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

2 स्टार्ट वाला एक वर्म 1450 rpm पर घूमता है और 48 दाँतों वाले वर्म व्हील को चलाता है। व्हील की चाल n_w ज्ञात कीजिए।

z = 2N_w = 48n = 1450 rpm

n_w = rpm

2.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक खुला पट्टा 300 mm की घिरनी को 100 mm की चालक घिरनी से, जो 1450 rpm पर है, जोड़ता है; केंद्र 1200 mm दूर हैं। घर्षण गुणांक 0.25 है और कसी हुई ओर का तनाव 600 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 = 100 mmn₁ = 1450 rpmd₂ = 300 mmC = 1200 mmμ = 0.25T₁ = 600 N

P = kW

3.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

एक मरोड़ परीक्षण में 12 mm व्यास वाला एक ठोस नमूना 40 N·m के बलाघूर्ण से मरोड़ा जाता है। 200 mm की गेज लंबाई के दोनों सिरे एक-दूसरे के सापेक्ष 5.77° घूमते हैं (पदार्थ अभी प्रत्यास्थ है)। पदार्थ का अपरूपण गुणांक G ज्ञात कीजिए।

T = 40 N·md = 12 mmL = 200 mmφ = 5.77°

G = GPa

4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

20 mm व्यास वाला एक ठोस पीतल शाफ़्ट दोनों सिरों A और B पर दृढ़ दीवारों में स्थिर है। A से 0.8 m और B से 1.5 m पर C पर 500 N·m का बलाघूर्ण लगाया जाता है। शाफ़्ट में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

d = 20 mmT₀ = 500 N·ma = 0.8 mb = 1.5 m

τ_max = MPa

5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 130 MPa, σᵧ = −60 MPa और τₓᵧ = −30 MPa है (तनन धनात्मक)। तल में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

σ_x = 130 MPaσ_y = −60 MPaτ_xy = −30 MPa

τ_max = MPa

6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −30 MPa, σᵧ = 0 MPa और τₓᵧ = −20 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अपरूपण प्रतिबल τ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 60° वामावर्त घुमाया गया है (τₓᵧ की ही दिशा में धनात्मक)।

σ_x = −30 MPaσ_y = 0 MPaτ_xy = −20 MPaθ = 60°

τ_θ = MPa

7.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

एक छड़ स्टील के खंड (व्यास 25 mm, लंबाई 300 mm, E = 200 GPa) से बनी है, जो ताँबा के बने खंड (व्यास 30 mm, लंबाई 500 mm, E = 120 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 0.5 mm खींचता है।

खंड 1: स्टील, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPaखंड 2: ताँबा, Ø30 mm, 500 mm, E = 120 GPaδ = 0.5 mm

P = kN

8.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

एक स्टील छड़ (व्यास 40 mm, E = 200 GPa, अनुमेय प्रतिबल 150 MPa) काँसा की बनी नलिका (बाहरी व्यास 120 mm, भीतरी व्यास 50 mm, E = 110 GPa, अनुमेय प्रतिबल 60 MPa) के भीतर है। दोनों को दृढ़ प्लेटों के बीच साथ-साथ संपीडित किया जाता है। सबसे बड़ा भार P_max ज्ञात कीजिए।

छड़: Ø40 mm, E = 200 GPa, σ_allow = 150 MPaनलिका: Ø120/Ø50 mm, E = 110 GPa, σ_allow = 60 MPa

P_max = kN

9.स्तंभ बकलिंगमध्यम

स्टील से बना L लंबाई का एक स्तंभ दोनों सिरों पर जड़ित है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार P_cr ज्ञात कीजिए।

L = 6 mE = 200 GPa (स्टील)d = 25 mm

P_cr = kN

10.स्तंभ बकलिंगकठिन

स्टील से बना L लंबाई का एक ठोस गोल स्तंभ दोनों सिरों पर जड़ित है। इसे बकलिंग के विरुद्ध 2 के सुरक्षा गुणक के साथ 15 kN वहन करना है। न्यूनतम व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 15 kNn = 2L = 5 mE = 200 GPa (स्टील)

d = mm

11.यांत्रिक कंपनमध्यम

एक अवमंदित द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र के मुक्त-कंपन परीक्षण में 10 mm के विस्थापन शिखर के 5 चक्र बाद 3.9 mm का शिखर आता है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

x₀ = 10 mmx₅ = 3.9 mmn = 5

ζ =

12.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 50 kg द्रव्यमान स्प्रिंग k₃ = 80 kN/m से लटका है। k₃ का ऊपरी सिरा एक दृढ़ छड़ से जुड़ा है जो अगल-बगल दो स्प्रिंगों k₁ = 30 kN/m और k₂ = 12 kN/m से लटकी है; छड़ समतल रहती है। अवमंदन तथा स्प्रिंगों और छड़ के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति f_n Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 50 kgk₁ = 30 kN/mk₂ = 12 kN/mk₃ = 80 kN/m

f_n = Hz

3विलयन

1.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_w = 60.42 rpm

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

व्हील की चाल

n_w = n·z/N_w = 1450·2/48 = 60.42 rpm

उत्तर

n_w = 60.42 rpm

2.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: P = 2.39 kW

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।

लपेट कोण

θ = 2.975 rad

ढीली ओर का तनाव

e^μθ = e^0.7437 = 2.104, T₂ = 600/2.104 = 285.2 N

शक्ति

P = (600 − 285.2)·7.592 = 2.39 kW

उत्तर

P = 2.39 kW

3.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: G = 39.02 GPa

ध्रुवीय आघूर्ण और कोण

J = π·12⁴/32 = 2036 mm⁴

φ = 5.77·π/180 = 0.1007 rad

अपरूपण गुणांक

T = 40 N·m = 40000 N·mm

G = TL/(Jφ) = 40000·200/(2036·0.1007) = 39022 MPa

G = 39.02 GPa

उत्तर

G = 39.02 GPa

तुलना करें: इस्पात ≈ 80 GPa, पीतल ≈ 39 GPa, ऐलुमिनियम ≈ 26 GPa।

4.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: τ_max = 207.6 MPa

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। जब दोनों सिरे स्थिर हों, तो स्थैतिकी अकेले केवल T_A + T_B = T₀ देती है; दूसरा समीकरण संगतता है (भारित खंड पर दोनों भागों का समान मरोड़)।

संतुलन और संगतता

T_A + T_B = 500

T_A·a = T_B·b

T_A = 500·1.5/2.3 = 326.1 N·m

T_B = 500·0.8/2.3 = 173.9 N·m

अधिकतम अपरूपण प्रतिबल

दोनों बलाघूर्णों में से बड़ा निर्णायक है (समान व्यास)।

τ_max = 16·326087/(π·20³) = 207.6 MPa

उत्तर

τ_max = 207.6 MPa

5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_max = 99.62 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 = √(((130 − −60)/2)² + −30²) = 99.62 MPa

उत्तर

τ_max = 99.62 MPa

6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_θ = 22.99 MPa

रूपांतरण समीकरण

τ_θ = −−15·0.866 + −20·−0.5 = 22.99 MPa

उत्तर

τ_θ = 22.99 MPa

7.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P = 55.86 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 = 490.9 mm², A₂ = 706.9 mm²

नम्यताएँ

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·490.9) = 3.056 × 10⁻⁶ mm/N

L₂/(E₂A₂) = 500/(120000·706.9) = 5.895 × 10⁻⁶ mm/N

भार

P = 0.5/8.95 × 10⁻⁶ = 55863 N = 55.86 kN

उत्तर

P = 55.86 kN

8.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P_max = 697.9 kN

क्षेत्रफल

A_r = π·40²/4 = 1257 mm²

A_t = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

संयुक्त अक्षीय कठोरता

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·9346 = 1.279 × 10⁹ N

निर्धारक विकृति

ε = min(0.00075, 0.0005455) = 0.0005455 (काँसा)

सबसे बड़ा भार

P_max = 0.0005455·1.279 × 10⁹ = 697862 N = 697.9 kN

उत्तर

P_max = 697.9 kN

9.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 4.205 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 0.5·6000 = 3000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/3000² = 4205 N = 4.205 kN

उत्तर

P_cr = 4.205 kN

10.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: d = 37.3 mm

आवश्यक क्रांतिक भार

P_cr = n·P = 2·15000 = 30000 N

KL = 0.5·5000 = 2500 mm

व्यास के लिए हल करें

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·30000·2500²/(π³·200000))^(1/4) = 37.3 mm

उत्तर

d = 37.3 mm

जाँच: तनुता KL/r = 268.1 है, इसलिए स्तंभ पतला है और ऑयलर लागू होता है।

11.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.02996

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।

लघुगणकीय ह्रास

δ = (1/5)·ln(10/3.9) = 0.1883

अवमंदन अनुपात

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.1883/√(39.48 + 0.03547) = 0.02996

उत्तर

ζ = 0.02996

12.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_n = 3.735 Hz

तुल्य दृढ़ता

केवल k₁ और k₂ समांतर में हैं। वह जोड़ी k₃ के श्रेणी में है, इसलिए उन्हें व्युत्क्रम के रूप में मिलाएँ।

k₁₂ = 30 + 12 = 42 kN/m

k_eq = 42·80/(42 + 80) = 27.54 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(27541/50) = 23.47 rad/s

f_n = 23.47/(2π) = 3.735 Hz

उत्तर

f_n = 3.735 Hz

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