VUT BRNO - FS Datum zadání: 28. 2. 2002 Název: OČÍTAČOVÉ NAVRHOVÁNÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ Semestrální projekt Vypracoval: Jiří Sklenářík Ročník: 4 Kruh: 96 Školní rok: 2001/2002 Datum ukončení vypracování: 1. 6. 2002 ÍSTOVÝ KOMRESOR
Zadání: Zadání tématu pro semestrální projekt - roč. IV (4.ročník, 28.2.2002) Semestrální projekt letní semestr 2002 Kompresor pro stanici stlačeného vzduchu pro lakýrnickou stříkací pistoli arametry kompresoru: pístový kompresor počet pístů neomezen výstupní tlak: max 0,6Ma skříň kompresoru opatřena patkami pro přišroubování ke vzduchojemu Výrobní technologie kompresoru: tlakové lití třískové obrábění ohon: asynchronní motor 350W/1450min-1 arametry stanice: objem vzduchojemu 30l Výstup semestrálního projektu: 1. Technická zpráva (2. Výkresová dokumentace kompresoru výkresy uložené v odpovídajícím formátu v elektronické podobě) (3. Schéma zapojení stanice) ( ) z časových důvodů odstraněno ze zadání Osnova rozvrhových jednotek 1. Zadání tématu semestrálního projektu, výběr systému CAD, vyhledání podkladů pro vyřešení zadání 2. Dokončení vyhledání podkladů, vytvoření koncepčních návrhů návrh ve skice 3. Dokončení tvorby koncepčních návrhů, výběr nejlepší varianty. 4. Zahájení rozměrového výpočtu využití výpočtových modulů obsažených v systémech CAD, výpočtové programy, tabulkové procesory, manuální výpočty 5. ráce na rozměrovém výpočtu konzultace výsledků výpočtu 6. Dokončení rozměrového výpočtu konzultace výsledků výpočtu 7. Zahájení práce na součástech 3D modelu. 8. ráce na součástech 3D modelu 9. ráce na součástech modelu, tvorba sestavy 10. Dokončení sestavy kontrola vytvořené sestavy kolize. 11. Zahájení práce na vytvoření technické zprávy 12. Dokončení technické zprávy a tvorba výkresové dokumentace 13. Dokončení tvorby výkresové dokumentace.vytvoření vizualizace a animace sestavy. 14. Dokončení tvorby technické zprávy a odevzdání řidělení CAD studentům: Solid Works: Solid Designer (ro Engineer): Catia: Ansorge Bukovský Burian Dobiáš Hanák Houdek Hrabálek Hranický Hrbek Kunický Mareček Martínek ospíchal Sklenářík Suchý
Rozbor zadání: Kompresory objemové (pístové) jsou vhodné pro dodávky malých a středních množství plynu do 6000 m 3 /h někdy až 25 000 ístový kompresor má písty konající přímočarý vratný pohyb. U pístových kompresorů se tlakový poměr volí 3 až 5 v jednom stupni. Jednostupňové kompresory - stlačení plynu z tlaku sacího na tlak konečný se uskuteční při jedné operaci. Nízkotlaký kompresor výtlačný tlak do 2,5 Ma U jednostupňového kompresoru nastává stlačení nasávaného plynu z tlaku sacího na konečný výtlačný tlak v jednom pracovním prostoru při jednom pracovním zdvihu pístu. Ventil destičkový, je nejpoužívanějším ventilem. V sedle l jsou obvykle jeden až čtyři mezikruhové kanálky, uzavírané jednotlivými kroužky nebo destičkou 2. Na destičku působí shora svazek plochých pružin 3 (obvykle a až 3) nebo (na kroužky) několik vhodně rozmístěných šroubovitých pružinek. Mezi těsnicí deskou a nárazníkem 5 bývá vložena tlumicí deska 4, která tlumí tvrdé nárazy a zlepšuje tak činnost ventilu. Těsnicí deska je osově vedena nejčastěji středním vodícím kroužkem 6, proti natáčení je zajištěna kolíkem 7. Všechny součásti jsou středním šroubem s korunovou maticí pevné staženy mezi sedlo a nárazník. V každém válci musí byt nejméně jeden ventil sací a jeden výtlačný.
VÝOČET HLAVNÍCH ROZMĚRŮ ÍSTOVÉHO KOMRESORU Hlavní rozměry pístového stroje jsou průměr válce D, zdvih pístu L a otáčky n. ro jednostupňový kompresor (nebo pro první stupeň několikastupňového kompresoru) se tyto hlavní rozměry počítají z výkonnosti: i - je počet činných ploch pístů prvního stupně 2 D1 S1 4 D 1 [m] - průměr válce prvního stupně L [m] - zdvih pístu n [s -1 ] - otáčky η d - dopravní účinnost π [m 2 ] - plocha pístu prvního slupne & i S 1 L n η d [m 3 s -i ] V b) U strojů, kde z plochy S 1 lze přímo vypočítat průměr D 1, postupujeme tak, že volíme otáčky (závisí na velikosti stroje a způsobu pohonu) a poměr zdvihu k průměru, tedy ϑ D 1 Tím eliminujeme ze tří neznámých dvě a pro výpočet D 1 pak máme rovnici ak zdvih 1 1,2 až 6 m s -1 ). & 2 i D1 ϑ D1 n ηd [m 3 s -i ] V D π 4 1 3 L 4 V& i π ϑ n η L ϑ D [m]. Následuje kontrola střední pístové rychlosti; ta má být v určitých mezích (podle typu a velikosti kompresoru oměr ϑ se volí rovný asi l (u nízkotlakých rychloběžných strojů bývá 0,5 až l, u chladicích kompresoru 0,8 až 1,2; u vysokotlakých kompresoru až 6). Střední pístová rychlost u kompresorů male výkonnosti bývá asi kolem 2 m s -1, u středních asi 4 m s -1, u velkých strojů asi kolem 5 m s -1. U pojízdných kompresorů se volí až 7 m s -1. Vypočtené rozměry se zaokrouhlí (např. průměr válce podle normalizovaných průměrů pístních kroužků) a kontroluje se výkonnost. Tolerance výkonnosti je ±7 %, resp. ±5 % pro výkonnosti do 4 000 m 3 h -1, resp. nad 4 000 m 3 h -1 (podle ČSN 105041). d [m]
EFEKTIVNÍ ŘÍKON KOMRESORU říkon, který musíme přivést na hřídel kompresoru, je příkon efektivní nebo skutečný, ef. Můžeme jej určit buď z teoretické práce izotermické nebo adiabatické, nebo z práce indikované, a to pomocí energetických účinností. a) Teoretické příkony Dosadíme-li do rovnice pro práci izotermickou, resp. adiabatickou tlak p 1 [a], objem V [m 3 s -1 ], bude výsledek udávat přímo příkon izotermický is, resp. adiabatický ad [N m s -1 ] čili [W]: is p 1 V 1 ln π [W] κ 1 κ κ ad p 1 V1 π 1 [W] κ 1 říkon chladicího kompresoru počítáme pomocí diagramu i-p chladiva, z něhož odečítáme adiabatickou technickou práci pro l kg chladiva jako rozdíl entalpií plynu za kompresorem a před ním i 2 - i 1 [Jkg -1 ] Je-li m [kg s -1 ] množství obíhajícího chladiva, bude ad m(i 2 - i 1 )[W] b) Indikovaný příkon Z indikované práce vypočteme příkon ze vztahů cs S 2 i pi S L n pi [W] kde p i [a] je střední indikovaný tlak S [m 2 ] plocha pístu L [m] zdvih pístu n [s -1 ] otáčky c s [m s -1 ] střední rychlost pístu Energetické účinnosti oměr příkonu izotermického, resp. adiabatického a indikovaného nazýváme indikovanou izotermickou, resp. adiabatickou účinností: η η is ad is ad i i Efektivní příkon je o ztráty třením větší než příkon indikovaný. Jejich poměr je mechanická účinnost η i m ef Součin účinnosti indikované a mechanické dává celkovou účinnost, a to izotermickou η cis η η is m nebo adiabatickou η η η is i i ef is ef ad i ad cad ad m i ef ef Efektivní příkon Tento příkon tedy určíme za pomoci uvedených účinností z těchto rovnic: ef is η ics is η cis i η m Určení výkonu poháněcího motoru Výkon elektromotoru se volí asi o 15 % vyšší než efektivní příkon kompresoru, výkon spalovacího motoru asi o 25 % vyšší. Bere se tak zřetel na možné zvýšeni tlakového poměru provozními vlivy i na to, že účinnost motoru je nejvyšší asi při 75 % zatížení. ři pohonu kompresoru pomocí převodu je třeba respektovat účinnost převodu ef elm 1,15 η p Součin všech účinností dává účinnost soustrojí: ηsis ηcis η p ηmot ηsad ηcad η p ηmot Hodnoty účinností Mechanická účinnost u kompresorů s křižákem bývá 88 až 96 %, u malých strojů bez křižáku asi 80 až 85 %. U strojů chlazených vzduchem dmýchaným ventilátorem je tato účinnost nižší, protože příkon kompresoru je vyšší o příkon ventilátoru (tj. až asi o 5 %). Celková izotermická účinnost bývá u menších kompresorů asi 40 až 50 %, u větších kompresorů asi 50 až 65 %. Celková adiabatická účinnost bývá u menších kompresoru asi 50 až 70%, u větších strojů 55 až 80%. Uvedené hodnoty platí pro vzduch a plyny podobné hustoty. ři stlačování lehkých plynů se dosahuje vyšších účinností, u těžších plynů nižších. Účinnost převodu klínovými řemeny je asi 90 až 95 %.
Volba typu konstrukce kompresoru: Vzhledem k zadání a prostudování podkladů zvolen: jednostupňový pístový kompresor, sací a výtlačný ventil - vlastní konstrukce Koncepční návrh:
Výkon motoru motor 350 W ZADÁNO Efektivní příkon ef 297,5 W ef je asi o 15% menší než motor Otáčky motoru n 1450 1/min ZADÁNO řevod klínovým řemenem n2 725 1/min řevodový poměr i 2 Vstupní tlak 1 100000 a atmosférický: Brno 267m nad mořem 98520 a Výstupní tlak 2 600000 a ZADÁNO max. 0.6 Mpa Tlakový poměr π 6 Objemový tok V1 0,00012439 m3/s V π/4*d^3*θ*n*ηd 0,007463419 m3/min Vzdušník 30l 0,03 m3 Naplnění vzdušníku za 4,019605581 min (musí být naplněn max. do 10min) Otáčky n 725 1/min 12,08333333 1/s Dopravní účinnost ηd 0,8 80% 0.5 až 0.8 oměr zdvihu ku průměru θ 0,5 θ L / D 0.5 až 1 růměr válce D 0,032 m D ( (4*V1)/(π*θ*n*ηd) )^(1/3) Zvoleno vzhledem k výkonu motoru 32 mm 32 mm Zaokrouhleno vůči pístním kroužkům Zdvih L 16 mm L D * θ 0,016 m Střední pístová rychlost Cs 0,386666667 m/s Cs 2*L*n [m/s] (L*n)/30 [m/s;m,1/min] 0,4 m/s Zaokrouhleno Zdvihový objem Vz 1,2868E-05 m3 Vz ((π * D^2) / 4)*L locha pístu S 0,000804248 m2 S (π * D^2) / 4) Síla působící na píst F 482,5486316 N F ((π * D^2) / 4)* [N;m,a] Výpočet ventilu Střední rychlost plynu v průtočné ploše w 40 m/s do tlaku 1Mpa růtočná plocha ventilu Sv 8,04248E-06 m2 Sv (S * Cs) / w 0,080424772 cm2 Zdvih ventilové desky h 1,5 mm 0.8 až 3 mm Obvod hran na které dosedá těsnící deska o 0,005361651 m 5,361651462 mm 1,706666667 Dosedací rychlost ventilu w 0,113882734 m/s wω*h(π*n*h)/30 < 0.3 m/s Maximální síla na plochu ventilu Fvmax 188,4955592 N Maximální síla na pružinu Fmax 0,016084954 kg Fmax Sv * (0.05 až 0.25) kg Síla na pružinu při uzavřeném ventilu Fpvoff 0,011259468 N (0.6 až 0.8)*Fmax Střední poloměr pružiny r 0,47 cm dovolené namáhání v krutu kk 1500 kg/cm2 pro ocelovou pružinu 1500 až 3000 kg/cm2 růměr drátu šroubové pružiny d 0,029498426 cm d ( (16* Fmax * r) / (π*kk) )^(1/3) 0,294984263 mm 0,3 mm největší stlačení pružiny y 0,5 cm h / ( 0,2 až 0,8) Modul pružnosti ve smyku Gs 850000 kg/cm pro ocel Gs 850000 kg/cm2 očet činných závitů pružiny n 3,220924668 n (Gs * d^4 * y) / (64 * Fmax * r^3) evnostní kontrola pístu vnitřní průměr válce D1 26 mm tloušťka dna pístu t 3 mm ohybové napětí σ 17,06666667 Ma σ Mo/Wo, Wo 1/6*D*t^2, Mo 1/6*F*D/π σdo 40 Ma pro litinu 40 až 60 Ma hlinikové slitiny lité 20 až 40 Ma Návrh pístního čepu vnější průměr čepu Dč 8,96 10 mm Dč (0.28 až 0.3) * D vnitřní průměr čepu dč 4,48 5 mm dč (0.5 až 0.7) * Dč délka čepu lč 25,92 26 mm lč (0.8 až 0.85) * D mezera pro ojnici b 11,648 12 mm b (1.2 až 1.5) * Dč Kontrola pístního čepu na ohyb Ohybové napětí σo 17,03936 Mpa σo ((F/2) * ( ((lč-b)/4) + (b/4) )) / ((π/32) * ((Dč^4-dč^4)/Dč)) Dovolené ohybové napětí σdo 150 až 170 Mpa běžná cementační ocel Kontrola na otlačení Tlak mezi čepem a ojničním okem p 0,000670206 Mpa p F/(b*Dč) pdo 15 až 40 Mpa bronzové pouzdro
Návrh ojnice oloměr klikové kružnice r 8 mm r L / 2 Délka ojnice lo 45 mm lo (3.5 až 5) * r Rozměr dříku x 3 mm Rozměr dříku y 6 mm růřezová plocha dříku So 18 mm2 Kontrola ojnice Tlakové napětí na ojniční dřík σd 26,80825731 Mpa σd F / So σdo 120 Mpa ocel 120 až 200 Mpa Moment setrvačnosti Jx 54 mm4 Jx (x * y^3)/12 Jy 13,5 mm4 Jy (x^3 * y)/12 oloměr setrvačnosti ix 1,732050808 mm ix odmocnina(jx/so) iy 0,866025404 mm iy odmocnina(jy/so) Štíhlostní poměr λx 25,98076211 λy 51,96152423 λ < 60 Tlak, Tetmajer 60 < λ < 105, Euler λ > 105 Bezpečnost k 5 vzpěr > kvz 10 až 15 (pro kompresory) Tlakové napětí na ojnici σ 134,0412866 Mpa σ (F / So)*k Klikový hřídel průměr klikového čepu dkh1 10,1627083 mm dkh1 0.41*D*odmocnina(max) 12 mm lkh1 12 mm lkh1 (1 až 1.2)*dkh1 průměr ložiskového čepu dkh2 10,9063211 mm dkh2 0.44*D*odmocnina(max) 15 mm výška ramen hkh 7,2 mm hkh (0.5 až 0.7) * dkh1 7mm šířka ramen bkh 15 mm Kroutící moment na klice od motoru Mk 3,918504461 Nm Mk / 2 π n 3918,504461 Nmm Max Síla na klice F 489,8130576 N F Mk / r α 90 Max. Síla na klice od Mk Fkpmax 482,5486316 N Fkpmax F*( sinα + ( (r/lo)/2 )*sin2α )
rero na hřídeli ero 3 x 3 b 3 mm l 20 mm t 1,7 mm t1 1,3 mm Kontrola pera na sřih τ s 13,06168154 Mpa τs (2*Mk)/(b*l*d) τ ds 65 až 105 Ma Kontrola na otlačení v náboji p 30,14234201 Ma (2*Mk)/(t1*l*d) pd 105 Mpa Litina (Řemenové kolo) Ložiska Ložisko 6002 kuličkové jednořadé C 4300 N Co 2500 N d 15 D 32 B 9 r 0,5 Výpočtem kontrolováno pomocí vlastního programu napsaného v Delphi 5 (podklady: strojnické tabulky) Kontrola šroubů válce růměr šroubu D 4 mm d1 3,242 mm d2 3,545 mm d3 3,141 mm počet šroubů n 4 mez kluzu Re 294 Ma pro mech. vlastnosti 5D - ocel výpočtový průřez závitu As 2,62558606 mm2 As (π/4)*((d2+d3)/2) Napětí v tahu na jeden šroub σt 45,94675441 Ma σt F/(n*As) Dovolene napětí na jeden šroub σdo 88,2 Ma σdo 0.3 * Re pro míjivé zatížení Kontrola tlaku v závitu matice výška matice m 3,3 mm hloubka závitu matice H1 0,379 mm H1 (D-d1)/2 počet závitů matice z 0,825 mm z m/d tlak v závitech jedné matice 34,64350514 Ma F/(n*π*d2*H1*z) dovolený tlak do 46 Ma Litina
ístní kroužky: t 1.3 ± 0.08mm h b 2mm v sražení vnitřních hran 0.3 až 0.4 Šířka spáry max0.3 min0.15 Stírací kroužek: Závěr výpočtu - komentář: Konečná varianta výpočtu plně vyhovuje zadaným podmínkám. Motor byl zpřevodován pomocí řemenového převodu klínovým řemenem (převodový poměr i 2) otáčky hřídele kompresoru jsou 725 min -1. růměr pístu je 32 mm a zdvih 16 mm. K naplnění vzdušníku o objemu 30 litrů dojde za 4 minuty (požadavek byl do 10 min) na maximální tlak 0,6 Mpa. Konstrukční a montážní poznámky: Mazání kompresoru probíhá broděním klikového hřídele v olejové lázni. Místo těsnění (papírového nebo pryžového) mezi hlavou a válcem, válcem a skříní, víky a skříní je použito těsnící pasty. ro montáž a demontáž ventilů slouží speciální klíč. ro montáž a demontáž ventilů vůči hlavě slouží speciální klíč. Skříň, válec, hlava, klikový hřídel, ojnice, píst, víka - jsou tlakově lity a pak obrobeny.
řehled normalizovaných částí: Zátka M8x1 ČSN 021915.12 - má sníženu výšku hlavy šroubu z 6 mm na 3.5 mm - slouží k nalévání oleje a také jako olejoznak. ryžové těsnění pro zátku je 8x12 ČSN 029310. Šroub M3x4 ČSN 021146.20 - slouží k vypouštění oleje ryžové těsnění pro něj je 3x5. Šroub M4x7 ČSN 021101.10 - délka šroubu upravena (délka šroubu l 7mm) - spojuje skříň a válec Šroub M4x16(10) ČSN 021143.52 - délka šroubu upravena (délka šroubu l 16 mm, délka závitové části 10 mm) - spojuje díly spodního oka ojnice Šroub M4x13(5) ČSN 021143.52 - délka šroubu upravena (délka šroubu l 13 mm, délka závitové části 5 mm) - spojuje hlavu a válec Šroub M4x7 ČSN 021143.52 - délka šroubu upravena (délka šroubu l 7mm) - spojuje víka a skříň Ložisko 6002 - kuličkové jednořadé Gufero 14x24x7 ČSN 029401.0 Kroužek 10 ČSN 022931
Ventily vlastní konstrukce - pohledy: Ventil SACÍ Ventil VÝTLAČNÝ
Kompresor - pohledy Hlava Válec Zátka M8x1 s pryžovým těsněním Skříň Víko Šroub M3 s pryžovým těsněním
oužitá literatura: [1] - Chlumský a Liška : Kompresory 1.vydání, raha-bratislava, SNTL - ALFA, 1978 [2] - Chlumský : ístové kompresory 2.vydání, raha, SNTL, 1958 [3] - Bolek, Kochman a kol. : Technický průvodce 6 - Části strojů - 2. svazek 5.vydání, raha, SNTL, 1990 [4] - Vávra,. a kol. : Strojnické tabulky pro SŠ strojnické 1.vydání, raha, SNTL, 1983 [5] - Svoboda,. a kol. : Základy konstruování-výběr z norem pro konstrukční cvičení 5.vydání, Brno, C-DIR, 1998 ozn.: Obrázky kompresoru, jeho částí, součástí, řezů použitých v dokumentaci, jsou sejmuty z pohledů programu Autodesk Inventor 5 v němž je kompresor rovněž vymodelován. říloha v elektronické podobě: Samorozbalovací archiv Dokumentace Kompresor_JS.exe obsahující soubory: Model kompresoru (jednotlivé díly, pod sestavy a sestava) v CATIA Semestrální projekt_kompresor.doc Kompresor_výpočty.xls!SESTAVA.CATroduct!Sestava_Ojnice01.CATroduct!Sestava_Ojnice02.CATroduct Cep.CATart Gufero.CATart Hlava.CATart KlikovyHridel.CATart Lozisko.CATart Ojnice01.CATart Ojnice02.CATart OjnicniBronzVystelka01.CATart OjnicniBronzVystelka02.CATart ist.catart istnikrouzek.catart ojistnykrouzek.catart Skrin.CATart Sroub_M3.CATart SroubImbusM4.CATart SroubImbusM4_hlava.CATart SroubImbusM4_viko.CATart SroubM4.CATart StiraciKrouzek.CATart Tesneni_M3.CATart Tesneni_M8.CATart Valec.CATart Ventil_pruzina.CATart Ventil_S.CATroduct Ventil_s_Deska1.CATart Ventil_s_Deska2.CATart Ventil_saci.CATart Ventil_V.CATroduct Ventil_v_Deska1.CATart Ventil_v_Deska2.CATart Ventil_vytlacny.CATart Viko1.CATart Viko2.CATart Zatka_M8x1-A.CATart
OBSAH Zadání... 2 Rozbor zadání... 3 Volba typu konstrukce kompresoru... 6 Koncepční návrh... 6 Výpočet... 7 Konstrukční a montážní poznámky... 10 řehled normalizovaných částí... 11 Ventily vlastní konstrukce - pohledy... 12 Kompresor - pohledy... 14 oužitá literatura... 16 Seznam příloh... 16