Машины и их основные элементы
Человек создал машины для производства различных видов работ или преобразования энергии. Современные машины значительно повышают производительность труда человека. Например, человек в течение длительного времени может развивать мощность не более 0,1 кВт, а мощность машин — преобразователей энергии достигает 1200 МВт.
Слово «машина» произошло от латинского слова machine, что означает сооружение, и используется для названия технических устройств, предназначенных для преобразования энергии в полезную работу. В современной терминологии понятия «машина» и «техническое устройство» определены ГОСТ 23004—78* «Механизация и автоматизация технологических процессов в машиностроении и приборостроении».
Техническим устройством называется изделие машиностроения или приборостроения для преобразования, добычи, перемещения, контроля объектов или управления ими.
К техническим устройствам относят машины, инструменты, приспособления и т. д. Объектами воздействия технических устройств могут быть материалы, заготовки, изделия, энергия, информация, ископаемые, растения и т. д.
Если техническое устройство функционирует при участии людей и управляется ими, то оно называется ручным техническим устройством, например коловорот (ручная дрель). Если же техническое устройство функционирует при последовательном применении мускульной энергии людей и энергии неживой природы (например, электродвигатель, пневмо- или гидромотор) и управляется людьми, то оно называется механизированным техническим устройством; примером может служить электрическая дрель.
Автоматическое устройство функционирует и управляется по заданному алгоритму с использованием энергии неживой природы без непосредственного участия человека.
Машина — отдельное техническое устройство, состоящее из энергетической, передаточной, исполнительной и управляющих составных частей и выполняющее механические движения для непосредственного преобразования состояния материала, энергии или информации.
Все машины можно классифицировать на энергетические и рабочие. К энергетическим машинам относятся компрессоры, генераторы, гидротурбины и т. д., вырабатывающие энергию. Рабочие машины подразделяются на технологические (металлорежущие станки, контрольно-сортировочные автоматы, кузнечно-прессовое оборудование), транспортные (робокары, подъемные краны, конвейеры) и электронные (электронно-вычислительные машины, компьютеры).
Любая машина состоит из двигательного, передаточного и исполнительного механизмов. Например, у металлорежущего станка двигательным механизмом является электромотор, а у автомобиля — двигатель внутреннего сгорания; исполнительным механизмом (его также называют рабочим органом) у токарного станка является суппорт с режущим инструментом, а у автомобиля — колеса.
Передаточные механизмы, состоящие из рычагов, валов, шкивов, ремней, зубчатых колес и т. д., преобразовывают и передают движение от двигателя к рабочим органам. Так, в токарном станке движение от электродвигателя к суппорту, т. е. исполнительному механизму, передается через ременную передачу, коробку скоростей, коробку подач, ходовой винт и ряд зубчатых кинематических пар. В автомобиле функцию передаточных механизмов выполняют коробка скоростей и карданный вал. Таким образом, механизм — это внутреннее устройство машины, приводящее ее в действие. Слово «механизм» произошло от греческого слова m e chаn e, что в переводе означает «орудие».
Механизм — техническое устройство, состоящее из системы твердых тел (звеньев механизма), предназначенное для передачи и преобразования движений и скоростей одного или нескольких тел (ведущих) в требуемые движения остальных тел системы.
Детали — составные части машин и механизмов, каждая из которых изготовлена без применения сборки (например, вал, шестерня, болт, шплинт, гайка, винт вертолета).
Число деталей в сложных машинах может измеряться десятками и сотнями тысяч. Например, в автомобиле более 15 тыс. деталей, в автоматизированных комплексах прокатного оборудования — более миллиона.
В машине можно выделить совокупность совместно работающих деталей, которые представляют собой конструктивно обособленные единицы, объединенные одним назначением; эти сборочные единицы называют узлами. Узлы одной машины можно изготавливать на разных заводах. Примерами таких узлов являются муфты, редукторы, электрошпиндели, шарикоподшипники.
Детали машин и узлы бывают:
- общего назначения — используются во многих типах машин; это болты, шпильки, гайки, зубчатые колеса, шплинты, штифты, шпонки, подшипники качения, муфты, шайбы, редукторы;
- специального назначения — применяются в ограниченном числе типов машин, например турбинное колесо, шпиндель металлорежущего станка, винт вертолета, узел микроперемещений.
Две подвижно-соединенные детали образуют кинематическую пару. Различают низшие и высшие кинематические пары. Низшие пары имеют соприкосновение элементов по поверхности, высшие — по линиям или в точках.
На рис. 3.1 представлены соответственно низшие (рис. 3.1, а — вращательная; рис. 3.1, б — поступательная; рис. 3.1, в — винтовая) и высшая (рис. 3.1, г — зубчатая) кинематические пары.
Рис. 3.1
Тела, образующие кинематическую пару, называются звеньями.
Совокупность звеньев подвижно-соединенных кинематических пар называется кинематической цепью.
На рис. 3.2 представлены кинематические цепи, состоящие из пары зубчатых колес (рис. 3.2, а), а также цилиндрических, конической и червячной пар (рис. 3.2, б). Если в кинематической цепи закрепить одно звено, то оно становится механизмом (рис. 3.2, в).
Рис. 3.2
В машиностроении при вычерчивании различных кинематических пар приняты условные обозначения, утвержденные ГОСТ 2.770—68* «Обозначения условные графические в схемах. Элементы кинематики» (см. Приложение V).
Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин
- Прочность
- Точность
- Жесткость
- Износостойкость
- Стойкость к тепловым воздействиям
- Виброустойчивость
- Надежность
Объект рассмотрения в машиностроении называют изделием. Таковым может быть отдельная деталь, кинематическая пара, узел, машина или система машин. Каждое изделие характеризуется определенными выходными параметрами. Например, в соответствии с нормативными техническими документами координатно-расточный станок с ЧПУ (т. е. машина в целом) должен иметь точность позиционирования 5 мкм. Если с течением времени при обработке отверстия в корпусной детали на станке не достигается заданная точность межосевых расстояний, то считается, что станок потерял свою работоспособность, хотя он как машина функционирует. Такое заключение связано с тем, что выходной параметр станка (точность позиционирования) вышел за предел, установленный нормативно-технической документацией (НТД).
Работоспособность — состояние изделия, при котором оно способно выполнять свои функции, сохраняя значения заданных выходных параметров в пределах, установленных НТД.
Детали машин должны сохранять эксплуатационные показатели и выполнять свои функции в течение заданного срока службы, а также иметь минимальную стоимость изготовления и эксплуатации.
Работоспособность изделий характеризуется определенными критериями. Важнейшими из них являются прочность, точность, жесткость, виброустойчивость, стойкость к тепловым воздействиям, износостойкость, надежность. По одному или по нескольким из них рассчитывают размеры деталей машин и выбирают материалы.
Прочность
Расчеты на прочность деталей машин осуществляют по допускаемым напряжениям, коэффициентам запаса прочности или вероятности безотказной работы.
Расчеты по допускаемым напряжениям наиболее просты и удобны, используются для машин массового производства, опыт эксплуатации которых значителен.
Прочность деталей, например станков, исключает аварийные ремонты из-за их поломки. Поэтому допускаемое напряжение статически нагруженных деталей рассчитывают по пределу текучести (для пластичных материалов)
[s] = sт / n т,
где n т — коэффициент запаса, n т = 1,1…1,4, и по пределу прочности (для хрупких материалов)
[s] = sв / n в,
где n в — коэффициент запаса, n в = 3…4.
Прочность деталей, подвергающихся переменной нагрузке, рассчитывают с учетом факторов, влияющих на сопротивление при усталости — концентрации напряжений, размеров деталей, состояния поверхностного слоя (см. подразд. 2.10).
Для конструкций, разрушение которых особенно опасно для жизни людей (паровые котлы, грузоподъемные машины), метод расчета и выбор коэффициентов запаса прочности регламентирован нормами государственного технического надзора.
Точность
Точность деталей машин включает в себя точность формы и размеров отдельных участков детали, а также точность взаимного положения этих участков.
Точность обработки характеризуется значениями допущенных при обработке погрешностей, т. е. отступлением размеров обработанной детали от заданных по чертежу. Погрешности обработки должны находиться в пределах допусков.
Кроме того, необходимо при обработке изделия получить заданную чистоту поверхности, которая непосредственно зависит от метода обработки и режимов резания.
Точность машины будет в первую очередь зависеть от точности и чистоты поверхностей ее деталей.
Однако при проектировании и изготовлении машин нужно учитывать и другие факторы, которые могут снижать их точность.
Рассмотрим металлорежущий станок. В координатно-расточном станке под влиянием усилий, возникающих при резании, узлы деформируются и изменяют свое относительное положение. В результате этого происходит искажение траекторий движения инструмента относительно заготовки.
Точность обработки изделия при этом будет снижаться. Следовательно, на точность координатно-расточного станка (т. е. машины) оказывает влияние жесткость его узлов.
Кроме того, точность измерительных и отсчетных устройств этого станка, предназначенных для перемещения стола с изделием относительно инструмента, также будет оказывать большое влияние на точность обработки. Следовательно, этот фактор будет влиять на точность станка.
Неточность обработки на станке может возникнуть в результате температурных деформаций узлов и деталей станка, а также вследствие снижения качества зубчатых колес и ходового винта, которое влияет на точность кинематической цепи станка. Особенно это актуально для зуборезных, винторезных, зубо- и резьбошлифовальных станков.
Кинематическая точность в зуборезных станках существенно зависит от точности изготовления и монтажа червяка и червячного колеса в делительной цепи.
При конструировании других машин (автомобилей, самолетов, подъемных кранов) должны быть учтены конкретные факторы, которые могут снижать точность проектируемой машины.
Жесткость
Критерий жесткости в машинах является одним из важнейших. Особенно большое значение он имеет в станкостроении. Например, прецизионные станки приходится проектировать значительно более массивными, чем другие машины для тех же нагрузок и мощностей.
Жесткость станка влияет на точность обработки, виброустойчивость и долговечность.
Жесткостью узла называется его способность сопротивляться появлению упругих отжатий под действием нагрузки.
Она может быть определена как отношение силы F, Н, приложенной к узлу в заданном направлении, к упругому отжатию этого узла d, мм:
j = F /d.
Износостойкость
В результате постепенного изменения поверхностей трения при взаимодействии двух сопряженных деталей происходит изнашивание.
Изнашивание представляет собой процесс постепенного уменьшения размеров и изменения формы деталей.
По статистике большинство деталей машин выходит из строя из-за изнашивания, при котором в миниатюре происходят те же процессы: пластические и упругие деформации, сдвиг, усталостные разрушения.
Для большинства деталей наиболее характерно абразивное изнашивание. Абразивные частицы могут попадать извне в смазку или непосредственно на трущиеся поверхности; вследствие резания или царапания с отделением микростружки они разрушают эти поверхности.
Кроме того, при относительном перемещении двух поверхностей микровыступы испытывают переменные напряжения, вследствие чего в дальнейшем наступает усталостное разрушение. Появляются микротрещины, что способствует отделению частичек материала.
Таким образом, изнашивание при перемещении двух поверхностей сопровождается абразивным изнашиванием за счет отделившихся частиц.
В большинстве случаев можно наблюдать три стадии изнашивания (рис. 3.3): I — период приработки; II — установившееся (или нормальное) изнашивание; III — катастрофическое изнашивание.
Рис. 3.3
Период нормальной эксплуатации машин (II стадия изнашивания) характеризуется линейной зависимостью между временем изнашивания t и износом U, мкм. Скорость изнашивания g на этой стадии остается постоянной: g = U / t. Для абразивного и усталостного изнашивания значение износа можно определить по следующей зависимости:
U = kрv отн t,
где k — коэффициент, зависящий от материала пар трения, смазки, микронеровностей и других факторов; р — давление; v отн — скорость относительного скольжения.
Исключив время t, получим
g = kрv отн.
Для конкретных пар можно экспериментально определить коэффициент k и в дальнейшем прогнозировать долговечность работы многих деталей: направляющих скольжения станков, кулисных механизмов, дисков фрикционных муфт, ходовых винтов и гаек скольжения.
Изнашивание вызывает резкое удорожание эксплуатации машин в связи с необходимостью периодической проверки их технического состояния, а также ремонта. Это, в свою очередь, связано с простоями и снижением производительности машин.
Износостойкость могут повысить следующие мероприятия: смазывание трущихся поверхностей; применение износостойких материалов; защита поверхностей от загрязнения; перенос усилий с ответственных механизмов на менее ответственные (например, наружную поверхность на токарном станке обтачивают при включенном ходовом вале, а ходовой винт отключают); разгрузка изнашиваемых поверхностей и др.