मशीन डिज़ाइन: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 12 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

गियर और गियर ट्रेन

परस्पर जुड़े गियर: n₁·N₁ = n₂·N₂
बलाघूर्ण: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η
शक्ति: P = T·ω, ω = 2π·n/60
संयुक्त गियर ट्रेन: कुल अनुपात = चरण अनुपातों का गुणनफल

शाफ़्ट का मरोड़

अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J
ठोस शाफ़्ट: J = πd⁴/32
खोखला शाफ़्ट: J = π(D⁴ − d⁴)/32
मरोड़ कोण: φ = TL/(GJ)
शक्ति: P = T·ω = 2πnT/60

विधि

ध्रुवीय क्षेत्र आघूर्ण ज्ञात करें: ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32।
सतह पर अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J, जहाँ r बाहरी त्रिज्या है।
ऐंठन कोण: रेडियन में φ = TL/(GJ)।
यदि शक्ति दी गई है, तो पहले P = T·ω, ω = 2πn/60 से बलाघूर्ण ज्ञात करें।

मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

केंद्र: C = (σ_x + σ_y)/2
त्रिज्या: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
मुख्य प्रतिबल: σ_1,2 = C ± R
मुख्य दिशा: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
झुका हुआ तल: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

विधि

मोर वृत्त का केंद्र निकालें: C = (σx + σy)/2।
त्रिज्या निकालें: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)।
मुख्य प्रतिबल C ± R हैं और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।
वृत्त पर कोण अवयव पर कोणों के दोगुने होते हैं: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)।

अक्षीय प्रतिबल और विकृति

अभिलंब प्रतिबल: σ = F/A
विकृति: ε = ΔL/L
हुक का नियम: σ = E·ε
दीर्घीकरण: ΔL = FL/(EA)
तापीय विकृति: ε_T = α·ΔT

स्तंभ बकलिंग

ऑयलर भार: P_cr = π²EI/(KL)²
प्रभावी लंबाई गुणांक: K = 1 पिन–पिन, 0.5 स्थिर–स्थिर, 0.7 स्थिर–पिन, 2 स्थिर–मुक्त
क्रांतिक प्रतिबल: σ_cr = P_cr/A
पतलापन अनुपात: λ = KL/r, r = √(I/A)

यांत्रिक कंपन

प्राकृतिक आवृत्ति: ω_n = √(k/m), f_n = ω_n/(2π)
स्थैतिक विक्षेप से: ω_n = √(g/δ_st)
क्रांतिक अवमंदन: c_c = 2√(km) = 2mω_n
अवमंदन अनुपात: ζ = c/c_c
अवमंदित आवृत्ति: ω_d = ω_n√(1 − ζ²)
लघुगणकीय ह्रास: δ = (1/n)·ln(x₀/x_n), ζ = δ/√(4π² + δ²)
समांतर में स्प्रिंग: k = k₁ + k₂
श्रेणी में स्प्रिंग: 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

2अभ्यास प्रश्न

1.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

200 mm की घिरनी 2880 rpm पर पट्टे से 400 mm की घिरनी को 4 % फिसलन के साथ चलाती है। चालित घिरनी की गति n₂ ज्ञात कीजिए।

n₁ = 2880 rpmd₁ = 200 mmd₂ = 400 mms = 4 %

n₂ = rpm

2.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक खुला पट्टा 315 mm की घिरनी को 120 mm की चालक घिरनी से, जो 1450 rpm पर है, जोड़ता है; केंद्र 800 mm दूर हैं। घर्षण गुणांक 0.3 है और कसी हुई ओर का तनाव 1000 N से अधिक नहीं हो सकता। पट्टा बिना फिसले जो सबसे बड़ी शक्ति P संचरित कर सकता है, kW में ज्ञात कीजिए (अपकेंद्री प्रभाव अनदेखा करें)।

d₁ = 120 mmn₁ = 1450 rpmd₂ = 315 mmC = 800 mmμ = 0.3T₁ = 1000 N

P = kW

3.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

एक खोखले शाफ़्ट को 500 N·m का बलाघूर्ण वहन करना है। इसका भीतरी व्यास इसके बाहरी व्यास का 0.8 गुना होना है, और अपरूपण प्रतिबल 80 MPa से अधिक नहीं होना चाहिए। सबसे छोटा बाहरी व्यास d_o ज्ञात कीजिए।

T = 500 N·md_i/d_o = 0.8τ_allow = 80 MPa

d_o = mm

4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक खोखला शाफ़्ट 3000 rpm पर 50 kW संचारित करता है। शाफ़्ट में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

P = 50 kWN = 3000 rpmd_o = 50 mmd_i = 38 mm

τ_max = MPa

5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −60 MPa, σᵧ = −70 MPa और τₓᵧ = 50 MPa है (तनन धनात्मक)। तल में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

σ_x = −60 MPaσ_y = −70 MPaτ_xy = 50 MPa

τ_max = MPa

6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 0 MPa, σᵧ = −50 MPa और τₓᵧ = 20 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अभिलंब प्रतिबल σ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 50° वामावर्त घुमाया गया है।

σ_x = 0 MPaσ_y = −50 MPaτ_xy = 20 MPaθ = 50°

σ_θ = MPa

7.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

एक छड़ स्टील के खंड (व्यास 30 mm, लंबाई 400 mm, E = 200 GPa) से बनी है, जो पीतल के बने खंड (व्यास 50 mm, लंबाई 400 mm, E = 100 GPa) से सिरे से सिरा जोड़कर जुड़ा है। वह एक सिरे पर स्थिर है और दूसरे पर खींची जाती है। वह अक्षीय भार P ज्ञात कीजिए जो उसे कुल 0.4 mm खींचता है।

खंड 1: स्टील, Ø30 mm, 400 mm, E = 200 GPaखंड 2: पीतल, Ø50 mm, 400 mm, E = 100 GPaδ = 0.4 mm

P = kN

8.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

सोपानी छड़ दीवार में जड़ित है और अपने मुक्त सिरे पर भारित है। कुल दीर्घीकरण δ ज्ञात कीजिए।

P = 95 kNखंड 1: Ø25 mm, 1 m, स्टील (E = 200 GPa)खंड 2: Ø16 mm, 1.5 m, एल्युमिनियम (E = 70 GPa)

δ = mm

9.स्तंभ बकलिंगमध्यम

एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर पिन किया हुआ है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार P_cr ज्ञात कीजिए।

L = 6 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 60 mm

P_cr = kN

10.स्तंभ बकलिंगकठिन

स्टील से बना L लंबाई का एक स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर मुक्त है। उसकी तनुता और ऑयलर सूत्र से क्रांतिक बकलिंग प्रतिबल σ_cr ज्ञात कीजिए।

L = 4 mE = 200 GPa (स्टील)d = 50 mm

σ_cr = MPa

11.यांत्रिक कंपनमध्यम

200 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग पर एक 150 kg द्रव्यमान के साथ एक श्यान अवमंदक है जो 0.6 का अवमंदन अनुपात देता है। इसके मुक्त कंपन की अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति f_d Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 150 kgk = 200 kN/mζ = 0.6

f_d = Hz

12.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 40 kg द्रव्यमान अगल-बगल (समांतर में) दो स्प्रिंगों से लटका है, जिनकी दृढ़ताएँ k₁ = 60 kN/m और k₂ = 60 kN/m हैं। द्रव्यमान समतल रहता है। स्प्रिंग तंत्र की तुल्य दृढ़ता k_eq kN/m में ज्ञात कीजिए।

m = 40 kgk₁ = 60 kN/mk₂ = 60 kN/m

k_eq = kN/m

3विलयन

1.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n₂ = 1382 rpm

पट्टा चालन: फिसलन के बिना दोनों घिरनियों की कोर की चाल समान होती है v = π·d·n/60, इसलिए n₁·d₁ = n₂·d₂ और गति अनुपात d₂/d₁ है। फिसलन s चालित घिरनी को थोड़ा धीमा कर देती है: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)। संचरित शक्ति P = (T₁ − T₂)·v है, जहाँ T₁ कसी हुई ओर का तनाव और T₂ ढीली ओर का। घर्षण तनावों के अनुपात को सीमित करता है: T₁/T₂ = e^μθ, जहाँ θ छोटी घिरनी पर लपेट कोण रेडियन में है; खुले पट्टे के लिए θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)), जहाँ C केंद्र दूरी है।

फिसलन के बिना गति

2880·200/400 = 1440 rpm

फिसलन सहित

n₂ = 1440·0.96 = 1382 rpm

उत्तर

n₂ = 1382 rpm

2.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: P = 5.291 kW

लपेट कोण

θ = 2.897 rad

ढीली ओर का तनाव

e^μθ = e^0.8692 = 2.385, T₂ = 1000/2.385 = 419.3 N

शक्ति

P = (1000 − 419.3)·9.111 = 5.291 kW

उत्तर

P = 5.291 kW

3.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d_o = 37.78 mm

वृत्ताकार शाफ़्ट का मरोड़: अपरूपण प्रतिबल केंद्र पर शून्य से सतह पर τ_max = T·r/J तक रैखिक रूप से बढ़ता है, ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32 और खोखले के लिए J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/32। मरोड़ कोण रेडियन में φ = TL/(GJ) है। शक्ति और बलाघूर्ण P = T·ω से जुड़े हैं।

स्वीकार्य प्रतिबल से बाहरी व्यास

T = 500 N·m = 500000 N·mm

1 − k⁴ = 1 − 0.8⁴ = 0.5904

d_o = ∛(16T/(π·τ_allow·(1 − k⁴))) = ∛(16·500000/(π·80·0.5904)) = 37.78 mm

d_i = 0.8·37.78 = 30.22 mm

उत्तर

d_o = 37.78 mm

ठोस शाफ़्ट को d = 31.69 mm चाहिए होता; खोखला थोड़ा बड़ा है पर बहुत हल्का है।

4.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: τ_max = 9.731 MPa

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s

T = P/ω = 50000/314.2 = 159.2 N·m

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π(50⁴ − 38⁴)/32 = 408885 mm⁴

अधिकतम अपरूपण प्रतिबल

τ_max = T·(d_o/2)/J = 159155·25/408885 = 9.731 MPa

उत्तर

τ_max = 9.731 MPa

5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_max = 50.25 MPa

समतल प्रतिबल रूपांतरण: θ से घुमाए गए तल पर σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ। मोर वृत्त सभी तलों को एक साथ दिखाता है: उसका केंद्र C = (σₓ + σᵧ)/2 पर और त्रिज्या R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) है। मुख्य प्रतिबल C ± R हैं, और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।

मोर वृत्त की त्रिज्या

τ_max = R = √(((−60 − −70)/2)² + 50²) = 50.25 MPa

उत्तर

τ_max = 50.25 MPa

6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_θ = −9.645 MPa

रूपांतरण समीकरण

σ_θ = −25 + 25·−0.1736 + 20·0.9848 = −9.645 MPa

उत्तर

σ_θ = −9.645 MPa

7.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P = 82.19 kN

दो पदार्थ: श्रेणी में (एक के बाद एक) हर खंड समान बल वहन करता है और विस्तार जुड़ते हैं: δ = P·Σ L/(E·A)। समानांतर में (दृढ़ प्लेटों के बीच अगल-बगल) दोनों भाग समान मात्रा से छोटे होते हैं, इसलिए उनके विकृति समान हैं: अधिक कठोर भाग बड़ा हिस्सा लेता है, P_i = P·E_iA_i/ΣEA, और σ_i = E_i·ε। दो दृढ़ दीवारों के बीच जकड़ी छड़, जिसके जोड़ पर भार लगा है, स्थैतिक रूप से अनिर्धार्य है: दोनों खंड भार को अपनी कठोरता k = EA/L के अनुपात में बाँटते हैं।

क्षेत्रफल

A₁ = 706.9 mm², A₂ = 1963 mm²

नम्यताएँ

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·706.9) = 2.829 × 10⁻⁶ mm/N

L₂/(E₂A₂) = 400/(100000·1963) = 2.037 × 10⁻⁶ mm/N

भार

P = 0.4/4.867 × 10⁻⁶ = 82193 N = 82.19 kN

उत्तर

P = 82.19 kN

8.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 11.09 mm

अक्षीय भारित अवयव: हर प्रिज़्मीय खंड δ = PL/(AE) का पालन करता है। श्रेणी में अवयवों के दीर्घीकरण जुड़ते हैं।

दोनों खंडों में समान बल

मुक्त सिरा P वहन करता है, इसलिए छड़ का हर खंड वही अक्षीय बल P वहन करता है। केवल क्षेत्रफल और पदार्थ बदलते हैं।

A₁ = π·25²/4 = 490.9 mm², A₂ = π·16²/4 = 201.1 mm²

σ₁ = 193.5 MPa

σ₂ = 472.5 MPa

खंडों का दीर्घीकरण जोड़ें

δ₁ = σ₁L₁/E₁ = 193.5·1000/200000 = 0.9677 mm

δ₂ = σ₂L₂/E₂ = 472.5·1500/70000 = 10.12 mm

δ = δ₁ + δ₂ = 11.09 mm

उत्तर

δ = 11.09 mm

9.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 24.92 kN

ऑयलर बकलिंग: पतला स्तंभ P_cr = π²EI/(KL)² पर अस्थिर हो जाता है, जहाँ KL प्रभावी लंबाई है: पिन–पिन के लिए K = 1, जड़ित–मुक्त के लिए 2, जड़ित–पिन के लिए 0.7 और जड़ित–जड़ित के लिए 0.5। यह सबसे छोटे I वाली अक्ष के परितः मुड़ता है। सूत्र उन पतले स्तंभों के लिए मान्य है जिनका क्रांतिक प्रतिबल पराभव प्रतिबल से कम रहता है।

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

गोल खंड का I हर अक्ष के परितः समान होता है।

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 0.7·6000 = 4200 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/4200² = 24916 N = 24.92 kN

उत्तर

P_cr = 24.92 kN

10.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σ_cr = 4.819 MPa

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

गोल खंड का I हर अक्ष के परितः समान होता है।

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 1963 mm²

r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12.5 mm

KL = 2·4000 = 8000 mm

KL/r = 8000/12.5 = 640

क्रांतिक प्रतिबल

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/640² = 4.819 MPa

उत्तर

σ_cr = 4.819 MPa

11.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_d = 4.649 Hz

द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र का मुक्त कंपन: अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति rad/s में ω_n = √(k/m) है, और Hz में f_n = ω_n/(2π)। एक श्यान अवमंदक c अवमंदन अनुपात ζ = c/c_c देता है, जहाँ क्रांतिक अवमंदन c_c = 2·√(k·m) = 2·m·ω_n। अल्प-अवमंदित तंत्र (ζ < 1) ω_d = ω_n·√(1 − ζ²) पर दोलन करता है। समांतर में स्प्रिंग जुड़ते हैं, k = k₁ + k₂; श्रेणी में स्प्रिंग व्युत्क्रम के रूप में जुड़ते हैं, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂।

अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(200000/150) = 36.51 rad/s

f_n = 36.51/(2π) = 5.812 Hz

अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

f_d = f_n·√(1 − ζ²) = 5.812·√(1 − 0.6²) = 4.649 Hz

उत्तर

f_d = 4.649 Hz

12.यांत्रिक कंपन

उत्तर: k_eq = 120 kN/m

तुल्य दृढ़ता

अगल-बगल के स्प्रिंग विक्षेप साझा करते हैं और उनके बल जुड़ते हैं, इसलिए उनकी दृढ़ताएँ सीधे जुड़ती हैं: k = k₁ + k₂।

k_eq = 60 + 60 = 120 kN/m

उत्तर

k_eq = 120 kN/m

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