Общие сведения о машинах и механизмах: классификация и назначение.

Критерии работоспособности элементов конструкций.

Элементы конструкций: деталь – изделие, изготовленное из однородного материала без применения сборочных операций. Сборочная единица – изделие, составные части которого подлежат соединению.

Детали машин выходят из строя по различным причинам, которые определяются условиями эксплуатации деталей. Критерии работоспособности – причины отказа отдельных деталей соединений и передач. Различают следующие основные критерии работоспособности.

Прочность – способность элемента конструкции выдерживать приложенные нагрузки без разрушения. Рассматривается прочность по характеру нагрузок: статическая, усталостная и ударная.

Жесткость – характеристика элемента конструкции, определяющая его способность сопротивляться деформации.

Износостойкость – способность материала элемента конструкции оказывать сопротивление изнашиванию. Износостойкость определяется видом трения (скольжения или качения), смазыванием, режимом трения (жидкостным, полужидкостным, граничным или сухим) и уровнем защиты от загрязнений.

Виброустойчивость – сопротивление появлению в машинах динамических нагрузок в виде вынужденных колебаний и автоколебаний.

Теплостойкость – способность элемента конструкции сохранять работоспособность в машинах с большим выделением тепла в рабочем процессе.

Коррозионная стойкость – сопротивление металлов химическому или электрохимическому разрушению поверхностных слоев и коррозионной усталости.

  

Точность геометрической формы деталей, виды отклонений формы и расположения поверхностей.

Нормальная работа любого механизма не может быть обеспечена только правильным назначением допусков на размеры деталей. Отклонения формы и взаимного расположения поверхностей снижают точность и надежность работы изделия, нарушают посадку соединений, увеличивают износ сопряженных поверхностей из-за нарушения слоя смазочного материала, затрудняют сборку.

Отклонение формы ∆ - отклонение формы реальной поверхности, полученной при изготовлении детали, от формы номинальной поверхности, заданной чертежом или другой технической документацией.

Прилегающая поверхность (профиль) – поверхность, имеющая форму номинальной поверхности, соприкасающаяся с реальной поверхностью и расположенная вне материала детали так, чтобы отклонение ∆ от нее наиболее удаленной точки реальной поверхности в пределах нормируемого участка было минимальным.

Отклонение от прямолинейности – наибольшее расстояние ∆ от точек реальной поверхности до прилегающей поверхности в пределах нормируемого участка.

Отклонение от круглости – наибольшее расстояние ∆ от точек реального профиля до прилегающей окружности.

Отклонение от цилиндричности – наибольшее расстояние ∆ от точек реальной поверхности до прилегающего цилиндра в пределах нормируемого участка.

Отклонение расположения – отклонение реального расположения поверхности от ее номинального расположения.

 

Связь между напряжениями и внутренними силовыми факторами.

Между действующими напряжениями и внутренними силовыми факторами существует следующая связь:

N_z = ∫σ_zdA

Q_y = ∫τ_zydA

Q_x = ∫τ_zxdA

 

M_x = ∫yσdA

M_y = ∫xσdA

M_кр = ∫(τ_zyx – τ_zxy)dA

Нормальные и касательные напряжения являются функцией внутренних силовых факторов и геометрических характеристик сечения. Эти напряжения, вычисленные по соответствующим формулам, можно назвать фактическими, или рабочими.

Наибольшее значение фактических напряжений ограничено предельным напряжением, при котором материал разрушается или появляются недопустимые пластические деформации.

 

Деформации при кручении.

Кручение – вид нагружения, при котором в поперечных сечениях стержня возникает единственный силовой фактор – крутящий момент М_к. Стержни, работающие на кручение, называются валами.

Кручение возникает под действием внешних моментов, действующих в плоскостях, перпендикулярных продольной оси вала. Внешние моменты передаются на вал в местах посадки на него шкивов, зубчатых колес, турбин.

Часто в технических задачах известны мощность, передаваемая валом, и число оборотов вала. По этим данным может быть вычислен внешний крутящий момент: М = N/ω.

После закручивания образующие цилиндра обращаются в винтовые линии большого шага; плоские сечения сохраняют свою форму после деформации; происходит поворот одного сечения относительно другого на некоторый угол, называемый углом закручивания; расстояния между поперечными сечениями практически не изменяются.

Таким образом, сечения, плоские до закручивания, остаются плоскими после закручивания; радиусы поперечных сечений при деформации остаются прямыми. Кручение стержня круглого поперечного сечения представляется как результат сдвигов, вызванных взаимным поворотом сечений.

 

Напряжения при кручении.  

Рассмотрим кручение стержня круглого поперечного сgечения. Крутящий момент М_к является результирующим моментом внутренних сил относительно оси Оz.

М_к = ∫_AτρdA, ρ – текущий радиус-вектор.

В любой точке сечения касательные напряжения τ направлены перпендикулярно к концентрическим окружностям, проведенным через эту точку радиусом ρ, и равны во всех точках, равноудаленных от центра сечения.

τ = Gρθ

М_к = GθJ_p

G – модуль сдвига

θ – относительный угол закручивания (угол закручивания на единицу длины)

J_p – полярный момент инерции

J_p = ∫_Aρ²dA

Касательные напряжения, действующие в нормальном сечении бруса:

τ = М_кρ/ J_p

Геометрической характеристикой стержня круглого сечения является полярный момент сопротивления: W_p = J_p/ρ_max, ρ_max = R, тогда

τ_max = М_к/ W_p

Для круглого сечения диаметром d:

J_p = πd⁴/32; W_p = πd³/16.

 

Общие сведения о машинах и механизмах: классификация и назначение.

Машина – это устройство для выполнения полезной работы, связанной с производством, транспортировкой, передачей энергии и информации. Благодаря их использованию повышается производительность труда, облегчается физический и умственный труд человека.

По назначению машины условно подразделяются на три группы:

1) энергетические машины, в которых какой-либо вид энергии (электрический, тепловой) преобразуется в механическую работу и наоборот. К этой группе относятся как машины-двигатели (электродвигатели, тепловые и ядерные двигатели), так и машины преобразователи (компрессоры, электрические генераторы).

2 ) технологические или рабочие машины, преобразующие форму, свойства, положение обрабатываемого предмета (металлорежущие станки, горнодобывающие, транспортные машины).

3) информационные машины, предназначенные для управления технологическими процессами, а также для автоматизации процесса обработки информации и вычислений.

В зависимости от способа управления различают машины ручного управления (на встроенном рабочем месте или дистанционно), полуавтоматического и автоматического действия. Машина, в которой преобразование энергии (материалов и информации) происходит без непосредственного участия человека, называется машиной-автоматом. Совокупность машин-автоматов, соединенных между собой автоматическими транспортными устройствами и предназначенных для выполнения определенного технологического процесса, образует автоматическую линию.   

Механизм – часть машины, в которой рабочий процесс реализуется путем выполнения определенных механических движений. Механизм представляет собой систему взаимосвязанных тел, предназначенных для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел.

Механизм осуществляет передачу энергии (движения), как правило, с преобразованием сил и характеристик закона движения от источника, например двигателя, к одному или нескольким рабочим органам машины.

Если в преобразовании движения участвуют жидкие или газообразные тела, то механизм называется соответственно гидравлическим или пневматическим. Обычно в механизме имеется одно входное звено, получающее движения от двигателя, и одно выходное звено, соединенное с рабочим органом машины. Существенно, что однотипные механизмы используются в конструкциях самых разнообразных по назначению машин.

 

2. Основные характеристики и требования, предъявляемые к машинам и механизмам.

Основные характеристики машин: назначение и область применения, способ управления, мощность и производительность, КПД, масса, габаритные размеры, стоимость.

Производительность машин измеряют в единицах, которые наиболее пригодны для обрабатываемого материала. КПД является характеристикой экономичности машин. Он показывает долю полезно реализуемой энергии и эффективность ее использования. Массу и габаритные размеры необходимо знать для транспортирования машин и размещения их на производственных площадях. Основные характеристики машин указывают в их техническом паспорте.

К машинам и механизмам предъявляют следующие требования:

Работоспособность – состояние машин и механизмов, при котором в данный момент времени его основные параметры находятся в пределах, установленных требованиями нормативно-технической документации.

Надежность – способность выполнять заданные функции, сохраняя во времени свои основные характеристики в установленных пределах. Надежность охватывает безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Показатели надежности – вероятность безотказной работы, срок службы и др.

Технологичность. Технологичными называют машины, требующие минимальных затрат средств, времени и труда в производстве, эксплуатации и ремонте.

Экономичность. При оценке экономичности учитывают затраты на проектирование, изготовление, эксплуатацию и ремонт. Экономичность машин достигается за счет снижения материалоемкости, энергоемкости и трудоемкости производства, за счет максимального КПД в эксплуатации при высокой надежности; высокой специализацией производства. 

Эргономичность - приспособленность машины к деятельности человека в условиях производства.