph 11
17. II. Phân phối tỉ số truyền Tỉ số truyền của hệ dẫn động: ndc ut = = 34.76 nlv ut = ux uh Từ uh = 11, đối với hộp giảm tốc đồng trục sử dụng công thức để phân u1, u2: u1 = u2 = uh = 3.32 Tính lại ux theo u1, u2: ut ux = = 3.16 u1 u2 Xác định công suất, mômen và số vòng quay trên các trục: Công suất Pi trên các trục : Plv P4 = = 9.60 kW ol P4 P3 = = 10.10 kW ol x P3 P2 = = 10.51 kW ol br P2 P1 = = 10.95 kW ol br P1 Pdc = = 11.17 kW kn Số vòng quay ni trên các trục: ndc = 1460 vg/ph n1 = ndc = 1460 vg/ph n1 n2 = = 440 vg/ph u1 n2 n3 = = 133 vg/ph u2 n3 n4 = = 42 vg/ph ux Mômen Ti trên các trục: 6 9.55 10 P1 T1 = = 71617.41488 Nmm n1 12
18. 6 9.55 10 P2 T2 = = 228205 Nmm n2 6 9.55 10 P3 T3 = = 724993 Nmm n3 6 9.55 10 P4 T4 = = 2181938 Nmm n4 Bảng thông số: Trục Động Trục 1 Trục 2 Trục 3 Trục Thông số cơ băng tải Công suất P 11.17 10.95 10.51 10.10 9.60 (kW) Tỉ số truyền u | 1 | 3.32 | | 3 . 3 2 | 3 .16 Số vòng quay n 1460 1460 440 133 42 (vg/ph) Moment T 71617 228205 724993 2181938 (Nmm) 13
19. III. Tính toán bộ truyền xích Số liệu tính toán: Công suất (P3) 10.10 kW Số vòng quay bánh dẫn (n3) 133 vg/ph Tỉ số truyền (ux) 3.16 Điều kiện làm việc - Quay một chiều, làm việc hai ca - Tải va đập nhẹ, bôi trơn nhỏ giọt - Trục đĩa xích điều chỉnh được 14
20. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TRUYỀN XÍCH Tính toán thiết kế: 1. Chọn xích ống con lăn ba dãy. 2. Chọn số răng đĩa xích: Zmin = 19; Zmax = 120 Z1 = 29 2 ux = 23 Kiểm tra điều kiện: Z1 Zmin: true Chọn Z2 = ux Z1 = 73 Kiểm tra điều kiện: Z2 Zmax: true Xác định bước xích p: Công suất tính toán Pt P K Kz Kn Pt = Kdx K0 = 1 Hệ số kể đến ảnh hưởng của vị trí bộ truyền Ka = 1 Hệ số kể đến khoảng cách trục và chiều dài xích với a = (30 50)p Kdc = 1 Hệ số kể đến ảnh hưởng điều chỉnh lực căng xích Kbt = 1 Hệ số kể đến ảnh hưởng của bôi trơn Kd = 1.2 Hệ số tải trọng động, kể đến tính chất của tải trọng Kc = 1.25 Hệ số kể đến chế độ làm việc K = K0 Ka Kdc Kbt Kd Kc = 1.50 Zo1 25 Hệ số số răng đĩa xích Kz = = = 1.09 Z1 Z1 200 Hệ số vòng quay Kn với n01 = 200 vg/ph; Kn = = 1.50 n01 Hệ số phân bố không đều tải trọng cho các dãy: chọn xích con lăn 3 dãy Kdx= 2.5 P K Kz Kn Công suất tính toán Pt = = 9.90 kW Kdx Theo bảng 5.5 trang 81, ứng với công suất cho phép Pt = 11 kW Pt chọn bước xích: p = 25.4 mm 15
21. Kiểm tra số vòng quay tới hạn ứng với bước xích Tra bảng 5.8 trang 83 số vòng quay tới hạn ứng với p = 25.4 mm: ntoihan = 800 vg/ph Kiểm tra điều kiện n1 ntoihan : 133 800 (true) P K Kiểm nghiệm bước xích: p 600 3 Z1 n1 p0 Kdx , tra bảng p0 = 30 MPa 3 P K p 600 25.40 24.25 : true Z1 n1 p0 Kdx Chọn sơ bộ khoảng cách trục a = (30 50)p a = 40 p = 1016 mm Số mắt xích: 2 2 a Z1 Z2 Z2 Z1 p X = = 130 p 2 2 4 a Kiểm tra số mắt xích là chẵn X = 130 Tính chính xác khoảng cách trục a 2 2 Z1 Z2 Z1 Z2 Z2 Z1 a = 0.25 p X X 8 = 1021.40 mm 2 2 2 Giảm khoảng cách trục a = 0.002 0.004 a : a = a 1 0.003 = 1018.34 mm Số lần va đập của xích: Z1 n1 i = = 2 < [i] = 25 (tra bảng) thỏa điều kiện: true 15 X Kiểm tra xích theo hệ số an toàn s: Q s = s kd Ft F0 Fv n1 Z1 p Vận tốc xích v = = 1.29 m/s 60000 1000 P3 Lực vòng F = = 7797 N t v Tải trọng phá hỏng Q = 170100 N tra theo bảng 5.2 trang 78 Fv : Lực căng do lực ly tâm sinh ra q: khối lượng 1m xích tra trong bảng 5.2 trang 78, q = 7.5 kg 2 Fv = q v = 12.58 N 16
22. S K L 0 0 2 1 5 4