Детали машин и основы компьютерного конструирования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 
 
 

№ 2771 

Кафедра инжиниринга технологического оборудования

Л.В. Седых 
М.Г. Наумова 
В.В. Шерстнев 

Детали машин и основы 
компьютерного конструирования

 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2017 

УДК 621.81 
 
С28 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. М.Н. Скрипаленко 

Седых Л.В. 
С28  
Детали машин и основы компьютерного конструирования : 
лаб. практикум / Л.В. Седых, М.Г. Наумова, В.В. Шерстнев. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2017. – 58 с. 
 

Рассмотрены теоретические положения, необходимые для подготовки 
студентов к выполнению лабораторных работ. Описан порядок их проведения. Даны контрольные вопросы к каждой лабораторной работе. В конце работы указана рекомендуемая литература. 
Лабораторный практикум предназначен для студентов специальности 
15.03.02 «Технологические машины и оборудование». 

УДК 621.81 

 
 Л.В. Седых, М.Г. Наумова, 
В.В. Шерстнев, 2017 
 
 НИТУ «МИСиС», 2017 

СОДЕРЖАНИЕ 

Лабораторная работа 1. Исследование потерь 
в асинхронном двигателе ......................................................................... 4 
Лабораторная работа 2. Исследование зубчатой передачи 
в цилиндрическом двухступенчатом редукторе .................................. 14 
Лабораторная работа 3. Исследование зубчатой передачи 
в коническом двухступенчатом редукторе .......................................... 27 
Лабораторная работа 4. Исследование зависимости КПД 
и величины проскальзывания ремня в клиноременном 
редукторе с натяжным роликом ............................................................ 41 
 

Лабораторная работа 1 

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТЕРЬ 
В АСИНХРОННОМ ДВИГАТЕЛЕ 
(4 часа) 

1.1. Цель работы 

Ознакомление с устройством, принципом действия и исследованием зависимости КПД от частоты вращения от нагрузки в асинхронном трехфазном электродвигателе типа АИР-63-В4. Технические характеристики электродвигателя приведены в табл. 1.1. Число 
пар полюсов электродвигателя р = 2. 

Таблица 1.1 

Технические характеристика электродвигателя АИР-63-В4 

Электродвигатель 
P, 
кВт 
n, 
мин–1 η, % Коэффициент 
мощности 

пуск

ном

I

I

пуск

нои

М

М

max

ном

М
М
Масса, 
кг 

АИР-63-В4 
0,37 
1500 
67 
0,7 
4,0 
2,2 
2,3 
6,6 

1.2. Теоретическое введение 

Устройство и принцип действия асинхронного двигателя (АД) 
Принцип работы АД основан на действии вращающегося магнитного поля на приспособленную для вращения короткозамкнутую обмотку. Для усиления магнитного поля и придания ему должной конфигурации обмотки АД размещены на двух сердечниках, которые 
собираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. 
Листы друг от друга изолированы слоем лака для уменьшения потерь 
на вихревые токи. Устройство АД с короткозамкнутым ротором показано на рис. 1.1. 
У неподвижной части машины, статора, сердечник имеет форму 
полого цилиндра. В пазах с внутренней стороны этого сердечника 
уложена трехфазная обмотка. Эта обмотка включается под напряжение трехфазной сети, и возникающие в ней токи возбуждают вращающееся магнитное поле машины. 
 

Рис. 1.1. Асинхронный двигатель в разрезе 

У подвижной части, ротора, сердечник имеет форму цилиндра. 
Он укреплен на валу машины. В пазах на поверхности сердечника 
размещается обмотка ротора, в большинстве случаев короткозамкнутая. Если ее мысленно снять с сердечника, то она будет иметь 
вид цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, 
замкнутых на торцах двумя кольцами из того же материала. Такую 
обмотку называют «беличьим колесом». Стержни обмотки вставляются в пазы ротора без изоляции. Часто короткозамкнутая обмотка ротора изготавливается заливкой расплавленным алюминием 
пазов сердечника. 
Обмотка статора АД выполняется изолированным проводом и 
укладывается в пазы статора. Каждая из катушек распределяется по 
нескольким пазам. Если обмотка состоит из трех катушек, то трехфазная система токов, ее обтекающих, возбуждает вышеописанное 
двухполюсное вращение. За один период переменного тока такое 
поле делает один оборот. Следовательно, при стандартной промышленной частоте 50 Гц, т.е. 50 периодов в секунду, двухполюсное поле 
делает 50  60 = 3000 мин–1. Скорость вращения ротора обычно лишь 
на несколько процентов меньше скорости вращения поля. 

Чтобы получить двигатель с меньшей скоростью поля, нужно посредством многополюсной обмотки увеличить число полюсов вращающегося магнитного поля. Каждым трем катушкам статорной обмотки соответствует одна пара полюсов вращающегося поля. Следовательно, если трехфазная обмотка статора состоит из К катушек, то 
число пар полюсов вращающегося поля, возбуждаемого этой обмоткой, будет р = 3К. 
Направление вращения поля обусловливается последовательностью 
фаз А, В, С трехфазной сети. Для изменения направления вращения 
двигателя достаточно изменить соединение обмотки статора с сетью, 
чтобы зажим статора, соединенный первоначально с фазой А сети, был 
бы присоединен к фазе В сети. Соответственно, зажим статора, соединенный с фазой В сети, должен быть соединен с фазой А сети. Соединение третьего зажима статора с сетью остается без изменений. 

Потери и КПД асинхронного двигателя 
Преобразование электрической энергии в механическую в АД, как 
и в других электрических машинах, связано с потерями энергии. Поэтому полезная мощность на выходе двигателя Рпол всегда меньше 
мощности на входе (потребляемой мощности) Рпотр на величину потерь Рпотерь: 

 
пол
порт
потерь.
Р
Р
Р


 
(1.1) 

Потери, Рпотерь, преобразуются в теплоту, что в конечном итоге 
ведет к нагреву машины. Потери в электрических машинах разделяются на основные и добавочные. Основные потери включают в себя 
магнитные, электрические и механические. 
Магнитные потери Рмагн в АД вызваны потерями на гистерезис (перемагничивание) и потерями на вихревые токи, происходящими в сердечнике при его перемагничивании. Величина магнитных потерь пропорциональна частоте перемагничивания, которая равна частоте тока в сети. 
Электрические потери Рэл в АД вызваны нагревом обмоток статора и ротора проходящими по ним токами вследствие электрического сопротивления проводника. Величина этих потерь пропорциональна квадрату тока в обмотке. 
Механические потери Рмех – это потери на трение в подшипниках 
и на вентиляцию. Величина этих потерь пропорциональна квадрату 
частоты вращения ротора. В АД с фазным ротором механические 
потери происходят еще и за счет трения между щетками и контактными кольцами ротора. 

Добавочные потери Рдоб включают в себя все виды трудноучитываемых потерь, вызванных действием высших гармоник, пульсацией магнитной индукции в зубцах и другими причинами. Добавочные потери асинхронных двигателей принимают равными 0,5 % от 
подводимой к двигателю мощности Рпотр. 
Для двигателей мощностью от 1 до 10 кВт коэффициент полезного 
действия ηном = 5…88 %, для двигателей мощностью более 10 кВт 
ηном = 90…94 %, двигатели мощностью менее 1 кВт могут иметь и 
меньший ηном. В случае с нашим двигателем он равен 65 %. Это обусловлено постоянством магнитных и отчасти электрических потерь. 

1.3. Используемое оборудование 

Лабораторный комплекс ЛКММ-3 «Трансмиссии» состоит из 
набора приборов, предназначенных для определения потерь в различных кинематических передачах. 
Для выполнения данной лабораторной работы нам понадобятся: 
электродвигатель АИР-63-В4, измерительная система ИСММ-3, планетарный нагружатель НАГР (незаблокированный), два цилиндрических двухступенчатых редуктора с косозубым зацеплением (передаточное отношение каждого строго равно 1), замыкатель (служит для 
соединения валов передач). Схема сбора установки представлена на 
рис. 1.2. Ее описание приведено ниже. 

 

Рис. 1.2. Схема сборки установки с обозначениями направлений 
моментов М и угловых скоростей  

1. Один из цилиндрических редукторов необходимо присоединить 
через универсальный стыковочный узел к электродвигателю (поз. 1). 
2. Присоединить вал 2 (обозначен на крышке) планетарного нагружателя через универсальный стыковочный узел к редуктору (поз. 2). 
3. Присоединить второй цилиндрический редуктор через универсальный стыковочный узел к валу 1 нагружателя (поз. 3). 
4. Соединить ведомые валы редукторов с помощью замыкателя (поз. 4). 
5. Убедившись в надежности соединений, отсутствии заклиниваний и перекосов, надежно закрепить все модули на столе специальными винтами. 
6. Подключить кабель питания одним концом к специальному 
разъему на боковой панели ИСММ-3, другим концом в электрическую розетку напряжением 220 В. При этом необходимо убедиться, 
что тумблер питания ИСММ-3 находится в положении «выкл». 
7. Удостовериться в том, что на передней панели ИСММ-3 тумблер двигателя находится в положении «выкл», тумблер направления 
вращения находится в центральном положении, тумблер частоты 
находится в положении «стаб», а ее значение установлено на 0. 
8. Удостовериться в том, что на нагружателе нет никакой нагрузки. Для этого необходимо максимально ослабить винт с рукояткой на 
его верхней панели. 
9. После закрепления механизмов прокрутить вручную с помощью замыкателя всю систему. Убедиться в надежности ее работы. 
Подключить «МОМ 1/ТАХ 1» электродвигателя с помощью кабеля с разъемом DB-9M к каналу 1, а «НАГР/ТАХ 3» нагружателя к 
каналу 2 на задней панели ИСММ-3. 

1.4. Порядок выполнения работы 

1. Включить тумблер питания на боковой панели ИСММ-3, переведя его в верхнее положение. 
2. На передней панели ИСММ-3 установить тумблер двигателя в 
положение «вкл», второй тумблер (рядом с ним) установить на вращение по часовой стрелке (верхнее положение). 
3. Плавно, используя ручку «Гц» на передней панели ИСММ-3, 
установить значение оборотов двигателя, равное 10 мин–1. При этом 
смотреть необходимо не на деления ручки «Гц», а на показания 
оборотов на передней панели ИСММ-3. 
4. Оставить двигатель и механизмы включенными при таких параметрах на 5…10 мин, тем самым дав им прогреться. 

5. Подсоединить цифровой мультиметр к разъему «ток» на передней панели ИСММ-3. Напряжение измерять не имеет смысла, так как 
оно постоянное и равное 220 В. 
6. Включить мультиметр. 
7. Плавно, используя ручку «Гц» на передней панели ИСММ-3, 
установить значение оборотов двигателя 30 мин–1. 
8. Записать в табл. 1.2 установившиеся значения тока, напряжения по 
мультиметру ИСММ-3 (канал 1) и момента двигателя (равен 0 ЕМР). 
9. Плавно, используя винт с рукояткой на верхней панели нагружателя, добиться показаний нагрузка на передней панели ИСММ-3 
(канал 1) до значения в диапазоне от 100 до 200 ЕМР. 
10. Провести серию из 7 измерений для нагрузок от 300 до значения, когда число оборотов двигателя изменится более чем на 20 % от 
значения холостого хода, записать результаты в табл. 1.2. 
11. Плавно, используя ручку «Гц», установить число оборотов, равное 
0 (холостой ход), переведя ручку в крайнее левое положение, после чего 
ослабить максимально винт с рукояткой на верхней панели нагружателя. 
12. Переключить тумблер направления вращения двигателя на 
противоположное. 
13. Плавно, используя ручку «Гц» на передней панели ИСММ-3, 
установить значение оборотов двигателя 30 мин–1. 
14. Записать в табл. 1.3 установившиеся значения тока, напряжения 
по мультиметру ИСММ-3 (канал 1) и момента двигателя (равен 0 ЕМР). 
15. Плавно, используя винт с рукояткой на верхней панели нагружателя, добиться показаний нагрузка на передней панели ИСММ-3 
(канал 1) до значения в диапазоне от 100 до 200 ЕМР. 
16. Провести серию из 7 измерений для нагрузок от 300 до значения, когда число оборотов двигателя изменится более чем на 20 % от 
значения холостого хода, записать результаты в табл. 1.3. 
17. Плавно, используя ручку «Гц», установить число оборотов, 
равное 0, переведя ее в крайнее левое положение, установить тумблер направления вращения в центральное положение, тумблер 
включения/выключения двигателя в положение «выкл». 
18. Отключить питание ИСММ-3 с помощью тумблера на ее боковой панели, переведя его в нижнее положение. 

____________ 
 Выбор источника сигнала осуществляется переключателем «КАНАЛЫ». Показания снимаются в единицах младшего разряда (ЕМР) индикатора, затем по предварительным полученным калибровочным параметрам пересчитываются в значения 
сил или моментов. 

19. Максимально ослабить винт с рукояткой на верхней панели 
нагружателя, полностью разобрать собранную систему модулей. 

1.5. Обработка результатов эксперимента 

Потребляемая электродвигателем из сети мощность определяется 
выражением 

 
потр
сред
ампл
Р
I
U

, 
(1.2) 

где Iсред – средний модуль тока; 
Uампл – амплитуда напряжения. 

Мультиметр дает показания, пропорциональные среднему модулю измеряемого тока или напряжения, с коэффициентом пропорцио
нальности 

3
2

2







, при котором показания в случае гармонического 

сигнала равны действующему значению измеряемой величины. Соответственно, средний модуль сигнала произвольной формы равен 
показаниям прибора в режиме измерения переменного напряжения, 

умноженным на 

3
2
2
 . 

Сигнал напряжения – гармонический. Для такого сигнала амплитуда равна показываемому прибором действующему значению, 

умноженному на 

1
2
2 . 
В итоге получаем выражение для потребляемой от сети мощности: 

 
потр
формы
Р
IUK

, 
(1.3) 

где 
формы
4
K
  , 

тогда 

 
потр
4IU
Р


. 
(1.4) 

Полезная мощность электропривода определяется выражением 

 
пол
2
Р
nM
 
, 
(1.5) 

где М – развиваемый двигателем вращающий момент, Н  м; 
n – частота вращения двигателя, мин–1. 

Вращающий момент равен отношению показаний индикатора 
«нагрузка» ИСММ-3 Мпок к коэффициенту калибровки электродвигателя Kкал = 180: 

 
пок
пок

кал
180
M
М
M
K


. 
(1.6) 

Учитывая выражение (1.5), а также то, что показания индикатора 
«обороты» ИСММ-3 дает удвоенное значение частоты вращения, 
формула (1.4) примет вид 

 
пок
пок
пол
кал
.
180
nM
nM
Р
K





 
(1.7) 

Мощность потерь определяется как разность потребляемой и полезной мощности: 

 
потерь
порт
пол.
Р
Р
Р


 
(1.8) 

КПД привода равен отношению полезной и потребляемой мощности: 

 
пол

потр
100 %.
Р
Р
 

 
(1.9) 

1.6. Порядок проведения расчетов 

1. По формуле (1.4) определить потребляемую электродвигателем 
мощность. 
2. По формуле (1.6) определить развиваемый двигателем вращающий момент. 
3. По формулам (1.5) или (1.7) определить полезную мощность двигателя. В формуле (1.5) необходимо учитывать, что ИСММ-3 дает удвоенное значение частоты вращения, в формуле (1.7) это уже учтено. 
4. Использовав выражение (1.8), определить мощность потерь 
электродвигателя. 
5. По формуле (1.9) подсчитать КПД электродвигателя. 
6. Занести результаты всех расчетов в соответствующие графы 
табл. 1.2 и 1.3. 
7. После всех проведенных измерений и вычислений следует посчитать средние значения потребляемой, полезной, а также мощности потерь и КПД для правого и левого вращения привода. Результаты занести в табл. 1.4.