Использование центрифуги

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Использование центрифуги

Использование центрифуги

65

Реферат

Целью данной курсовой работы является разработка, проектирование и расчёт центрифуги лабораторной клинической . Курсовая работа состоит из графической, теоретической и расчётно-конструкторской частей.

Теоретическая часть включает в себя обзор патентной и научно-технической литературы, описание конструкции и принципа действия центрифуги, расчёт фактора разделения и вывод уравнения движения рабочего органа.

Расчётно-конструкторская часть содержит расчёт электродвигателя и рабочего органа центрифуги , тепловой и вентиляционный расчёты.

Содержание

Введение

1. Теоретическая часть

1.1 Обзор научно-технической литературы

1.2 Медико-биологические основы фактора разделения

1.3 Описание конструкции и принципа действия прибора

1.4 Вывод уравнения движения рабочего органа

2. Расчётно-конструкторская часть

2.1 Расчёт основных параметров электропривода

2.2 Расчёт основных параметров электродвигателя

2.3 Расчёт шарикоподшипников

2.4 Тепловой расчёт

2.5 Вентиляционный расчёт

2.6 Расчёт надёжности

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Центрифугирование - это разделение грубодисперсных систем, состоящих из жидких и твёрдых компонентов с различными плотностями под действием центробежных сил.

Центрифугирование применяется в биологии, медицине, технике, часто заменяя собой процессы отстаивания, фильтрования и отжимания.

Центрифуга лабораторная клиническая является центрифугой периодического действия, обычно переносной, с частотой вращения до 3000 об/мин (50 1/с), предназначенной для разделения неоднородных жидких систем плотностью до 2 г/см3 в поле центробежных сил.

Центрифуга предназначена для применения в практике лабораторной клинической диагностики.

1. Теоретическая часть

1.1 Обзор научно-технической литературы

Центрифуга - аппарат для создания центробежной силы для разделения неоднородной смеси на составные части различной плотности.

Первая центрифуга была сконструирована в 1877 г. В Германии Лефельдом (W. Lefeld).

Принцип работы центрифуги заключается в том, что центробежная сила , возникающая при вращении ротора , смещает находящиеся в растворе частицы в направлении от оси вращения при условии , что плотность частиц превышает плотность раствора.

Таким образом центрифугированием называют разделение с помощью центробежных сил неоднородных систем, состоящих из жидкости и твёрдых частиц (суспензии) или двух взаимонерастворяющихся жидкостей с различным удельным весом (эмульсия).

По принципу действия центрифуги делят на осадительные и фильтрующие.

В осадительных центрифугах ротор выполнен со сплошной стрелкрй. При разделении суспензий твёрдые частицы, имеющие, как правило удельный вес больший , чем жидкая фаза , под действием центробежной силы осаждаются на обечайке ротора в виде кольцевого слоя; жидкая фаза также в виде кольцевого слоя располагается ближе к оси вращения.

Разновидностью осадительных центрифуг являются сепарирующие центрифуги , предназначенные для разделения эмульсий. При разделении эмульсии у обечайки ротора располагается слой жидкости с большим удельным весом, близко к оси вращения - с меньшим удельным весом.

В фильтрующих центрифугах ротор выполнен с перфорировонной обечайкой, на внутренней поверхности которой закреплена фильтрующая перегородка (сито или ткань). При разделении суспензий жидкая фаза проходит через фильтрующую перегородку , а твёрдая одновременно откладывается на фильтрующей перегородке в виде кольцевого слоя.

По характеру процесса центрифугирования центрифуги делятся на центрифуги периодического действия и центрифуги непрерывного действия. В центрифугах периодического действия различные операции центрифугирования - загрузка, разделение, выгрузка - происходят последовательно и периодически. В центрифугах непрерывного действия все эти операции происходят одновременно и непрерывно.

По способу выгрузки осадка из ротора различают центрифуги с ручной выгрузкой , гравитационной выгрузкой , выгрузкой ножом , пульсирующим поршнем , шнековой выгрузкой , с помощью вибрации.

Ручная выгрузка. В центрифугах непериодического действия ручную выгрузку производят после остановки ротора.

Гравитационная выгрузка. В фильтрующих центрифугах периодического действия осадок выгружается под действием собственного веса после остановки ротора.

Выгрузка пульсирующим поршнем. В фильтрующих центрифугах осадок выгружается при возвратно-поступательном движении внутреннего каскада ротора (поршня). При этом осадок выводится из ротора непрерывно без остановки ротора.

Выгрузка ножом. В центрифугах непрерывного действия осадок выгружается ножом при рабочем или пониженном числе оборотов ротора.

Шнековая выгрузка. В центрифугах непрерывного осадок выгружается при вращении шнека относительно ротора. При этом осадок выгружается непрерывно без остановки ротора.

Выгрузка с помощью вибрации. В центрифугах непрерывного действия осадок выгружается вследствие колебаний конденсного ротора в осевом направлении. При этом осадок непрерывно выгружается из ротора при рабочем числе оборотов.

В зависимости от расположения оси вращения центрифуги разделяют на вертикальные , горизонтальные и наклонные.

Центрифуги широко применяются в лабораторной практике.

Лабораторные центрифуги предназначены для разделения биологических жидкостей на фракции с диагностической целью, например, для определения объёмного соотношения компонентов крови больного либо для дальнейшего анализа выделенной фракции с целью определения химического состава, структуры, молекулярного веса (массы) и т.д.

В лабораторной практике применяют центрифуги общего назначения (частота вращения ротора до 6000 - 8000 об/мин), скоростные рефрежераторные центрифуги (частота вращения ротора 18000 - 25000 об/мин) и ультрацентрифуги (частота вращения ротора до 75000 - 80000 об/мин).

Особую группу представляют собой узкоспециализированные центрифуги предназначенные для стандартных клинических анализов крови , например, для определения гематокритного числа. К группе узкоспециализированных центрифуг относят центрифуги с помощью которых разделяют цельную кровь на плазму и форменные элементы.

В зависимости от цели в лабораторной практике различают препаративное и аналитическое центрифугирование .

При препаративном центрифугировании исходный биологический материал берут в больших количествах (от нескольких десятков миллилитров до нескольких литров) и выделенные компоненты используются для дальнейших исследований .

При аналитическом центрифугировании исходный биологический материал берут в небольших количествах ( не более 1 мл) и подвергают центрифугированию на аналитических ультрацентрифугах. Полученные на основе такого центрифугирования данные могут дать объективное представление о чистоте молекул и структуре исследуемого вещества.

Центрифугирование делится на дифференциальное , зонально-скоростное, равновесное.

В медицине используется , как правило , дифференциальное центрифугирование , основанное на различных скоростях осаждения частиц на дно пробирки. Большое применение этот метод нашёл гематологии для разделения крови на плазму и форменные элементы.

В медико-биологических исследованиях центрифугирование широко применяется для разделения на фракции гомогенов тканей в качественном и количественном анализе.

1.2 Медико-биологические основы фактора разделения.

Фактор разделения показывает во сколько раз ускорение центробежного поля , развиваемого в данной центрифуге больше ускорения гравитационного поля.

Фактор разделения определяется по формуле или программе

;

где - угловая скорость, 1/с ;

n - число оборотов ротора в минуту;

R - внутренний радиус ротора , м ;

g- ускорение гравитационного поля , ;

В осадительных центрифугах более правильно подсчитывать фактор разделения по радиусу внутренней цилиндрической поверхности жидкостного слоя. Для сравнения эффективности различных машин принято подсчитывать фактор разделения по большему внутреннему радиусу ротора.

Поставим задачу увеличения скорости оседания эритроцитов до уровня, когда весь процесс займёт время 180 - 600 с.

Пусть длина пробирок, которые устанавливаются в центрифугу, составляет 10 см и будем считать , что среднее расстояние , которое проходит эритроцит составляет 5 см.

Рассмотрим пробирку с кровью в обычном состоянии. При этом будем учитывать только две силы: Fтяж и Fс

65

ПоII закону Ньютона:

(1.2.1)

Проведём ось ОУ в напралении движения тела и спроецировав на неё и получим:

(1.2.2)

(1.2.2а)

Найдём ускорение зная , что путь

(1.2.3)

(1.2.4.)

Если S=7 мм , t=3600 с , то

м/с

Под действием центробежных сил пробирка изменяет своё положение , так как центробежная сила значительно больше силы тяжести , поэтому силой тяжести в данном случае можно пренебречь

65

(1.2.5)

(1.2.6)

Запишем уравнения (2) и (6) в виде системы:

;

Предположим, что в момент времени t0 :

t0 a1=0 ; а2=0

mg=Fc1 (1.2.7)

maц=Fc2 (1.2.8)

Отношение центробежного ускорения к ускорению свободного падения называется фактором разделения , который является основным показателем работы центрифуги.

(1.2.9)

(1.2.9а)

(1.2.10)

Подставляя (10), (9а) в (6) получим:

(1.2.11)

(1.2.12)

(2а)(12):

(1.2.13)

С учётом (13) выражение (11) примет вид:

(1.2.14)

Это уравнение описывает движение частиц, взвешенных в жидкости при центрифугировании. Найдём значение ускорения для времени центрифугирования t=180 с , t=600 с.

При этом фактор разделения будет равен:

1.3 Описание конструкции и принципа действия центрифуги

Центрифуга лабораторная клиническая состоит из следующих основных частей:

1. основания;

2. пульта управления;

3. переключателя частоты вращения;

4. привода с электродвигателем и пробиркодержателем;

5. стола;

6. кожуха;

7. крышки.

Механические характеристики

Центрифуга обеспечивает установку частоты вращения пробиркодержателя 1000 об/мин , 1500 об/мин , 3000 об/мин со световой сигнализацией , устанавливаемой ступени частоты вращения.

Центрифуга оснащена десятиместным пробиркодержателем.

Максимальный объём центрифугата - 100 мл.

Питание центрифуги от сети переменного тока:

напряжение , В…………………………………………………………220

частота , Гц………………………………………………………………50

потребляемая мощность , ВА не более……………………………...300

время достижения установившегося режима работы, мин, не более…………8

время непрерывной работы , мин , не более………………………….180

неуравновешенность масс в диаметрально

расположенных пробирках , г, не более…………………………………2

Габаритные размеры

Длина……………………………………………………………………775

Ширина…………………………………………………………………700

Высота ………………………………………………………………...1215

Масса центрифуги, кг , не более………………………………………210

На основании смонтированы все основные части центрифуги. Основание представляет собой коробчатую конструкцию прямоугольной формы.

На передней части основания расположен пульт управления со световым табло , задаваемой ступени частоты вращения 1; 1,5; и 3 тысячи об/мин и клавишей включения/ выключения центрифуги.

На панели управления расположен трёхпозиционный переключатель частоты вращения.

Сбоку на основании располагается сетевой шнур и клемма «Земля» .

К верхней части основания крепится стол .

По обе стороны пульта управления расположены два предохранителя.

Электродвигатель привода центрифуги с закреплённым на нём десятиместным пробиркодержателем опирается на резиновую диафрагму. Нижним концом диафрагма закрепляется между основанием и столом. Такое крепление позволяет электродвигателю самоустанавливаться в определённой плоскости при значительном дисбалансе и гасить вибрации.

Рабочий орган конструктивно устроен так что пробирки можно закрепить либо неподвижно под каким-либо углом вращения к оси двигателя, либо изменять их угловое положение относительно оси вращения двигателя в процессе работы.

Пространство , в котором вращается пробиркодержатель закрыто кожухом, который образует рабочую камеру. Кожух для удобства обслуживания при санобработке откидывается ,для чего предварительно необходимо снять прозрачную крышку , которой сверху закрывается рабочая камера.

Центрифуга лабораторная клиническая является центрифугой периодического действия, переносной с частотой вращения до3000 об/мин, предназначенной для разделения неоднородных жидких систем плотностью до 2 г/см3 в поле центробежных сил.

Принцип работы центрифуги основан на действии центробежных сил на исследуемую неоднородную жидкую систему , находящуюся в гильзах или пробирках. Центробежные силы создаются при вращении пробиркодержателя (ротора) с помощью электродвигателя. Скорость вращающегося разделения компонентов смеси ,помещённых в центрифугу , во много раз выше по сравнению со скоростью разделения под действием силы тяжести. При этом , частицы , имеющие различные массы , разделяются слоями , относительно друг друга. Траектория движения частицы происходит по спирали.

1.4 Вывод уравнения движения рабочего органа

Номинальный режим работы АД достаточно характеризовать номинальными значениями линейного напряжения на статоре и частотой его питания , а также моментом на валу двигателя М2н. Часто вместо М2н указывают две другие величины: величину мощности на валу Р2м и скорость вращения ротора Пн.

Рабочие характеристики могут быть исследованы при следующих предположениях:

1) напряжение, приложенное к первичной обмотке и токи в обмотках изменяются во времени по гармоническому закону ;

2) магнитодвижущая сила обмоток, а следовательно и магнитное поле в рабочем зазоре распределено вдоль зазора по гармоническому закону;

3) на роторе есть к.з. обмотки;

4) индуктивное и активное сопротивления обмоток - постоянные .

Рассмотрим частный случай , когда ротор АД неподвижен. Тогда из принципа действия АД следует , что поле взаимной индукции обмоток статора и ротора (результирующее поле в зазоре) вращается с синхронной скоростью , определяемое частотой питающей сети . При этом питающее напряжение подаётся на трёхфазную обмотку статора с числом пар плюсов

В этом случае поле в зазоре между статором и ротором индуцирует в обмотке статора и ротора ЭДС одинаковой частоты . При этом действующее значение ЭДС в обмотках соответственно будут равны:

(1.4.1)

где Ф - магнитный поток ,

- обмоточные коэффициенты,

- количество витков в обмотке статора и ротора.

Отношение этих ЭДС определяет коэффициент трансформации по напряжению

(1.4.2)

Если учесть потоки рассеяния , то наводимые от них ЭДС в комплексной форме имеют вид:

(1.4.3)

где - индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора

Уравнение напряжения обмоток АД аналогично уравнениям трансформатора с к.з. вторичной обмоткой:

(1.4.4)

(1.4.5)

где z1 , z2 - комплексные сопротивления обмоток

Индукция результирующего поля в зазоре АД определяется результирующей магнитодвижущей силой обмоток статора и ротора , которая вращается при неподвижном роторе с одинаковой скоростью:

Следовательно, скорости вращения магнитного поля статора и ротора относительно друг друга неподвижны. Введём векторы МДС обмоток статора и ротора , которые совпадают с векторами токов в обмотках.

Если обозначить результирующую МДС через

(1.4.6)

где

,

- число фаз в обмотках ,

- действующее значение тока в обмотках, то результирующая МДС будет определяться суммой этих выражений .

С учётом некоторых допущений выражение для результирующей МДС примет вид:

где - намагничивающий ток , который протекает по первичной обмотке, даёт правильное значение результирующей МДС.

Подставляя значения МДС в (6) получим:

(1.4.7)

где - коэффициент трансформации по току

Запишем приведение уравнения неподвижного АД:

(1.4.8)

(1.4.9)

(1.4.10)

(1.4.11)

где - приведённая к первичной обмотке ЭДС обмотки ротора ;

- коэффициент трансформации по напряжению

Приведённые значения сопротивлений обмоток ротора:

;

;

;

;

Предположим , что ротор вращается относительно статора с некоторой скоростью и по направлению вращения магнитного поля статора. В этом случае частота ЭДС и тока в обмотке ротора будет связана с частотой вращения магнитного поля статора следующей зависимостью:

,

где s - скольжение.

МДС обмоток статора и ротора вращаются относительно друг друга с разными скоростями .

Однако в пространстве эта МДС вращается с одинаковой скоростью n1 , следовательно уравнение МДС (7) будет справедливо не только для неподвижного , но и подвижного (вращающегося) АД.

Факт вращения ротора , приводящий к изменению частоты и тока в обмотке ротора будет сказываться лишь на величине ЭДС , индуцированной в ней.

Для вращающейся асинхронной машины уравнение напряжения обмотки ротора приобретает вид:

Приводя это уравнение к первичной к первичной обмотке:

(1.4.12)

Разделив это выражение на скольжение и присоединив к нему выражения (8), (10), (11) получим систему уравнений вращающегося АД:

(1.4.13)

(1.4.14)

65

Мощность , потребляемая двигателем p1 определяется выражением :

(1.4.19)

При этом электромагнитная мощность обмотки статора:

(1.4.20)

Электромагнитная мощность поля в магнитном зазоре :

(1.4.21)

Механическая мощность электродвигателя :

(1.4.22)

Установившийся режим работы АД определяется уровнями электрических цепей и уравнениями моментов. Полная характеристика режима может быть дана только , если известно выражение электромагнитного момента через параметры величин , входящих в уравнения электрических цепей.

(1.4.23)

где - круговая частота вращения

Механический момент через электромагнитный момент определяется следующим образом :

(1.4.24)

С учётом всех моментов можно записать , что уравнения моментов действующих на ротор АД имеет вид:

(1.4.25)

где - динамический момент

Если обозначить , то в результате дифференцирования последнего уравнения по q получим :

(1.4.26)

обозначая :; и подставляя значения получим:

Решение будет иметь вид:

Режим асинхронного двигателя устойчив , если

2. Расчётно-конструкторская часть

2.1 Расчёт основных параметров электропривода

Неуравновешенность ротора складывается из-за биения цилиндрических поверхностей относительно базовых поверхностей , изгиба вала , эксцентрического расположения детали относительно оси вращения , радиального биения в подшипниках.

Определим неуравновешенность от эксцентрического расположения деталей относительно оси вращения при осевой посадке :

(2.1.1)

где Q - нагрузка ротора,

- максимально возможный зазор между ротором и валом,

- допуск на несоосность валa

Q=4,39 Н;

с учётом посадки Е9/h8 равен 0,102мм;

допуск =0,01мм.

Подставим данные в (2.1.1):

Найдём неуравновешенности от цилиндрических поверхностей :

(2.1.2)

где - плотность материала,

D - диаметр цилиндрических поверхностей,

- длина,

- допуск.

Для ротора , сделанного из стали , D=11мм, =17мм, ,

Наиболее вероятная начальная неуравновешенность равна:

Определим неуравновешенность при загрузке ротора двумя пробирками в диаметрально противоположных концах при условии заполнения в одной пробирке максимальным количеством жидкости , а другой - минимальным . Возьмём пробирку БП по ГОСТ 19908 - 80 с размерами: D=161,2мм; Н=1501мм; S=1,20,5мм, наполненную жидкостью с плотностью (для крови).

Следовательно, минимальный внутренний диаметр будет находиться на высоте жидкости 251мм от нижней наружной поверхности. Используя формулы элементарной математики:

(2.1.4)

Учитывая , что масса пробирки равна 1, 7210-2 кг :

Определим эксцентриситет ротора , вызванный наличием пробирок разной массы. Он определяется из условия центра масс:

(2.1.5)

2.2 Расчёт основных параметров электродвигателя

I Исходные данные

1) номинальный режим работы - продолжительный ,

2) исполнение ротора - короткозамкнутый ,

3) номинальная отдаваемая мощность p=40 Вт ,

4) количество фаз статора m1=3 ,

5) частота сети f=50 Гц ,

6) номинальное линейное напряжение 220 В ,

7) синхронная частота вращения n1=1500 об/мин ,

8) вероятность безотказной работы обмотки за наработку 1000 ч pоб=0,9

9) количество пар полюсов p=2.

II Главные размеры , материал ([1] , с.126)

1) выбираем наружный диаметр сердечника статора Dн1=98мм,

2) внутренний диаметр сердечника статора

(2.2.1)

3) расчётная мощность двигателя (2.2.2)

где -коэффициент намагничивания,

,

- косинус угла потерь,

4) расчётная длина сердечника статора (2.2.3)

где А1=110 А/см ,

- электромагнитные нагрузки ,

- обмоточный коэффициент,

5)

(2.2.4)

условие выполняется.

6) количество пазов сердечника статора (2.2.5)

для выбираем количество пазов на полюс и фазу , тогда

7) наружный диаметр сердечника ротора (2.2.6)

где - воздушный зазор между ротором и статором

8) внутренний диаметр сердечника ротора

(2.2.7)

9) длина сердечника ротора

10)количество пазов сердечника ротора для двигателей с короткозамкнутым ротором выбирают в зависимости от z1.

Для

11) в качестве материала сердечников статора и ротора выберем сталь марки 2013 толщиной 0,5 мм , изолировка - оксидирование , коэффициент сопротивления 0,97.

III Обмотка статора ([1] , с.137)

Обмотку статора выполняют зонной. Каждая зона равна 6021 град.

1) коэффициент распределения (2.2.8)

где

2) выбираем тип обмотки однослойную с диаметральным шагом по пазам:

(2.2.9)

3) предварительное значение магнитного потока:

(2.2.10)

4) предварительное количество витков в обмотке фазы:

(2.2.11)

5) предварительное количество эффективных проводников в пазу:

(2.2.12)

где - количество параллельных ветвей обмотки статора , которое должно быть из делителей числа полюсов

Округлим до ближайшего целого числа .

Уточним предварительно установленные параметры :

6) для определения высоты паза найдём высоту спинки статора:

(2.2.13)

где - среднее значение магнитной индукции в спинке статора для 2р=4

7) ширина зубца (2.2.14)

где - зубцовое деление по внутреннему диаметру статора;

- среднее значение магнитной индукции в зубцах статора для 2р=4

8) высота паза (2.2.15)

9) большая ширина паза (2.2.16)

10) меньшая ширина паза (2.2.17)

11) проверка правильности определения b1 и b2 из требования b31=const:

12) площадь поперечного сечения паза в штампе:

(2.2.18)

13) площадь поперечного сечения паза в свету:

(2.2.19)

где - припуски на сборку

14) площадь поперечного сечения корпусной изоляции:

 (2.2.20)

где - среднее значение односторонней толщины корпусной изоляции.

15) площадь поперечного сечения прокладок:

(2.2.21)

16) площадь поперечного сечения паза , занимаемого обмоткой:

(2.2.22)

17) диаметр провода выбирают из условия : коэффициент заполнения

(2.2.23)

Стандартный диаметр изолированного провода .

Соответствующий ему диаметр неизолированного провода

площадь поперечного сечения (провод марки ПЭТВ).

18) размеры элементов обмотки :

- среднее зубцовое деление статора

(2.2.24)

- средняя ширина катушки обмотки статора:

(2.2.25)

- средняя длина одной лобовой части катушки:

(2.2.26)

- средняя длина витка обмотки:

(2.2.27)

- длина вылета лобовой части обмотки:

(2.2.28)

IV Обмотка короткозамкнутого ротора ([1], с.145)

1) высота пазов короткозамкнутого ротора для ,

2) расчётная высота спинки ротора:

(2.2.29)

3) магнитная индукция в спинке ротора:

(2.2.30)

4) зубцовое деление по наружному диаметру ротора:

(2.2.31)

5) магнитная индукция в зубцах ротора :

6) ширина зубца (2.2.32)

7) меньший радиус паза

(2.2.33)

8) больший радиус паза:

(2.2.34)

где - для полузакрытого паза

9) расстояние между центрами радиусов:

(2.2.35)

10) проверка правильности определения r1 и r2 из условия b32=const :

(2.2.36)

11) площадь поперечного сечения стержня , равная площади поперечного сечения паза в штампе :

(2.2.37)

V Коротко замыкающее кольцо обмотки статора ([1], с.145)

1) поперечное сечение кольца клетки :

(2.2.38)

2) высота кольца клетки (2.2.39)

3) длина кольца (2.2.40)

4) средний диаметр кольца

(2.2.41)

VI Расчёт магнитной цепи.

Магнитная цепь асинхронного двигателя состоит из 5 следующих однородных участков , соединённых в последовательности :

1) воздушный зазор между ротором и статором ,

2) зубцы ротора ,

3) зубцы статора ,

4) спинка ротора ,

5) спинка статора .

При расчёте каждого элемента полагают ,что магнитная индукция

распространена равномерно.

1. Расчёт МДС для воздушного зазора

а) определим коэффициент учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения статора :

(2.2.42)

б) коэффициент , учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения ротора :

(2.2.43)

в) общий коэффициент воздушного зазора:

(2.2.44)

2. Определение МДС для зубцов ротора .

а)

б) (2.2.45)

в) (2.2.46)

3. Расчёт МДС для зубцов статора .

а) напряжённость магнитного поля:

б) средняя длина пути магнитного потока:

в)

- Коэффициент проводимости рассеяния:

(2.2.47)

где - размер обмотки,

- размеры частей паза и обмоток,

- коэффициенты, учитывающие укорочение шага

обмотки .

- Коэффициенты , учитывающие влияние открытия пазов статора на

проводимость дифференциального рассеяния :

(2.2.48)

- Коэффициент проводимости :

(2.2.49)

- коэффициент , учитывающий демпфирующую реакцию токов, наведённых в короткозамкнутых обмотках ротора .

- Полюсное деление: (2.2.50)

- Коэффициент проводимости расселения лобовых частей обмотки:

(2.2.51)

- Коэффициент проводимости рассеяния обмотки статора :

(2.2.52)

- Индуктивное сопротивление обмотки фазы статора :

(2.2.53)

Расчёт сопротивления обмотки ротора

1. Активное сопротивление короткозамкнутой обмотки (при t=20oC)

(2.2.54)

где - удельная электрическая проводимость Al при 20оС

2 Коэффициент приведения тока кольца к току стержня :

(2.2.55)

3 Сопротивление короткозамкнутого кольца , приведённое к току стержня ( при 20оС ) :

(2.2.56)

4 Центральный угол скоса пазов :

(2.2.57)

5 Коэффициент скоса пазов ротора:

6 Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора:

(2.2.58)

7. Активное сопротивление обмотки ротора ( при 20оС ). Оно считается приведённым к обмотке статора:

(2.2.59)

8. Ток стержня ротора для рабочего режима :

(2.2.60)

9. Коэффициент проводимости рассеяния :

(2.2.61)

10. Количество пазов ротора на полюс и фазу:

(2.2.62)

11. Коэффициент дифференциального рассеяния:

12. Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния :

(2.2.63)

13. Коэффициент проводимости рассеяния короткозамкнутых колец беличьей клетки:

14. Относительный скос пазов ротора:

(2.2.65)

15. Коэффициент проводимости рассеяния скоса пазов:

(2.2.66)

16. Коэффициент проводимости рассеяния обмотки ротора:

(2.2.67)

17. Индуктивное сопротивление обмотки ротора:

(2.2.68)

18. Индуктивное сопротивление обмотки ротора, приведённое к обмотке статора :

Режим холостого хода и номинальный режим

- Режим холостого хода.

1. Реактивное сопротивление тока статора при синхронном вращении :

(2.2.70)

где - коэффициент рассеяния статора ,

- коэффициент сопротивления статора ,

2. Электрические потери в обмотке статора при синхронном вращении :

где ,

3. Расчётная масса стали зубцов статора при трапециедальных пазах:

(2.2.73)

4. Магнитные потери в зубцах статора:

(2.2.73)

5. Масса стали спинки статора:

(2.2.74)

6. Магнитные потери в спинке статора :

(2.2.75)

7. Суммарные магнитные потери в сердечнике статора , включающие добавочные потери стали:

(2.2.76)

8. Механические потери :

(2.2.77)

9. Активная составляющая тока хх:

(2.2.78)

10. Ток хх: (2.2.79)

11. Коэффициент мощности при хх:

(2.2.80)

- Номинальный режим.

1. активное сопротивление к.з. :

(2.2.81)

2. Индуктивное сопротивление к.з.:

(2.2.82)

3. Полное сопротивление к.з. :

(2.2.83)

4. Добавочные потери при номинальной нагрузке:

(2.2.84)

5. Максимальная мощность двигателя:

(2.2.85)

6. Эквивалентное сопротивление схемы замещения :

(2.2.86)

7. Полное сопротивление схемы замещения:

(2.2.87)

8. Проверка правильности расчётов и :

9. Скольжение: (2.2.88)

10. Активная составляющая тока статора при синхронном вращении:

(2.2.89)

11. Ток ротора : (2.2.90)

12. Ток статора : активная составляющая:

(2.2.91)

реактивная составляющая:

(2.2.92)

фазный ток: (2.2.93)

13. Коэффициент мощности : (2.2.94)

14. Ток в стержне к.з. ротора:

(2.2.95)

15. Ток в к.з. кольце: (2.2.96)

16. Электрические потери в обмотке статора и ротора соответственно:

(2.2.97)

(2.2.98)

17. Суммарные потери в АД:

(2.2.99)

18. Проводимая мощность:

(2.2.100)

19. КПД: (2.2.101)

2.3 Расчёт шарикоподшипников [4,c.422]

Выбор подшипников производится по каталогам и состоит из подбора типа подшипника и определения его наиболее рациональных размеров. Тип подшипника выбирается с учётом величины и направления нагрузки на подшипник , характера нагрузки (постоянная, переменная , ударная), частоты вращения вала , требуемого срока службы подшипника (долговечность в часах или миллионах оборотов) , а также окружающей среды и её температуры , влажности , запылённости и др.

Подшипники качения рассчитывают на долговечность (ресурс) по динамической ( при n > 1 об/мин) и статической грузоподъёмности (при ) .

Динамическая грузоподъёмность подшипника устанавливается из условия контактной выносливости таким образом , чтобы возможные контактные разрушения в подшипнике могли начаться лишь после того как внутреннее его кольцо сделает не менее одного миллиона оборотов. Критерием для выбора подшипника служит неравенство:

(2.3.1)

где - статическая грузоподъёмность , Н ;

- динамическая грузоподъёмность , Н

(2.3.2)

где R , A - радиальная и осевая нагрузки ;

Xo, Yo - коэффициенты радиальной и осевой нагрузки.

Возьмём радиальные однорядные шарикоподшипники (ГОСТ 8338 - 75).

Частота вращения ротора 3000 об/мин.

(2.3.3)

где - центростремительное ускорение;

- плечо

(2.3.4)

- масса двигателя

Выберем подшипник с параметрами [9, c.38]:

d=50мм - внутренний диаметр ,

D=90 мм - наружный диаметр ,

В=20 мм - ширина ,

Dw=12,7 мм - диаметр шариков ,

Z=10 - количество шариков 0,

2.4 Тепловой расчёт

1.Потери в обмотке статора при максимально допустимой температуре:

(2.4.1)

2. Условная внутренняя поверхность охлаждения активной части статора :

(2.4.2)

3. Условный периметр поперечного сечения :

(2.4.3)

4. Условная поверхность охлаждения пазов :

(2.4.4)

Условная поверхность охлаждения лобовых частей обмотки :

(2.4.5)

Условная поверхность охлаждения двигателя :

(2.4.6)

5. Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали , отнесённых к внутренней поверхности охлаждения активной

части статора : (2.4.7)

6. Удельный тепловой поток от потерь активной части обмотки отнесённых к поверхности пазов охлаждения :

(2.4.8)

7. Удельный тепловой поток от лобовых частей обмотки , отнесённых к поверхности охлаждения лобовых частей обмотки :

(2.4.9)

8. Окружённая скорость ротора :

(2.4.10)

9. Превышение температуры внутренней поверхности активной части статора над температурой воздуха внутри машины:

(2.4.11)

10. Переход температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри двигателя :

(2.4.12)

11. Перепад температуры в изоляции паза и катушек :

(2.4.13)

12. Перепад температуры в изоляции лобовых частей катушек из круглых проводов :

(2.4.14)

13. Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри двигателя :

(2.4.15)

14. Потери в двигателе передаваемые воздухом внутри двигателя :

(2.4.16)

15. Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой наружного воздуха :

(2.4.17)

16. Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного воздуха :

(2.4.18)

2.5 Вентиляционный расчёт

1. Необходимый расход воздуха : (2.5.1)

где - теплоёмкость воздуха,

- превышение температуры выходящего из машины воздуха над входящим ,

2. Коэффициент , зависящий от частоты вращения n1 :

(2.5.2)

3. Расход воздуха , который может быть обеспечен вентиляцией :

(2.5.3)

, т.е. элементы конструкции удовлетворяют условиям вентиляции.

4. Напор воздуха , развиваемый при вентиляции :

 (2.5.4)

5. Наружный диаметр вентилятора :

(2.5.5)

6. Длина лопаток : (2.5.6)

7. Число лопаток : (2.5.7.)

2.6 Расчёт надёжности обмотки статора

Надёжность АД определяется в основном надёжностью обмотки статора. Погрешность расчётов по упрощённой методике не превышает 20% при значениях вероятности безотказной работы обмотки . По теореме умножения вероятность безотказной обмотки , где

- соответственно вероятности безотказной работы межвитковой , корпусной и межфазной изоляции.

Многочисленные расчётные и экспериментальные данные показывают , что вероятность безотказной работы корпусной и межфазной изоляции значительно выше , чем у межвитковой ; для , . Поэтому можно ограничиться расчётом надёжности межвитковой изоляции , выполнив затем корректировку.

Исходные данные:

1. Наработка , для которой определяется вероятность безотказной работы Роб по ГОСТ 19523-74

2. Вероятность наличия хотя бы одного дефекта изоляции провода длиной 100 мм после укладки обмотки q1=0,2 .

3. Периметр свободной площади слоя обмотки:

(2.6.1)

4. Коэффициент , характеризующий качество пропитки .

5. Длина образца провода

6. Среднее значение и среднее квадратичное отклонение фазных коммутационных перенапряжений :.

7. Длина элементарного участка .

8. Средняя допустимая величина температуры обмотки: , её среднее квадратичное отклонение: .

9. Среднее значение напряжения перекрытия по поверхности изоляции промежутка толщиной , равной двусторонней толщине изоляции:

и среднее квадратичное отклонение

10. Частота включений ЭД:

11. Коэффициенты уравнения , определяющие скорость ротора дефектности

витковой изоляции:

Расчет надёжности проведём в следующей последовательности :

1. Дефектность витковой изоляции до начала эксплуатации ЭД:

(2.6.2)

2. Вероятность плотного касания витков :

(2.6.3)

3. Количество проводников , находящихся в наружном слое :

(2.6.4)

Количество проводников , находящихся во внутреннем слое:

(2.6.5)

4. Общая длина пар соседних витков в обмотке :

(2.6.6)

5. Количество последовательно соединённых секций в фазе :

(2.6.7)

6. Среднее значение и среднее квадратичное отклонение величин фазных коммутационных перенапряжений на секции :

(2.6.8)

(2.6.9)

7. Вероятность отказа витковой изоляции при воздействии одного импульса перенапряжения и при условии , что на касающихся витках имеются совпадающие дефекты :

, (2.6.10)

где

8. Номинальное фазное напряжение , приходящееся на секцию :

(2.6.11)

9. Скорость роста дефектности витковой изоляции :

(2.6.12)

10. Вероятность возникновения к.з. витковой изоляции на длине касающихся витков в течение времени :

 (2.6.13)

11.

Вероятность отказа межвитковой изоляции в течении времени :

(2.6.14)

12. Вероятность безотказной работы межвитковой изоляции в течении времени :

(2.6.15)

13. Вероятность безотказной работы обмотки статора :

(2.6.16)

14. Сравним Роб с заданным по ГОСТ 15523-74 :

Заключение

В ходе работы над курсовой работой был проведён обзор патентной и научно-технической литературы, дано физическое обоснование и расчёт фактора разделения , описана конструкция принцип действия центрифуги , произведён вывод уравнения движения рабочего органа , расчёт асинхронного двигателя и расчёт надёжности центрифуги.

Графическая часть включает в себя сборочный чертёж центрифуги и деталировку.

Список использованной литературы

1. Перель Л.Я. , Филатов А.А. Подшипники качения : Расчёт , проектирование и обслуживание опор: Справочник .-2-е изд., перераб и доп. - М. : Машиностроение, 1992 - 608с.

2. Машнев М.М., Красковский Е.Я., Лебедев П.А. Теория механизмов машин и детали машин : Учеб. пособие для студентов машиностроительных специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение , Ленинградск. отд-ние , 1980. - 512с.

3. Гольдберг О.П. и др. Проектирование электрических машин . - М. : высшая школа , 1984г. - 608с.

4. Полещук А.П. Центрифуги. Каталог-справочник. - М. : Машиностроение, - 1983. - 320с.

5. АС № 625582, СССР, Центрифуга для разделения жидких смесей , Мцитов С.Н.,1978г.

6. АС №614818 , СССР , Центрифуга для разделения суспензий , Кривотский Н.А., 1978г.