Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

«ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Факультет ТМ Кафедра «Теорія і системи автоматизованого проектування

механізмів і машин»

Спеціальність «Інформаційні технології проектування»

До захисту допускаю

Завідувач кафедри

Ткачук М.А.

___________________

ДИПЛОМНА РОБОТА

освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр

Тема роботи «Комп’ютерне моделювання роботи планетарної зубчатої

передачі»

затверджена наказом по НТУ «ХПІ» від 13 лютого 2012 р. № 290-ІІІ

Шифр роботи ТМ-88Б.18

Виконавець Шевченко Костянтин Михайлович

Керівник Устиненко Олександр Віталійович

Харків 2012

7

ЗМІСТ

Вступ…………………………………………………………….…..………9

1. Літературний огляд…………………………………………..………...10

2. Постановка задачі………………………………………………………15

3. Теоретичні основи рішення……………………………………………16

3.1 Загальні поняття методу скінченних елементів………………….17

3.2 Загальні поняття контактного тиску………………………………18

3.3 Загальні поняття напружено-деформованого стану……………..20

3.3.1. Напружений стан у точці……………………………….…….20

3.3.2 Класифікація напружених станів……………………..………24

3.3.3 Деформований стан в точці……………………………..…….24

3.3.4 Зв’язок між компонентами тензора деформацій та

переміщеннями…………………………………………………..…..25

4. Методика практичної реалізації……………………………….....……26

4.1. Опис конструкції та побудова комп’ютерної моделі…………….26

4.2.Розрахунок методом Герца…………………………….……….….40

5. Аналіз результатів………………………………………………..…….41

6. Охорона праці………………………………………………….……….47

6.1 Загальні питання охорони праці……………………..….………...47

6.2 Промислова санітарія…………………………………...…………48

6.2.1 Мікроклімат……………………………………...….…………48

6.2.2 Промислове освітлення…………………………………….….49

6.2.3 Електромагнітне і іонізуюче випромінювання………...….…50

6.2.4 Шум……………………………………………………….…….51

6.3 Забезпечення безпечних умов праці на робочому місці…….…..52

6.3.1 Електробезпека……………………………………….…..……52

6.3.2 Ергономічні вимоги до робочого місця………….…..………52

6.4 Пожежна безпека…………………………………...………………53

6.5 Охорона навколишнього середовища………………...….……….54

7. Економічна частина………………………………………….…………55

8

Введення………………………………………………..……………….557.1 Техніко-економічний огляд прийняття рішень……………….….55

7.2 Розрахунок витрат на науково-дослідницьку роботу (НДР)….....56

7.2.1 Заробітна плата…………………………………...……………56

7.2.2 Відрахування в бюджет……………………...………………..57

7.2.3 Витрати на матеріали………………………………...………..57

7.2.4 Витрати на електроенергію………………………...…………58

7.2.5 Витрати на воду й інші ресурси…………………………...….59

7.2.6 Витрати на устаткування і покупні вироби………….………59

7.2.7 Витрати на малоцінний інвентар……………………………..59

7.2.8 Амортизаційні відрахування………………………………….60

Висновки…………………………………………………………………..61

Список джерел інформації………………………………..………………62

9

ВСТУП

Редуктором називається механізм, який знижує кутову швидкість і збільшує

обертаючий момент в приводах від електродвигуна до робочої машини. Він

складається із зубчастих або черв’ячних передач, які встановлені в окремому

герметичному корпусі, що принципово відмінне від зубчатої або черв’ячної

передачі, вбудованої у виконавчий механізм або машину.

Редуктор широко використовують в різноманітних галузях

машинобудування, тому кількість різновидів їх дуже велика. Як наслідок, будь-

які розрахунки для вдосконалення та оптимізації його деталей вигідні та

необхідні різноманітним підприємствам.

Планетарна передача (планетарний механізм) — механічна передача на

основі зубчастих коліс, у якій геометричні осі одного або декількох коліс

(сателітів) є рухомими. Планетарні передачі з одним ступенем свободи

називають звичайними (типовими), планетарні передачі з двома ступенями

свободи називають диференціалами. Застосовуються у транспортних і

вантажопідйомних машинах, приводах станків і т. д.

Деталі планетарного механізму мають спеціальні назви:

- зубчасте колесо із зовнішніми зубами, котре розташоване в центрі

механізму, називається центральним або сонячним;

- колесо з внутрішніми зубами називають короною або епіциклом;

- колеса, осі яких рухомі, називають сателітами;

- рухома ланка, на якій встановлено сателіти, називають водилом. Його на

кінематичних схемах зазвичай позначають або цифрою, або латинською

буквою h.

В даній бакалаврській роботі використовувалися такі програмні продукти:

APM WinMachine 9.6, GearTrax 2011, SolidWorks 2008, FEMAP 10.3

10

1 ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

У роботі розглядаються питання по створенню геометричної моделі

планетарної передачі та її розрахунку контактну міцність. Спочатку ми

використовували вхідні дані видані нам, як основою для побудови моделі в

програмному комплексі APM WinMachine 9.6.

APM WinMachine — CAD/CAE-система автоматизованого розрахунку та

проектування механічного устаткування та конструкцій в області

машинобудування, розроблена з урахуванням останніх досягнень в

обчислювальній математиці, області числових методів і програмування, а також

теоретичних і експериментальних інженерних рішень. Ця система в повному

обсязі враховує вимоги державних стандартів і правил, що відносяться як до

оформлення конструкторської документації, так і до розрахунковим алгоритмам.

Користуючись «Учебное пособие по APM WinMachine» [2] ми отримали

результати по геометричним і силовим властивостям планетарної передачі.

Для розрахунку основних деталей редуктору використовувалася книга

Киркач Н. Ф., Баласанян Р. А. «Расчет и проектирование деталей машин» [1].

Геометрична модель зубчатих передач будувалася в GearTrax 2011 по

результатам розрахунків з APM WinMachine. Потім вона експортувалася в

SolidWorks 2008.

SolidWorks - система автоматизованого проектування, інженерного аналізу

і підготовки виробництва виробів будь-якої складності і призначення.

SolidWorks є ядром інтегрованого комплексу автоматизації підприємства, за

допомогою якого здійснюється підтримка життєвого циклу, включаючи

двонаправлений обмін даними з іншими Windows-додатками і створення

інтерактивної документації.

Він базуються на передових технологіях гібридного параметричного

моделювання, інтегрованих засобах електронного документообігу Solidworks

Enterprise PDM й широкого спектру спеціалізованих прикладних модулів для

забезпечення процесу наскрізного проектування усіх етапів життєвого циклу

11

виробу. САПР Solidworks дозволяє виконувати розрахунок на міцність, стійкість

деталей й вузлів у зоні пружності, здійснювати комплексний кінематичний й

динамічний аналіз механізмів, аналізувати лінійні й просторові розмірні

ланцюги, проектувати вироби із урахуванням специфіки їх виготовлення тощо.

Залежно від класу вирішуваних задач розрізняють три базові конфігурації

системи: Solidworks Standart, Solidworks Professional і Solidworks Premium.

Основою для вивчення даного програмного комплексу була книга

«SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике»

[3], в якій розглядаються програми для інженерного аналізу в сукупності із

системою проектування SolidWorks. Більш детально можна ознайомитися на

сайті SolidWorks Russia [4]. Щоб порівняти попередні версії з однією з останніх і

вирішити, чи дійсно нам потрібно обновляти програмний продукт або нам

досить того, що ми використовуємо, нам в пригоді стане «Новые возможности

SolidWorks 2011» [5].

Метод скінченних елементів (МСЕ) — це числова техніка знаходження

розв'язків інтегральних та часткових диференціальних рівнянь (ЧДР). Процес

розв'язання побудований або на повному усуненні диференціального рівняння

для стаціонарних задач, або на розкладі ЧДР в апроксимуючу систему звичайних

диференціальних рівнянь, які потім розв'язуються використанням якої-небудь

стандартної техніки, такої як метод Ейлера, Рунге-Кутти, тощо.

Необхідними книгами стали книги Р. Галагера [6] та Г. Стренга [7]. В них

здійснюється виклад основ методу скінченних елементів і аналіз важливих задач,

а також даються рекомендації відносно практичної реалізації відповідних

алгоритмів.

При розв'язанні часткових диференціальних рівнянь, головною метою є

створення рівності, що апроксимує досліджувану рівність, і є числово

стабільною, тобто помилки у вхідних даних і проміжних обчисленнях не

акумулюються і не спричиняють беззмістовних результатів. Для реалізації цього

є багато способів, кожен зі своїми плюсами і мінусами. Метод скінченних

елементів є добрим вибором при розв'язуванні ЧДР, які описують складні

12

середовища (такі як машини, чи нафтогони); при змінності цих середовищ; коли

бажана точність змінюється у різних ділянках середовища; чи коли розв'язку не

вистачає гладкості. Наприклад, при моделювання фронтального розбиття

машини, є можливість збільшити точність моделювання у важливіших зонах,

таких, як передня частина машини, і зменшити її при обрахунку того, що

відбудеться із задньою частиною машини (тим самим зменшивши

ресурсоємність моделювання). Іншим прикладом може служити моделювання

погоди на Землі, при якому важливішою є погода над сушею, ніж над безкраїми

морськими просторами.

Метод скінченних елементів, зазвичай на стадії дизайну та розробки

продуктів, використовує багато дисциплін, здебільшого з сім'ї механічної

інженерії (таких як аеро-, морська, біометрична та автомобільна індустрії).

Декілька сучасних МСЕ пакетів включають спеціальні елементи такі, як

термальні, електромагнітні, рідинні та структурні робочі середовища. В

структурному моделюванні МСЕ дуже допомагає у генерації жорсткісних і

силових візуалізацій у місцях зсувів та згинів, та відображання розповсюдження

сил та зміщень.

МСЕ - програми забезпечують широкий спектр моделювальних

можливостей контролю складності і модельовальної і аналітичної систем. За

потреби в більшості інженерних програм можна змінювати бажаний рівень

точності, час потрібний для необхідних та асоційованих обчислень.

МСЕ дозволяє проектувати, відлагоджувати та оптимізовувати продукцію

перед її випуском. Цей могутній засіб проектування відчутно покращив

стандарти інженерних проектів та методологію цього процесу у багатьох сферах.

Використання МСЕ зменшило час, за який продукт проходив від концепції до

конвеєра. Його головною ідеєю було покращення початкових прототипів

використовуючи МСЕ, що сприяло прискоренню їхнього тестування та

розробки. В цілому, перевагами МСЕ є збільшення точності, покращення

дизайну і краще бачення його критичних параметрів, створення віртуальних

13

прототипів, зменшення кількості реальних прототипів, пришвидшення та

здешевлення проектування, збільшення продуктивності та прибутковості.

Контактна взаємодія [7] тіл є одним із найпоширеніших видів взаємодії в

природі й техніці. Вона супроводжується передачею між об’єктами зусиль та

обміном енергією, теплом і речовиною, який дуже чутливий до структури

поверхонь контакту. Водночас, у сучасній техніці та новітніх технологіях все

більше уваги приділяється дослідженню контактної поведінки на мікро- і

нанорівні, на якому ґрунтовне дослідження фундаментальних закономірностей

контактної взаємодії вимагає всебічного врахування геометричних особливостей

і недосконалостей спряжених поверхонь, фізико-механічних явищ на ділянках їх

безпосереднього налягання (тертя, проковзування, зчеплення, тепловиділення,

тощо) та впливу газорідинної субстанції, в якій функціонують спряжені тіла або

яка проникає в область контакту із зовнішнього середовища. З позицій механіки

деформованого твердого тіла ці проблеми розв’язуються шляхом розвитку

некласичних математичних моделей і методів дослідження взаємодії тіл з

контактно-поверхневими неоднорідностями і недосконалостями.

Femap – пре - і постпроцесор від Siemens PLM Software для проведення

інженерного аналізу методом скінченних елементів (МСЕ) (Finite Element

Analysis - FEA). Це означає, що Femap є сполучною ланкою між користувачем і

вирішувачів - ядром, що здійснюють обчислення в задачах інженерного аналізу.

Система Femap, інтегрована з вирішувачів NX Nastran, працює на базі Microsoft

Windows, входить в лінійку продуктів Velocity Series і є незалежною

повнофункціональної середовищем для моделювання, імітації та оцінки

результатів аналізу характеристик виробу.

Система Femap заснована на базі решателя NX Nastran, який дозволяє

здійснювати рішення різних задач, аж до складних нестаціонарних нелінійних

процесів, що описуються системами нелінійних диференціальних рівнянь в

частних похідних. Solver NX Nastran - ядро, в якому здійснюється числове

рішення цих систем рівнянь.

14

Основи по роботі з Femap було взято з книг Рудакова К. М. , «UGS Femap

9.3.0 Геометрическое и конечно-элементное моделирование конструкций» [9] та

«UGS Femap 10.2.0 Геометрическое и конечно-элементное моделирование

конструкций» [10]. В яких детально описані дії користувача по його

функціоналу, імпорту та експорту геометрії, виводу результатів, пояснення до

кожної команди.

В нашій задачі використовувався розширений нелінійний модуль (Advanced

Nonlinear) використовується при аналізі великих нелінійностей (у тому числі

деформування, облік просторового контактного взаємодії), поєднанні різних

видів нелінійностей, а також при моделюванні та розрахунку

швидкопротікаючий нелінійних динамічних процесів на основі явної схеми

інтегрування.

15

2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ

В даній роботі буде розглядатися порядок роботи по створенню

геометричної моделі редуктора, побудові скінченно-елементної моделі,

проведення аналізів на контактні тиски та напружено-деформований стан.

Поставлені завдання:- Побудувати геометричну модель;

- Побудувати скінченно-елементну модель;

- Провести розрахунок контактного тиску (за допомогою різних методів);

- Провести аналіз отриманих результатів.

Механіка контактної взаємодії [12] є основоположною інженерної

дисципліною, обов'язковою при проектуванні надійного та енергозберігаючого

обладнання. Вона буде корисна при вирішенні багатьох контактних задач,

наприклад, колесо-рейка, при розрахунку муфт, зубчатих зачеплень, гальм, шин,

підшипників ковзання і кочення, двигунів внутрішнього згоряння, шарнірів,

ущільнень; при штампуванні, металообробці, ультразвукової зварюванні,

електричних контактах та ін. Вона охоплює широкий спектр задач, починаючи

від розрахунків міцності елементів сполучення трибо системи з урахуванням

змазує середовища і будови матеріалу, до застосування в мікро-і наносистемах.

Всю роботу можна розбити на етапи:

- Отримання результатів інженерних розрахунків з APM WinMachine 9.6;

- Побудова зубчатих коліс в GearTrax 2011;

- Побудова геометрії в SolidWorks 2008;

- Імпорт геометрії в FEMAP 10.3;

- Створення скінченно-елементної моделі на основі імпортованої

геометрії;

- Отримання результатів та їх порівняння.

16

3 ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ РІШЕННЯ

Система автоматизованого проектування, САПР [13] - автоматизована

система, що реалізує інформаційну технологію виконання функцій проектування,

являє собою організаційно-технічну систему, призначену для автоматизації

процесу проектування, що складається з персоналу і комплексу технічних,

програмних та інших засобів автоматизації його діяльності.

Метод скінченних елементів (МСЕ) — це числова техніка знаходження

розв'язків інтегральних та часткових диференціальних рівнянь (ЧДР).

Найважливішими перевагами методу скінченних елементів є:

Властивості матеріалів суміжних елементів можуть бути різними. Це

дозволяє застосовувати метод до тіл, складених з декількох матеріалів.

Скінченними елементами є прості області (прямі лінії, трикутники,

прямокутники, піраміди, призми). Таким чином, даним методом можна

апроксимувати тіла із складною формою країв.

Розміри елементів можуть бути змінними. Це дозволяє збільшувати чи

зменшувати елементи сітки.

За допомогою МСЕ легко розглянути граничні умови з розривним

поверхневим навантаженням, а також змішані граничні умови.

Алгоритм методу скінченних елементів дозволяє створити загальні

програми для розв'язку завдань різного класу.

Завдання зводиться до розв'язку системи рівнянь алгебри великої

розмірності. Проте хороша обумовленість системи розв'язних рівнянь алгебри

дозволяє отримувати досить точні розв'язки для систем рівнянь розмірністю 5-10

мільйонів і більше.

Головний недолік цього методу полягає у потребах великого обсягу пам'яті

ЕОМ і високої швидкості розрахунку. В наш час розвиток ЕОМ практично

усунув цей недолік.

17

3.1 Загальні поняття методу скінченних елементів

Метод скінченних елементів – числовий метод розв'язання

диференціальних рівнянь з приватними похідними, а також інтегральних

рівнянь, що виникають при вирішенні задач прикладної фізики. Метод широко

використовується для вирішення задач механіки деформованого твердого тіла

(опору матеріалів), контактного тиску, теплообміну, гідродинаміки та

електродинаміки.

МСЕ є ефективним числовим методом рішення інженерних і фізичних

задач. Область його застосування тягнеться від аналізу напружень в

конструкціях літаків або автомобілів до розрахунку таких складних систем, як

атомна електростанція. З його допомогою розглядається рух рідини по трубах,

через дамби, в пористих середовищах,досліджується перебіг газу, що

стискається, вирішуються завдання електростатики і мастила, аналізуються

коливання систем. МСЕ є числовим методом рішення диференціальних рівнянь,

що зустрічаються у фізиці й техніці.

Виникнення цього методу пов’язане з рішенням космічних задач (1950 р.).

Область застосування МСЕ істотно поширилася, коли було показано, що

рівняння, які описують елементи у задачах будівельної механіки,

розповсюдження тепла і гідромеханіки аналогічні. МСЕ з числової процедури

рішення задач будівельної механіки перетворився на загальний метод числового

рішення диференціальних рівнянь. Основна ідея МСЕ полягає в тому, що будь-

яку безперервну величину, таку як температура, тиск і переміщення, можна

апроксимувати дискретною моделлю, яка будується на безлічі шматково-

безперервних функцій. У загальному випадку безперервна величина наперед не

відома, і потрібно визначити значення цієї величини в деяких внутрішніх точках

області. Дискретну модель дуже легко побудувати, якщо спочатку припустити,

що числові значення цієї величини в кожній внутрішній області відомі. Після

цього можна перейти до загального випадку. Отже, при побудові дискретної

моделі безперервної величини поступають таким чином:

18

- У даній області фіксується кінцева кількість точок. Ці точки

називаються вузловими точками або вузлами.

- Значення безперервної величини в кожній точці вважається змінним, яке

має бути визначеним.

- Область визначення безперервної величини розбивається на кінцеву

кількість областей, які називаються елементами. Ці елементи мають

загальні вузлові точки і в сукупності апроксимують форму області.

- Безперервна величина апроксимується на кожному елементі поліномом,

який визначається за допомогою вузлових значень цієї величини. Для

кожного елемента визначається свій поліном, але поліноми підбираються

так, щоб збереглася безперервність величини уздовж меж елемента (його

називають функцією елемента). Вибір форми елементів і їх функцій для

конкретних завдань визначає точність наближеного рішення і залежить

від винахідливості і майстерності інженера.

3.2 Загальні поняття контактного тиску

Контактні напруження, напруження, які виникають при механічних

взаємодії твердих деформованих тіл на майданчиках їх стикання та поблизу цих

майданчиків (наприклад, при стисненні дотичних тіл).

Деформації й напруження, що виникають при взаємному натисканні двох

дотичних тіл, називають контактними. Внаслідок деформації в місцях зіткнення

елементів конструкції передача тисків відбувається по досить малих площадках.

Матеріал поблизу такої площадки, не маючи можливості вільно деформуватися,

випробовує об'ємний напружений стан.

Концентрацією напружень називається збільшення напружень в малих

областях, прилеглих до місць з різкою зміною форми поверхні тіла, розмірів його

перетину або з локалізованою неоднорідністю матеріалу всередині тіла. Реальні

конструкції завжди мають зони, в яких проявляється локальна концентрація

напружень. Конструкційні особливості деталей, що викликають концентрацію

напружень, прийнято називати концентраторами напружень.

19

Аналіз руйнувань виробів показує, що переважна більшість поломок,

створення крихких, втомних тріщин і інших причин втрати несучої здатності

виникають, як правило, поблизу цих концентраторів.

Явище концентрації напружень пояснюється тим, що в суцільному тілі

зусилля передаються по можливо більш короткому шляху, що забезпечує мінімум

внутрішньої енергії тіла при даному навантаженні. В результаті матеріал, що

прилягає до ослабленого місця, сприймає додаткові зусилля, що передаються з

матеріалу, що оточує отвір або виріз.

Концентратори напружень можна розділити на локальні і розмиті. До

локальних будемо відносити ті, в яких обсяг області, зайнятої матеріалом з

підвищеними напруженнями, відносно малий у порівнянні з усім обсягом

навантаженого тіла. У разі розмитих концентраторів напружень обсяг, зайнятий

матеріалом з підвищеними напруженнями, становить значну частину всього

обсягу навантаженого тіла. Таким чином при локальної концентрації напружень

загальні розміри і форма всього навантаженого тіла не будуть істотно

змінюватися у разі плинності матеріалу в зоні концентрації, тоді як при розмитій

концентрації напружень, вони істотно змінюються. Наприклад, малі отвори і

скруглення малого радіусу вважаються зазвичай дуже локальними

концентраторами напружень, а гаки, шарнірні з'єднання сережок з вушками

ставляться до розмитим концентраторам напружень.

Як показують розрахунки, контактні напруження мають явно місцевий

характер і досить швидко убувають у міру видалення від місця зіткнення.

Незважаючи на це, досліджувати контактні напруження й деформації необхідно

для рішення питань міцності багатьох відповідальних деталей. До таких деталей

ставляться, наприклад, кулькові й роликові підшипники, зубчасті колеса,

елементи кулачкових механізмів, колеса рухомого состава, рейки, кульові й

циліндричні котки й т.д.

Уперше правильне рішення основних випадків стискання пружних тіл дано

методами теорії пружності в роботах німецького фізика Г. Герца, що ставляться

до 1881 -1882 р. Подальший розвиток контактної проблеми належить головним

20

чином радянським вченим.

Нижче наведені деякі результати, отримані методами теорії пружності при

наступних припущеннях:

- навантаження створюють у зоні контакту тільки пружні деформації, що

випливають із закону Гука;

- площадки контакту мала в порівнянні з поверхнями дотичних тіл;

- сили тиску, розподілені по поверхнях контакту, нормальні до цих

поверхонь.

Необхідно пам'ятати, що тільки для деяких задач про концентрацію

напружень знайдені точні аналітичні рішення. Останнім часом у зв'язку з

широким застосуванням ЕОМ для вирішення завдань теорії пружності та

використанням числових методів виявляється можливим знайти теоретичний

коефіцієнт концентрації напружень з достатньою для практичних цілей точністю

для багатьох осередків концентрації напружень. Знайдені коефіцієнти в пружною

області для різних типів конструктивних елементів можна знайти в довідниках

по концентрації напружень, нормах, технічних умовах на проектування

конструкцій і в інших аналогічних джерелах.

В інших випадках, що не піддаються навіть числового розв'язання задачі,

для визначення коефіцієнтів концентрації напружень і закону розподілу

напружень застосовуються експериментальні методи: фотопружності,

голографічної інтерферометрії, тензометрії, муарових смуг та ін. Зокрема, при

використанні оптичного методу із спеціального матеріалу виготовляють зразок,

який піддається просвічуванню поляризованим світлом при деформації.

Розшифровка картини ізохромових смуг дозволяє встановити найбільш

напружені точки і з досить високим ступенем точності визначити коефіцієнт

концентрації напружень.

В

В

А

R

срP

P

1F

21

3.3 Загальні поняття напружено-деформованого стану

3.3.1. Напружений стан у точці

Тіло, що знаходиться під дією системи врівноважених сил представлено на

рисунку 4.1.

Рисунок 4.1 – Тіло під дією врівноважених сил.

Щоб дослідити внутрішні сили в малій області навколо точки В (рис. 4.1),

необхідно провести через дану точку перетин, розтинаючи тіло на дві частини, і

відкинути одну з них, а дія відкинутої частини замінюється внутрішніми силами

(рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Перетин, що розсікає тіло

Необхідно виділити малу площадку Δ А , що містить точку В . Зовнішня

нормаль цієї площадки позначається ν .

F2

F1

22

Результуюча внутрішніх сил, що діють на площадку Δ А , позначаєтьсяΔR .

Ділячи результуючуΔR на Δ А отримуємо величину середніх напружень по

площадці.

Pν

ср=

Δ RΔA (4.1)

Величина

Pν

ср

залежить від розмірів площадки. Щоб позбавитись від

впливу розмірів площадки Δ А , необхідно перейти до границі та почати стягати

площадку до точки В .

Pν= limΔ A→0

Δ RΔA

(4.2)

Величина Pν називається повним напруженням в точці В по площадці з

зовнішньою нормаллю ν .

Очевидно, що якщо вибрати іншу площадку, що проходить через точку В ,

але орієнтовану іншим чином, то в загальному випадку вектор повного

напруження опиниться іншим.

Сукупність всіх векторів повного напруження по всім площадкам, що

проходять через дану точку, складає напружений стан в даній точці.

Напружений стан в даній точці відомо, якщо відомі напруження по трьом

взаємно перпендикулярним площадкам, що проходять через дану точку.

Необхідно визначити напружений стан в точці В . Для цього необхідно

виділити в околиці цієї точки малий прямокутний паралелепіпед (рис. 4.3).

Розміри паралелепіпеда настільки малі, що напружений стан в межах

X Y

Z

x

z

y

xy

xz

zx

zy

yx

yz

23

паралелепіпеда можна вважати однорідним, та що грані паралелепіпеда є

площадками, що проходять через точку В та мають зовнішніми нормалями осі

X , Y , Z .

Рисунок 4.3 – Малий прямокутний паралелепіпед в околиці точки

Повну напруженість можна розкласти на три складові, що направлені по

координатним осям. Всього буде 9 компонент напруженого стану: три

нормальних та шість дотичних напружень. Нормальні напруження позначаються

σ з індексом, що вказує зовнішню нормаль.

Наприклад, σ x — нормальна напруженість по площадці з зовнішньою

нормаллю X .

Дотичні напруження позначаються τ з двома індексами. Перший індекс

вказує площадку, другий – направлення напруженості.

Наприклад, τ xy — дотична напруженість по площадці з зовнішньою

нормаллю X , паралельне осі Y.

Нормальна напруженість вважається додатною, якщо вона направлена по

зовнішній нормалі, тобто є такою, що розтягує.

Дотичні напруження вважаються додатними, якщо при додатній зовнішній

нормалі вони направлені в бік додатних координатних осей.

24

Очевидно, що по протилежним граням паралелепіпеда діють рівні по

величині та протилежні по направленню напруження.

Необхідно відмітити, що хоча на рис.4.3 компоненти напруженого стану

показані у вигляді векторі, вони є величинами скалярними.

3.3.2 Класифікація напружених станів

Окремі випадки визначення головних напряжений:

1) Якщо всі три головні напруження відмінні від нуля, то напружений

стан називається об’ємним або трьохосним.

2) Коли два головні напруження відмінні від нуля, напружений стан

називається плоским або двоосним. Кубічний інваріант при цьому дорівнює

нулю: I 3=0 .

3) Якщо напруження діє лише в одній плоскості, наприклад, в плоскості,

паралельній координатній плоскості X—Y, то тензор напружень буде складатися

з трьох незалежних компонентів (ненульових).

T σ=( σ x τ xy 0τ yx σ y 00 0 0 )

(4.4)

4) Якщо кубічний та квадратичний інваріанти одночасно рівні нулю, то

напружений стан називається в цьому випадку лінійним або одноосним.

Приведена вище класифікація не є вичерпною, і тому прийнято

класифікувати напружений стан ще в залежності від знаку головних

напружень. В цьому випадку всі напружені стани можна розділити на три

класа:

1. Трьохосні розтягнення. В цьому випадку жодне з головних напружень

не є стискаючим.

2. Трьохосні стиснення, коли жодне з головних напружень не є

розтягуючим.

25

3. Змішані напружені стани, коли найбільше та найменше головні

напруження мають різні знаки.

3.3.3 Деформований стан в точці

Деформований стан в точці визначається тензором деформацій. Тобто

подовження в даній точці за будь-яким напрямком може бути вирахувано, якщо

задані подовження по трьом взаємно перпендикулярним осям та кути здвигу по

трьом взаємно перпендикулярним площадкам, нормалями до яких слугують осі.

Тензор деформацій виглядає

T ε={ ε x

12 γ xy

12 γ xz

12 γ yx ε y

12 γ yz

12 γ zx

12 γ zy ε z

}

(4.8)

Тутε x ,ε y ,ε z — деформації відносного подовження у напрямку відповідних

осей.

γ xy ,…,γ zy — кути здвигу у відповідних координатних плоскостях.

3.3.4 Зв’язок між компонентами тензора деформацій та переміщеннями

Шість компонент тензора деформацій виражаються через три компоненти

вектора переміщення. Звідси слідує, що компоненти тензора деформацій не є

незалежними. І насправді, вони пов’язані співвідношеннями що називаються

рівняннями сумісності деформацій.

ε x=∂u∂ x ;

ε y=∂υ∂ y ;

ε z=∂ω∂ z ; (4.9)

γ xy=∂u∂ y

+ ∂υ∂ x ;

γ yz=∂υ∂ z

+∂ ω∂ y ;

γ zx=∂ω∂ x

+∂u∂ z

(4.10)

Співвідношення Коші

26

Умовами сумісності деформацій можна надати наступний зміст. Розріжемо

тіло на малі елементи, деформуємо кожний з елементів окремо і зберемо з

деформованих елементів тіло. Тоді, якщо деформації правильні, тобто

задовольняючі рівняння сумісності, то зібране тіло не буде мати розривів чи

пустот.

4 МЕТОДИКА ПРАКТИЧНОЇ РЕАЛІЗАЦІЇ

Великою перевагою САЕ-пакетів є можливість імпортування геометрії з

інших програм, що прискорює роботу по розрахунках та аналізу. Можливість

імпорту з великої кількості програм, призначених тільки для моделювання, дає

тільки величезний плюс розробникам цих програмних продуктів.

Однією з позитивних сторін є праця їх по однаковій технології, що дозволяє

швидко переходити від одної програми до іншої не затрачаючи зайвого часу на

освоєння.

Порядок дій при роботі в САЕ програмах:

1) Створення геометрії в середині програми чи імпорт з інших програм;

2) Вказати властивість матеріалу;

3) Вказати властивість геометрії;

4) Вказати розмір скінченного елементу;

5) Побудувати скінченно-елементну модель за вказаними розмірами;

7) Встановити навантаження та обмеження;

8) Вибрати тип аналізу.

4.1. Опис конструкції та побудова комп’ютерної моделі.

Планета�рна переда�ча (планетарний механізм) — механічна передача на

основі зубчастих коліс, у якій геометричні осі одного або декількох коліс

(сателітів) є рухомими. Планетарні передачі з одним ступенем свободи

називають звичайними (типовими), планетарні передачі з двома ступенями

свободи називають диференціалами. Застосовуються у транспортних і

вантажопідйомних машинах, приводах станків і т. д.

27

Деталі планетарного механізму мають спеціальні назви:

зубчасте колесо із зовнішніми зубами, котре розташоване в центрі

механізму, називається центральним або сонячним;

колесо з внутрішніми зубами називають короною або епіциклом;

колеса, осі яких рухомі, називають сателітами;

рухома ланка, на якій встановлено сателіти, називають водилом. Його на

кінематичних схемах зазвичай позначають або цифрою, або латинською буквою

h.

К типових планетарних передач відносяться:

- однорядний планетарний механізм (планетарний механізм Джемса);

- дворядний планетарний механізм (редуктор Давида):

- з одним зовнішнім і одним внутрішнім зачепленням;

- з двома зовнішніми зачепленнями;

- з двома внутрішніми зачепленнями.

28

Початкові дані вводимо в APM WinMachine 9.6 і будуємо схему редуктора.

Кінематична схема планетарного редуктора (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Кінематична схема однорядного планетарного механізму

де 1- центральне колесо з наружними зубами (сонце); 2- сателіти; 3- центральне колесо с внутрішніми зубами (епіцикл); Н - водило;z1 - число зубів сонячної шестірні;z2 - число зубів сателітів;z3 - число зубів центрального колеса с внутрішніми зубами;

29

n1 - момент на вході;TH - момент на виході.Результати розрахунків початкових даних в APM WinMachine 9.6 для

побудові тривимірної моделі зубчатої пари та прикладення сил і моментів для

аналізу зображені в таблицях 4.1 - 4.5.

Таблиця 4.1 - Вхідні дані приводу.

Частота обертання на виході, об./хв. 200

Момент на виході, Н*м 3000

Передаточне відношення ланцюга 5

Довговічність, год. 10000

Результати АPМ Trans:

Таблиця 4.2 - Основна геометрія (сонце-сателіт)

Описання Символ Шестерня Колесо Одиниці

Міжосьова відстань aw 135 ммМодуль m 3 ммДілильний діаметр d 108 162 ммОсновной діаметр db 101.487 152.23 ммПочатковий діаметр dw 108 162 ммДіаметр вершин зубців da 114 168 ммДіаметр впадин df 100.5 154.5 ммКоефіцієнт зміщення x 0.000 0.000 -Высота зубців h 6.75 6.75 ммШирина зубчатого вінця b 82 76 ммКількість зубців z 36 54 -

Таблиця 4.3 - Сили (сонце-сателіт)

Описання Символ Шестерня Колесо Одиниці

Тангенціальна сила Ft 4663.567 НРадіальная сила Fr 1697.399 НОсьова сила Fa 0.000 НВідстань від торця колеса до точки прикладання сили

B 41 мм

30

Плече сили R 54 мм

Таблиця 4.4 - Основна геометрія (сателіт-епіцикл)

Описання Символ Шестерня Колесо Одиниці

Міжосьова відстань aw 135 ммМодуль m 3 ммДілильний діаметр d 162 432 ммОсновной діаметр db 152.23 405.947 ммПочатковий діаметр dw 162 432.000 ммДіаметр вершин зубців da 168 427.5 ммДіаметр впадин df 154.5 439.5 ммКоефіцієнт зміщення x 0.000 0.000 -Высота зубців h 6.75 6 ммШирина зубчатого вінця b 76 70 ммКількість зубців z 54 144 -

Таблиця 4.5 - Сили (сателіт-епіцикл)

Описання Символ Шестерня Колесо Одиниці

Тангенціальна сила Ft 4629.629 НРадіальная сила Fr 1685.047 НОсьова сила Fa 0.000 НВідстань від торця колеса до точки прикладання сили

B 19 мм

Плече сили R 81 мм

31

Модель побудована в SolidWorks 2008 (рис. 4.2)

Рисунок 4.2 – Планетарний редуктор

32

Так, як нам для розрахунку контакту зубців на контактне напруження не

потрібна вся модель повністю, то виділяється шестерня та колесо(рис. 4.3).

Рисунок 4.3 – Шестерня та колесо

На даному рисунку можна побачити, що в зоні контакту шестерень на зубці

розділені на декілька окремих тіл, це зроблено для розбивання більш мілкої

сітки.

Тепер геометрія готова до імпорту в FEMAP. Імпортуємо в форматі

parasolid, та обов’язково необхідно вказати в geometry scale factor, програма

пропонує число рівне 39.37(приблизна кількість дюймів у метрі), так як нам

33

треба щоб деталі були в метрах необхідно вказати 1(всі розміри геометрії будуть

перечисленні у метри).

Етапи по підготовці до розрахунку шестерень:

- Об’єднуємо у групи всі деталі(не обов’язково, але допоможе р роботі з

іншими командами);

- Об’єднуємо частини шестерень командою Intersect.

- Вибираються зони дії контакту, та вказується в властивостях контакту,

що коефіцієнт жорсткості дорівнює 0.3;

- Вибираємо тип деталей;

- Вказуємо властивості матеріалу:

Коефіцієнт Пуассону – 0.3;

Модуль пружності – 2.1∙105 МПа;

Щільність – 7850кг/м3;

- Розбиваємо на сітку(рис. 4.4)

- Задаємо момент навколо осі Z розміром 240Н;

- Задаємо дві граничні умови:

1) Жорстка замуровування вирізу лівої шестерні;

2) Забороняємо переміщення та дозволяємо обертання навколо осі Z;

Налаштування аналізу рішення:

- Вибираємо тип Advanced Nonlinear Static; (рис. 4.6)

- Задаємо обмеження по оперативній пам’яті(обов’язково) та кількість

процесорів(якщо зняти відмітку підбір автоматично);(рис. 4.7)

- Підключаємо модулі;(рис. 4.8)

- Кількість кроків – 20; (рисунок 4.9)

- Величина кроку – 1;

- Збіжність по переміщенням; (рис. 4.10)

Параметри комп'ютера:

• RAM – 4 Гб;

• Процесор AMD Phenom 550, 3.1 ГГц.

34

Рисунок 4.4 – СЕ модель

Кількість вузлів: 110 тис.;

Кількість елементів: 100 тис.;

35

На рисунку 4.5 зображений збільшений район контакту з метою

відображення сітки в даній області.

Рисунок 4.5 – СЕ модель в зоні контакту

Рисунок 4.6 – Діалогова панель для настроювання параметрів типу аналізу

36

Рисунок 4.7 – Діалогова панель для настроювання параметрів комп’ютерних

ресурсів

Рисунок 4.8 – Діалогова панель для настроювання параметрів рішення

37

Рисунок 4.9 – Діалогова панель для настроювання параметрів аналізатора

38

Рисунок 4.10 – Діалогова панель для настроювання параметрів ітерацій і

збіжності

На рисунку 4.11 зображено контактна пара, в якій нижня деталь є силовою.

Рисунок 4.11 – Контактна пара

На рисунку 4.12 можна побачити граничні умови, як і діють на модель тим

самім обмежуючи її.

39

Рисунок 4.12 – Граничні умови моделі

Поверхня шестерні, що позначена літерою F, тобто дана поверхня

закріплена по всім ступеням свободи(вона не може переміщатись або

повертатись в жодну з осей координат).

На місці валу створений rigid елемент до я кого прикладається момент в

розмірі 240 Н, та обмеження позначені числами 12345, тобто заборонені

переміщення по всім осям і повороти по осям X та Y.

4.2.Розрахунок методом Герца

Рівняння контактного напруження:

40

(4.1)

(4.2)

(4.3)

де та – наведені модулі пружності та радіус кривизни.

Розрахункове навантаження:

(4.4)

41

(4.5)

де – нормальна сила в зачепленні.

В даній задачі не враховується коефіцієнт розрахункового навантаження.

42

5 АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ

По результатам APM WinMachine діючі контактні напруження дорівнюють

610.564 МПа.

Рисунок 5.1 – Зона контакту 16 елементів

43

Рисунок 5.2 – Зона контакту 32 елемента

По результатам розрахунку в програмному комплексі FEMAP видно на

рисунку 5.1 и рисунку 5.2, що збіжність результатів менше 2%

По результатам FEMAP контактні напруження приведені на рисунку 5.2.

44

Таблица 5.1 - Порівняння результатів напруження

Метод Контактна напруження, МПа

FEMAP 563

WM 610

Герц 464(612)

Примітка: в дужках записана величина з урахуванням коефіцієнту

розрахункового навантаження. Коефіцієнти підбираються по ГОСТ 21354-87.

На рисунках 5.3 – 5.4 можна побачити переміщення моделі.

Рисунок 5.3 – Переміщення моделі

45

Рисунок 5.4 – Переміщення моделі з згущеною сіткою

Як можна побачити результати в першому варіанті становить 5.4 мкм, а в

другому – 5.39 мкм, тобто необхідна збіжність результатів досягнута.

46

Тривимірні напруження та навантаження утворюються в декількох

напрямках. Зазвичай ці багато направлені напруги підсумовуються для

отримання еквівалентного напруження, яке також називається напруженням

фон Мізеса. Тривимірне тверде тіло має шість компонентів напруження. Іноді

тести одноосьового напруги дозволяють визначити властивості матеріалу

експериментальним шляхом. В цьому випадку поєднання шести компонентів

напруження до одного еквівалентному напруженню відноситься до реального

напруженого стану. Результати приведені на рисунках 5.5-5.6.

Рисунок 5.5 – Напруження по Мізесу

47

Рисунок 5.6 – Напруження по Мізесу з згущеною сіткою

В першому випадку еквівалентні напруження дорівнюють приблизно

511 МПа, а в другому – 503 МПа, тобто необхідна збіжність результатів

досягнута.

48

6 ОХОРОНА ПРАЦІ

6.1 Загальні питання охорони праці

Головною метою охорони праці є – поліпшення умов праці та підвищення

її продуктивності, запобігання професійним захворюванням, виробничому

травматизму тощо.

Техніка безпеки являє собою систему організаційних та технічних заходів і

засобів, що запобігають впливу небезпечних виробничих факторів на труд

працівників.

Згідно з ГОСТ 12.0.003-74 [16] небезпечні й шкідливі фактори по природі

дії поділяються на такі групи: фізичні, хімічні, біологічні та психофізіологічні.

При роботі у обчислювальному центрі на нас діють такі групи шкідливих

факторів: фізичний – електромагнітне випромінювання, небезпечне значення

напруги в електричному колі, недостатньо або відсутність природного світла,

недостатня освітленість робочого місця; нервово-психічні перевантаження –

розумова перенапруга, перенапруга органів почуттів, монотонність праці,

емоційні перевантаження. При роботі за ЕОМ виникають наступні небезпечні й

шкідливі фактори, які зведенні в таблицю 6.1 відповідно до

ГОСТ 12.0.003-74 [16].

Закон України «Про охорону праці» [15] визначає основні положення

щодо реалізації конституційного права працівників на охорону їх життя і

здоров'я у процесі трудової діяльності, на належні, безпечні і здорові умови

праці, регулює за участю відповідних органів державної влади відносини між

роботодавцем і працівником з питань безпеки, гігієни праці та виробничого

середовища і встановлює єдиний порядок організації охорони праці в Україні.

49

6.2 Промислова санітарія

6.2.1 Мікроклімат

В даній бакалаврській роботі об'єктом дослідження є робоче місце

інженера. Площа приміщення дорівнює 20 м2, а об’єм – 64 м3.

Параметри мікроклімату можуть мінятися в широких межах, тоді як

необхідною умовою життєдіяльності людини є підтримка постійності

температури тіла завдяки терморегуляції, тобто здібності організму регулювати

віддачу тепла в оточуюче середовище.

Таблиця 6.1 – Таблиця небезпечних і шкідливих виробничих факторів

Найменування фактора Джерела виникнення

Мікроклімат у приміщенні

Незадовільна система природної й штучної

вентиляції і опалення, підвищена або

знижена температура повітря робочої зони,

підвищена вологість, рухомість повітря

Підвищена яскравість Екран монітора комп’ютера

Знижена контрастність Екран монітора комп’ютера

Пульсація світлового потоку Лампи денного світла й екран монітора

Висока електрична напруга Мережа живлення ЕОМ

Підвищений рівень шумуПристрій охолодження комп’ютера,

допоміжне устаткування

Психофізіологічні фактори Перенапруга зору, монотонність праці

Обчислювальна техніка є джерелом істотних тепловиділень, що може

привести до підвищення температури і зниження відносної вогкості в

приміщенні. В приміщеннях, де встановлені комп’ютери, повинні дотримуватися

певні параметри мікроклімату згідно ГОСТ 12.1.005-88[23]. В санітарних нормах

встановлені величини параметрів мікроклімату, що створюють комфортні умови.

Ці норми встановлюються залежно від пори року, характеру трудового процесу і

50

характеру виробничого приміщення. Категорія тяжкості праці «Легка Іа» (див.

табл. 6.2).

Таблиця 6.2 - Параметри мікроклімату

Період року Параметри мікроклімату Величина

Холодний

Температура повітря в приміщенні 22–24 °С

Відносна вологість 40–60%

Швидкість руху повітря До 0.1 м/с

Теплий

Температура повітря в приміщенні 23–25°С

Відносна вологість 40–60%

Швидкість руху повітря 0.1–0.2 м/с

Об’єм приміщень, в яких розміщені працівники обчислювальних центрів,

не повинен бути меншим 19,5 з урахуванням максимального

числа одночасно працюючих в зміну. Норми подачі свіжого повітря в

приміщення, де розташовані комп’ютери, приведені в таблиці 6.3.

Для забезпечення комфортних умов використовуються як організаційні

методи (раціональна організація проведення робіт залежно від пори року і доби,

чергування праці і відпочинку), так і технічні засоби (вентиляція, кондиціювання

повітря, опалювальна система).

Таблиця 6.3 - Норми подачі свіжого повітря в приміщення, де розташовані

комп’ютери

Характеристики

приміщення

Об’ємна витрата свіжого повітря, що подається

в приміщення на людину в годину, м3

До 20 м3 на людину Не менше 30

20–40 м3 на людину Не менше 20

Більше 20 м3 на людину Природна вентиляція

51

6.2.2 Промислове освітлення

Залежно від джерел світла освітлення може бути природним, що

створюється прямими сонячними променями та розсіяним світлом небосхилу;

штучним, що створюється електричними джерелами світла, та суміщеним, при

якому недостатнє за нормами природне освітлення доповнюється штучним.

Суміщене освітлення – це освітлення, при якому до загального додається

місцеве освітлення. Згідно ДБН В.2.5-28-2006 [12] в приміщень обчислювальних

центрів необхідно застосувати систему комбінованого освітлення. При

виконанні робіт категорії високої зорової точності (найменший розмір об’єкту

розрізнення 0.3–0.5мм) величина коефіцієнта природного освітлення (КПО)

повинна бути не нижчою 1.5%, а при зоровій роботі середньої точності

(якнайменший розмір об’єкту розрізнення 0.5–1.0 мм) КПО повинен бути не

нижчим 1.0%. У якості джерела штучного освітлення звичайно

використовуються люмінесцентні лампи типа ЛБ, або ДРЛ, які попарно

об’єднуються в світильники, які повинні розташовуватися рівномірно над

робочими поверхнями. Нормовані значення КПО (еN%) для будівель

розташованих в різних районах визначаються по формулі:

(6.1)

де e H - значення КПО за таблицею 1 ДБН В.2.5-28-2006, дорівнює 1,2%;

mN - коефіцієнт світлового клімату за таблицею 4 ДБН В.2.5-28-2006,

дорівнює 0.9 (вікна на північ);

N - номер групи забезпеченості природним світлом за таблицею 4 ДБН

В.2.5-28-2006.

52

(6.2)

Вимоги до освітленості в приміщеннях, де встановлені комп’ютери,

наступні: при виконанні зорових робіт високої точності загальна освітленість

повинна складати 300 лк, а комбінована – 750 лк; аналогічні вимоги при

виконанні робіт середньої точності – 200 і 300 лк відповідно.

6.2.3 Електромагнітне і іонізуюче випромінювання

Джерелом електростатичного поля й електромагнітних випромінювань у

широкому діапазоні частот є комп’ютери і відеодисплейні термінали на

електронно-променевих трубках, які використовуються як у промисловості та

наукових дослідженнях, так і в побуті. Небезпеку для користувачів являє

електромагнітне випромінювання монітора в діапазоні частот 20 Гц-300 МГц і

статичний електричний заряд на екрані.

Для нейтралізації зарядів статичної електрики в приміщенні, де

виконується робота на комп'ютерах, в тому числі на лазерних та світлодіодних

принтерах, рекомендується збільшувати вологість повітря за допомогою

кімнатних зволожувачів. Не рекомендується носити одяг з синтетичних

матеріалів.

Максимальний рівень рентгенівського випромінювання па робочому місці

оператора комп’ютера звичайно не перевищує 10 мкбер/год, а інтенсивність

ультрафіолетового і інфрачервоного випромінювань від екрану монітора лежить

в межах 10..100 .

Для зниження дії цих видів випромінювання рекомендується

застосовувати монітори із зниженим рівнем випромінювання (MPR-II, ТСО-92,

ТСО-99, ТС О-03), а також дотримувати регламентовані режими праці і

відпочинку.

53

6.2.4 Шум

Творча діяльність, керівна робота з підвищеними вимогами, наукова

діяльність, конструювання та проектування, програмування, викладання та

навчання, лікарська діяльність: робочі місця в приміщеннях - дирекції, проектно-

конструкторських бюро; розраховувачів, програмістів обчислювальних машин, в

лабораторіях для теоретичних робіт та обробки даних, прийому хворих у

медпунктах передбачає рівень звуку 50 ДБА [17].

За частотою звукові коливання поділяються на три діапазони: інфразвукові

з частотою коливань менше 20 Гц, звукові (ті, що ми чуємо) від 20 Гц до 20 кГц

та ультразвукові більше 20 кГц . Швидкість поширення звукової хвилі C (м/с)

залежить від властивостей середовища і насамперед від його щільності. Так, в

повітрі при нормальних атмосферних умовах C~344 м/с; швидкість звукової

хвилі в воді ~1500 м/с , у металах ~ 3000-6000 м/с.

Людина сприймає звуки в широкому діапазоні інтенсивності (від нижнього

порога чутності до верхнього - больового порога ) . Але звуки різних частот

сприймаються неоднаково. Найбільша чутність звуку людиною відбувається у

діапазоні 800-4000 Гц. Найменша - в діапазоні 20-100 Гц.

6.3 Забезпечення безпечних умов праці на робочому місці

6.3.1 Електробезпека

Електричний струм розділяється на постійний і змінний. Постійний струм

приблизно в 4–5 разів менш небезпечний, чим змінний струм частотою 50 Гц. В

електричній мережі обчислювального центра на виробниче устаткування й на

освітлення подається змінний струм величиною 220 В і частотою 50 Гц.

Залежно від характеру середовища розрізняють кілька видів приміщень по

ступені поразки. У нашім випадку приміщення обчислювального центра

відноситься до нормальних – сухі приміщення , у яких відсутні ознаки жарких і

запилених місць.

54

Захист від статичної електрики повинен проводитись згідно з санітарно-

гігієнічними нормами напруженості електричного поля, які є допустимими. Ці

рівні не повинні перевищувати 20 Кв протягом години (ГОСТ 12.1.045-84) [22].

6.3.2 Ергономічні вимоги до робочого місця

Робоче місце і взаємне розташовує всіх його елементів повинне

відповідати антропометричним, фізичним і психологічним вимогам. Зокрема,

при організації робочого місця оператора ПК повинні бути дотримані наступні

основні умови: оптимальне розміщення устаткування, що входить до складу

робочого місця і достатній робочий простір, що дозволяє здійснювати всі

необхідні рухи і переміщення.

Ергономічними аспектами проектування термінальних робочих місць є:

висота робочої поверхні, розміри простору для ніг, характеристики робочого

крісла, вимоги до поверхні робочого столу, можливість регулювання елементів

робочого місця.

Робочі місця мають бути розташовані на відстані не менше 1,5 м від стіни з

вікнами, від інших стін на відстані 1м, між собою на відстані не менше 1,5 м.

Відносно вікон робоче місце доцільно розташовувати таким чином, щоб

природне світло падало на нього збоку, переважно зліва.

Робочі місця слід розташовувати так, щоб уникнути попадання в очі

прямого світла. Джерела освітлення рекомендується розташовувати з обох боків

екрану паралельно напрямку погляду.

Монітор повинен бути розташований на робочому місці так, щоб поверхня

екрана знаходилася в центрі поля зору на відстані 400-700 мм від очей

користувача.

Створення сприятливих умов праці і правильне естетичне оформлення

робочих місць на виробництві має велике значення як для полегшення праці, так

і для підвищення його привабливості, позитивно впливає на продуктивність

праці.

55

6.4 Пожежна безпека

Категорія приміщення по вибухо-пожежонебезпеки – В [29],

вогнестійкість, що вимагається, будівлі - ІІ [30]. Зона класу приміщення П-ІІа.

Ступінь захисту оболонки для вказаної пожежонебезпечної – ІР44.

Залежно від розмірів матеріальних збитків пожежі поділяються на особливо

великі (коли збитки становлять від 10000 і більше розмірів мінімальної

заробітної плати ) і великі (збитки сягають від 1000 до 10000 розмірів

мінімальної заробітної плати ) та інші.

Основними напрямками забезпечення пожежної безпеки є усунення умов

виникнення пожежі та мінімізація її наслідків. Об'єкти повинні мати системи

пожежної безпеки, спрямовані на запобігання пожежі дії на людей та матеріальні

цінності небезпечних факторів пожежі, в тому числі їх вторинних проявів.

Відповідно до ГОСТ 12.1.004.-91 [32] пожежна безпека об'єкта повинна

забезпечуватися системою запобігання пожежі, системою протипожежного

захисту і системою організаційно-технічних заходів. Використовувати необхідно

вогнегасники типу ВВК-2 або ВВК-5.

6.5 Охорона навколишнього середовища

Під охороною навколишнього середовища розуміється система мір,

спрямована на підтримку раціонального взаємозв’язку між діяльністю людини й

навколишнім середовищем, що забезпечує збереження й відновлення природних

ресурсів і визначає шкідливий вплив на навколишнє середовище [34].

При проектуванні в конструкторських бюро з’являються відходи у вигляді

паперу, картриджів принтерів, дисків. Для захисту оточуючого середовища

необхідно утилізувати ці види відходів: папір і диски здати на переробку,

картриджі заправити фарбою для повторного використання.

Закон України «Про охорону навколишнього природного середовища»

встановлює, що завданням законодавства про охорону навколишнього

природного середовища є регулювання відносин у галузі охорони, використання

і відтворення природних ресурсів, забезпечення екологічної безпеки, запобігання

56

і ліквідації негативного впливу господарської та іншої діяльності на навколишнє

природне середовище, збереження природних ресурсів, генетичного фонду

живої природи, ландшафтів та інших природних комплексів, унікальних

територій та природних об'єктів, пов'язаних з історико-культурною

спадщиною [34].

57

7 ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА

Введення

Провідну роль в економічному розвитку займає науково-технічний

прогрес, а на даному етапі він пов'язаний з розвитком персональних комп'ютерів

(ПК) та комп'ютерних технологій. Тому потрібно впроваджувати системи

автоматизованого проектування (САПР), за допомогою яких буде значно

скорочено весь процес від моменту постановки технічного завдання до моменту

початку виготовлення готової продукції, що в свою чергу сприятиме зростанню

продуктивності праці.

Це можна досягти завдяки тому, що на сучасних комп'ютерах можна

змоделювати просторову модель конструкції практично будь-якої складності.

Після моделювання конструкції в CAD-системі, можна приступити до

розрахунку її механічних властивостей в CAE-системі. Такі розрахунки

дозволяють визначити придатність моделі і її відповідність висунутим вимогам.

Більш того, відпадає потреба в проведенні великої кількості практичних іспитів.

Вибір конкретних програмних комплексів здійснюється виходячи з кола

поставлених задач проектування і економічної віддачі від їх впровадження. Для

конструкторського складу буває необхідно створити адаптований під полегшене

використання спеціалізований програмний комплекс для вирішення завдання.

Цей комплекс створюється таким чином, що зводить спілкування конструктора з

комп'ютером до введення декількох параметрів в окремій формі.

7.1 Техніко-економічний огляд прийняття рішень

В даній бакалаврській роботі об'єктом дослідження є комп’ютерне

моделювання роботи планетарної зубчатої передачи. Розрахунок виконано

методом скінченних елементів, для побудови моделі використовувалися

програмні комплекси SolidWorks, при розбивці на скінченні елементи

використовувалися програмні комплекси FEMAP.

58

Результатом застосування комплексу може бути:

1) скорочення часу необхідного на розрахунок конструкції;

2) підвищення продуктивності праці конструкторів;

3) підвищення довговічності проектуємого вибору.

Все це потребує розрахунку загальних витрат, пов'язаних з розробкою

НДР.

7.2 Розрахунок витрат на науково-дослідницьку роботу (НДР)

Виконання наукових досліджень вимагає певних витрат, які необхідно

розглядати як додаткові капіталовкладення.

При цьому приймаємо:

- вартість оренди 1 м2 площі/міс, P=250 грн.;

- площа приміщення, S=20 м2;

- потужність персональної електронної обчислювальної машини

(ПЕОМ), W1=0.45 кВт;

- потужність освітлювального приладу, W2=0,6 кВт;

- вартість електроенергії 1 квт·год, ТТ=0,7126 грн.;

- коефіцієнт невиходів =5 %;

- вартість ПЕОМ, Sk=8000 грн.;

- кількість робочих днів у місяці, Др=25 днів;

- час роботи на комп'ютері, Тk=5 міс;

- час розробки НДР, tp=5 міс.

Розраховуємо ефективний фонд часу:

T э=Д р⋅8⋅(1− α

100). (7.1)

Отже

T э=25⋅8⋅(1− 5

100)=190

год.

59

7.2.1 Заробітна плата

Розрахунок основної заробітної плати виконавців проводиться, виходячи зі

штатного розкладу зайнятості виконавців цієї НДР, що наведений у таблиці 7.1.

Таблиця 7.1 – Штатний розклад

Посада Кількість

виконавців

Оклад в

місяць, грн

Кількість

місяців

зайнятості

Сума зарплати

Керівник

проекту1 1800 1 1800

Інженер-

дослідник1 1500 5 7500

Всього 2 9300

7.2.2 Відрахування в бюджет

На заробітну плату з урахуванням преміального фонду нараховуються

відрахування, що направляються в бюджет держави:

ВБ= З% ВБ (7.2)

- пенсійні внески – 33,2 %;

- внески на страхування від непрацездатності – 1,5 %;

- внески на страхування від безробіття – 1,3 %;

- внески на страхування від нещасного випадку на виробництві – 0,8 %

Розрахунки:

0,332+0,015+0,013+0,008=0,368,

9300·0,368=3422.4 грн.

60

7.2.3 Витрати на матеріали

Витрати на матеріали, канцелярсько-письмові приналежності

розраховуються за кількістю та їхніми прейскурантними цінами. Перелік

використовуваних матеріалів і їхні ціни приведені в таблиці 7.2.

Таблиця 7.2 - Витрати на матеріали

Найменування Ціна за одиницю, грн Кількість Сума

Диски DVD-RW, шт 2.5 4 10

Папір для друку А4, шт 5 10 50

Чорно-білий друк на

принтері А4, лист0,30 150 45

Папка, шт 5 3 15

Ручка кулькова, шт 1 1 1

Всього 121

7.2.4 Витрати на електроенергію

Витрати на електроенергію розраховуються через потужність

електроустановок. У перелік електроустановок входять:

-прилади освітлення лабораторії;

-ПЕОМ.

Витрати на електроенергію розраховуються за формулі:

S=TT⋅(T1⋅W 1+T 2⋅W 2 ), (7.3)

де T T – тариф на електроенергію;

T 1, T 2 – час використання ПЕОМ і приладів освітлення відповідно;

W 1 , W 2 – потужність ПЕОМ і приладів освітлення відповідно.

61

T 1=T k⋅Д р⋅Г Д , (7.4)

де Г Д – кількість годин, що використовувався ПЕОМ в день.

T 1=5⋅25⋅6=750 год .

Т 2=Т К⋅Д Р⋅Г ДО , (7.5)

де Г ДО – кількість годин, що використовувалися прилади освітлення, в

день.

Т 2=5⋅25⋅4=500 год .

Отже

S=0,7126(7500,45+5000,6)=454,2825 грн.

7.2.5 Витрати на воду й інші ресурси

Витрати на воду і інші ресурси для технічних цілей визначаються

аналогічно витратам на електроенергію, виходячи з добової потреби і поточних

роздрібних цін. При виконанні НДР витрати на воду й інші ресурси були

враховані у орендній платі.

7.2.6 Витрати на устаткування і покупні вироби

До кошторису включається вартість тільки того устаткування, що

безпосередньо використовується для проведення даної НДР, тобто одноразове

застосування. Ці витрати визначаються з розрахунку числа такого устаткування і

його цін. При виконанні даної НДР подібне устаткування не використовувалося.

7.2.7 Витрати на малоцінний інвентар

Витрати на малоцінний інвентар та інструмент, що швидко зношується,

приймають у розмірі 10 – 15 % вартості використовуваного устаткування. При

виконанні даної НДР подібне устаткування не використовувалося.

62

7.2.8 Амортизаційні відрахування

Амортизаційні відрахування розраховуються на основні фонди

лабораторії, що знаходяться в експлуатації тривалий час. При виконанні даної

НДР використовувався наступний елемент основних фондів – персональний

комп’ютер.

Розрахунок амортизаційних відрахувань має такий вигляд:

A=

N a⋅tp⋅CO

12⋅100 , (7.6)

де Na – норма амортизації основних фондів, %;

tp – тривалість виконання НДР, міс;

CO – вартість основних фондів, грн.

Норма амортизації основних фондів приймається в наступних розмірах:

ПЕОМ – 25 %.

Вартість ПЕОМ оцінюється в 8000грн. Таким чином вартість

амортизаційних відрахувань обчислювальної техніки складає:

A1=

25⋅5⋅80001200

=833 .33 грн. (7.7)

Розрахунок витрат на НДР приведений в таблиці 7.3.

Таблиця 7.3 - Розрахунок витрат на НДР

№ Стаття витрат Методика розрахунку Сума, грн

1Основна зарплата за штатним

розкладом

Табл. 7.1 9300

2 Відрахування в бюджет Пункт 7.2.2 3422.4

3 Витрати на матеріали Табл. 7.2 121

4 Витрати на електроенергію Пункт 7.2.4 454.2825

5 Амортизаційні відрахування Пункт 7.2.8 833.33

ВСЬОГО 14131.0125

63

ВИСНОВКИ

В даній бакалаврській роботі виконувалось моделювання роботи

планетарної зубчатої передачі, яке включало до себе наступні етапи:

- виконання інженерних розрахунків геометрії та міцності зачеплень у

системі APM WinMachine;

- орієнтовна оцінка діаметрів валів предачі;

- моделювання евольвентних зубців коліс за допомогою модулю

GearTrax;

- побудова на базі отриманих результатів моделі редуктора у системі

SolidWorks;

- побудова скінченно-елементної моделі у системі FEMAP;

- проведення аналізів контактних напружень та деформацій у системі

FEMAP

- розрахунок контактних напружень за допомогою формули Герца;

- перевірка збіжності результатів, отриманих різними методами.

Аналіз результатів показав практично повну збіжність контактних напруг,

розрахованих за формулою Герца та системою APM WinMachine. Розбіжність з

розрахунком контактної взаємодії методом скінченних елементів у системі

FEMAP складає приблизно 8%, що є задовільним.

Використання CAD/CAE пакетів дозволяє зекономити час та кошти під час

проектування зубчастих передач та редукторів.

Також під час виконання роботи були:

- розглянуті питання з охорони праці та навколишнього середовища;

- виконано економічну частину роботи, а саме, проведено розрахунок

витрат на НДР.

Поставлені завдання були успішно виконані.

64

СПИСОК ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ

1 Киркач Н. Ф., Баласанян Р. А. «Расчет и проектирование деталей машин»:

[Учеб. пособие для техн. вузов].— 3-е изд., перераб. и доп.— X.. Основа,

1991.— 276 с.

2 Научно-технический центр АПМ «Учебное пособие по APM WinMachine»,

— 52 с, http://www.apm.ru/rus/.

3 А. А. Алямовский, А. А. Собачкин, Е. В. Одинцов, А. И. Харитонович, Н.

Б. Пономарев «SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моде-лирование в

инженерной практике»: БХВ Петербург, 2008 – 1040 с.

4 «http://www.solidworks.ru» - офіційний сайт SolidWorks в Росії

5 «http://files.solidworks.com/Supportfiles/Whats_new/2011/Russian/

whatsnew.pdf» – Новые возможности SolidWorks 2011.

6 Р. Галлагер Метод конечных элементов Пер. с англ. – М.: Мир, 1984г. –

428с.

7 «http://ru.wikipedia.org/wiki/Механика_контактного_взаимодействия» -

інформація про контактну взаємодію твердих тіл.

8 Иванов М. Н. «Детали машин: Учебник для машиностроительных

специальностей вузов» М.Н. Иванов, В.А. Финогенов. — 12-е изд. испр. —

М.: Высш. шк., 2008. — 408 с.

9 Рудаков Константин Николаевич «UGS Femap 9.3.0 Геометрическое и

конечно-элементное моделирование конструкций». - К.:КПИ, 2009. - 296 с.

10 Рудаков Константин Николаевич «UGS Femap 10.2.0 Геометрическое и

конечно-элементное моделирование конструкций». - К.:КПИ, 2011. - 317 с.

11 «http://ru.wikipedia.org/wiki/Механический_редуктор» - інформація про

редуктор.

12 «http://ru.wikipedia.org/wiki/Механика_контактного_взаимодействия» –

інформація про механіку контактної взаємодії.

13 «http://ru.wikipedia.org/wiki/

Система_автоматизированного_проектирования» – інформація о САПР.

65

14 Конституція України. Розділ // Стаття 23.- від 28.06.96 р.

15 Закон України «Про охорону праці». – від 21.11.2002.

16 ГОСТ 12.0.003.74*. ССБТ. Опасные и вредные производные факторы.

Классификация.- Введ. 01.01.76. Изменен 1978.

17 ГОСТ 12.1.003-83*. ССБТ. Шум. Общие требования безопасности. – Введ.

01.07.84.

18 ГОСТ 12.1.029-80. ССБТ. Средства и методы защиты от шума.

Классификация. – Введ. 01.07.81.

19 ДСТУ ГОСТ 12.1.012.2008.Вібраційна безпека. Загальні вимоги. – Введ.

01.02.2008.

20 ДСТУ ГОСТ 26566885:2009. Методи й засобі вібраційного захисту.- Введ.

01.02.2009.

21 ДСТУ ГОСТ 12.1.006:2008. Електромагнітні поля радіочастот. Допустимі

рівні на робочих місцях і вимоги до проведення контролю. – Введ.

01.02.2008.

22 ГОСТ 12.1.045-84. ССБТ. Электростатические поля. Допустимые уровни

на робочих местах и требования к проведению контроля. – Введ. 01.01.85.

23 ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к

воздуху раб очей зоны.- Введ. 01.01.89.

24 СНиП 2.04.05-91. Строительные нормы и правила. Отопление, вентиляция

и кондиционирование воздуха. – М. : Стройиздат. 1992-110с.

25 ДБН В.2.5-28-2006. Державні будівельні норми. Інженерне обладнання

будинків і споруд. Природне і штучне освітлення. – К.: Мінбуд України,

2006. – 80с.

26 НПАОП 0.00-1.28:2010.Правила охорони праці під час експлуатації

електронно-обчислювальних машин. – К.: 1999- 26с.

27 ПУЭ – 87. Правила электроустановок. – М.: Энергоатомиздат. 1988 - 648с.

28 ГОСТ 12.1.019-79*. ССБТ. Электробезопасность. Общее требование и

номенклатура видов защиты. – Введ.01.07.80. Измен.1986.

66

29 ГОСТ 12.1.030-81*. ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление.

Зануление. – Введ. 01.07.82. Измен. 1987.

30 НАПБ Б.03.002-2007. Нормативний акт пожежної безпеки. Норми

визначення категорій приміщень, будинків та зовнішніх установок за

вибухопожежною та пожежною небезпекою. – Затвердж. Наказом МНС

від 03.12.2007, №833.

31 ДБН В.1.1-7-202. Державні будівельні норми. Захист від пожежі. Пожежна

безпека об’єктів будівництва. – К.: 2003. – 41с.

32 ГОСТ 12.1.004-91*. ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. –

Введ. 01.07.92.

33 ДСТУ Б В.2.5-38.2008. Інженерне обладнання будинків і споруд.

Улаштування блискавко захисту будівель і споруд(IEC 62305.2006,NEQ).

34 Закон України «Про охорону навколишнього природного середовища» -

25.06.1991 року.