Основные понятия о машинах, узлах и деталях
Машиной называют устройство, выполняющее механические движения по преобразованию энергии, материалов и информации с целью облегчения или замены физического или умственного труда человека и повышения его производительности.
По функциональному назначению машины разделяют на группы:
- энергетические машины, предназначенные для преобразования какого-либо вида энергии (тепловой, электрической, атомной и т.п.) в механическую работу и наоборот - механической работы в один из указанных видов энергии. В первом случае машины называются двигателями (например, газотурбинные двигатели, двигатели внутреннего сгорания, гидро- и газовые турбины, электродвигатели и др.), во втором случае - машинами-генераторами ( например, электрогенераторы, компрессоры и т.п.);
- рабочие машины, предназначенные для перемещения людей и материалов или для преобразования формы и свойств материалов. В первом случае машины называют транспортными (самолеты, автомобили, тепловозы, транспортеры и т.п.), во втором - технологическими машинами (станки, прессы и др.);
- информационные машины, предназначенные для преобразования и представления информации. Они подразделяются на контрольно-управляющие и математические машины;
- кибернетические машины, предназначенные для замены или имитации различных технических, физиологических или биологических процессов, присущих человеку и живой природе. Кибернетические машины обладают элементами искусственного интеллекта (роботы и т.п.).
Каждая машина состоит из деталей, частично или полностью объединенных в узлы.
Деталь - это изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. Например, валик из одного куска металла, винт, литой корпус и т.д.
Узел - это изделие, представляющее собой законченную сборочную единицу, полученную соединением посредством сборочных операций (свинчивание, клепка, сварка и т.п.) ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение. Например, подшипник качения, муфта, редуктор и т.д.
Среди множества деталей и узлов можно выделить такие, которые применяются практически во всех машинах и приборах (болты, валы, муфты, подшипники, механические передачи и др.)
Эти детали и узлы встречаются в самых различных машинах, имеют одинаковое назначение, выполняют одинаковые функции и являются однотипными по форме. Указанные детали и узлы называют деталями и узлами общемашиностроительного применения.
Детали и узлы специфические, встречающиеся только для данного вида машин (лопатки турбин и компрессоров, воздушный и гребной винты, коленчатый вал и т.п.), относят к деталям и узлам специального назначения.
Общая классификация деталей и узлов машин
Все детали и узлы общемашиностроительного применения по своему функциональному назначению объединены в следующие группы. Соединения - неподвижные связи деталей в изделии, предназначенные для фиксации взаимного положения деталей и объединения их в сборочные единицы различного уровня. К ним относятся резьбовые, сварные, шпоночные и другие соединения.
Механические передачи - устройства для передачи энергии и движения от двигателя к исполнительному механизму машины; к ним относятся: зубчатые передачи, червячные, вол новые, фрикционные, ременные, цепные и передача винт-гайка.
Детали и узлы для осуществления вращательного движения: валы, оси, подшипники скольжения и качения, муфты приводов.
Опорные детали машин и узлы: корпуса, станины, стойки, кронштейны и др.
Устройства для смазывания (форсунки, штуцеры, жиклеры, трубопроводы) и защиты элементов конструкции от загрязнений (уплотнения, фильтры, кожухи, крышки).
Упругие элементы (пружины, рессоры, амортизаторы).
Основные требования, предъявляемые к машинам, узлам и деталям
Совершенство конструкции и качество любой машины и составляющих её узлов и деталей определяются в основном такими показателями, как работоспособность, надежность, технологичность и экономичность. Другими требованиями, соблюдение которых тоже очень важно, являются удобство и безопасность обслуживания и управления (эргономические требования) и внешний вид, соответствующий требованиям технической эсте тики.
Работоспособность - это состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значения своих параметров, установленных технической документацией (техническими условиями, стандартами и т.п.).
Утрату работоспособности называют отказом. Отказы по своей природе могут быть связаны с разрушением деталей или с нарушением технического обслуживания машины (ослабление соединений, нарушение регулировки и т.п.)
Важными характеристиками исправности и работоспособности изделий являются:
- предельное состояние - это состояние технического объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация невозможна из- за нарушений требований безопасности или неустранимого ухода заданных параметров;
- срок службы - календарная продолжительность эксплуатации изделия от её начала до наступления предельного со стояния;
- наработка - продолжительность или объем работы изделия (в часах, километрах пробега, числах циклов нагружений и др.);
- ресурс - суммарная наработка изделия от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние (в часах, километрах пробега и др.).
Работоспособность изделий характеризуют рядом показателей, отражающих физические явления при работе, или критериями, важнейшими среди которых являются: прочность, жесткость, устойчивость, износостойкость, термостойкость и виброустойчивость. Значение того или иного критерия работоспособности для данной детали определяют по условиям работы и по служебному назначению детали.
Надежность - это свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в установленных пределах в течение заданного времени. Как комплексное свойство она характеризуется долговечностью, безотказностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью изделий.
Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при соблюдении нормального технического обслуживания и ремонтов.
Безотказность - свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени.
Ремонтопригодность - свойство, заключающееся в приспособленности изделия к предупреждению, обнаружению и уст ранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.
Сохраняемость - свойство изделия непрерывно сохранять исправность в течение и после хранения и транспортирования. Основные показатели надежности - вероятность безотказной работы в пределах заданной наработки и интенсивность отказов.
Надежность изделий закладывается при проектировании (точностью составления расчетных схем, правильным выбором материала, введением резервных элементов конструкции и др.), обеспечивается при изготовлении технологическими и организационно-техническими мерами и поддерживается при эксплуатации за счет соблюдения нормального технического обслуживания и ремонта.
Технологичность конструкции определяется изготовлением всех её элементов с минимальными затратами труда, времени и средств при обеспечении заданного качества деталей, узлов и машины в целом.
Детали и узлы должны быть сконструированы и изготовлены так, чтобы были обеспечены возможность сборки и разборки машины, удобный осмотр и смазка трущихся поверхностей, легкая замена изношенных частей при ремонте и т.п.
Экономичность изделий оценивается затратами на проектирование, стоимостью материалов, затратами на изготовление, эксплуатацию и ремонт. Экономичность деталей и узлов достигается оптимизацией их формы и размеров из условия минимизации массогабаритных характеристик, обеспечения минимума материалоемкости, энергоемкости и трудоемкости производства; за счет максимального КПД в эксплуатации при высокой надежности; высокой специализации производства, широкого применения стандартных, нормализованных и унифицированных деталей и др.
Роль стандартизации
Огромное значение в машиностроении, как и вообще в народном хозяйстве, имеет стандартизация.
Стандартизация — это обеспечение единообразия и качества продукции введением специальных обязательных для применения нормативных документов — стандартов.
Стандартизация деталей и узлов машин охватывает:
- нормы проектирования — общие нормы, классификацию и терминологию, методы расчета, правила оформления чертежей;
- конструкции — основные параметры, присоединительные и габаритные размеры;
- параметры производственного процесса — технологический процесс и инструмент;
- уровень качества и условия эксплуатации — материалы, показатели качества, технические требования, методы испытаний.
Стандартизация деталей машин обеспечивает:
а) возможность массового или крупносерийного производства стандартных деталей; как известно, трудоемкость деталей в массовом и крупносерийном производствах во много раз меньше, чем в мелкосерийном и индивидуальном, при значительно меньшем отходе металла в стружку;
б) возможность использования стандартного инструмента режущего, деформирующего и измерительного;
в) легкость замены вышедших из строя деталей при ремонте;
г) большую экономию труда при конструировании;
д) повышение качества конструкций.
Трудно представить себе то огромное количество труда, которое нужно было бы затратить, чтобы при проектировании каждой машины разрабатывать в индивидуальном порядке все винты, подшипники качения, смазочные устройства и другие стандартизованные детали и узлы.
Машины необходимо проектировать с учетом возможности унификации узлов и деталей с другими машинами, близкими по размерам и конструктивно подобными. Поэтому весьма эффективно комплексное проектирование целых семейств или размерных рядов машин.
Огромная экономичность массового и крупносерийного производства по сравнению с мелкосерийным и индивидуальным заставляет конструкторов во всех случаях стремиться применять в проектируемых машинах агрегаты или даже детали машин, уже изготовляемые в массовом производстве.