Лекция 1. «Классификация машин и деталей к ним.
Основные требования к машинам и деталям машин».
«Детали машин» — это раздел механики, в котором изучают основы проектирования машин и механизмов.
Машина – техническое устройство, выполняющее преобразование энергии, материалов и информации с целью облегчения физического и умственного труда человека, повышения его качества и производительности, путем частичной и ли полной замены человека в его трудовых или физиологических функциях.
Машина обязательно совершает полезную работу. Отличительным признаком машины является перемещение рабочих органов, то есть осуществляется механическое движение, связанное с выполнением того или иного рабочего процесса.
Существуют следующие виды машин:
1. Энергетические машины – преобразующие энергию одного вида в энергию другого вида. Эти машины бывают двух разновидностей:
Двигатели – которые преобразуют любой вид энергии в механическую (например, электродвигатели преобразуют электрическую энергию, двигатели внутреннего сгорания преобразуют энергию расширения газов при сгорании в цилиндре).
Генераторы – которые преобразуют механическую энергию в энергию другого вида (например, электрогенератор преобразует механическую энергию паровой или гидравлической турбины в электрическую).
2. Рабочие машины – использующие механическую энергию для совершения работы по перемещению и преобразованию материалов. Эти машины также имеют две разновидности:
Транспортные машины – которые используют механическую энергию для изменения положения объекта (его координат).
Технологические машины – использующие механическую энергию для преобразования формы, свойств, размеров и состояния объекта.
3. Информационные машины – машины, предназначенные для обработки и преобразования информации. Они подразделяются на:
Математические машины – преобразующие входную информацию в математическую модель исследуемого объекта.
Контрольно-управляющие машины – преобразующие входную информацию (программу) в сигналы управления рабочей или энергетической машиной.
4. Кибернетические машины – машины управляющие рабочими или энергетическими машинами, которые способны изменять программу своих действий в зависимости от состояния окружающей среды (т.е. машины, обладающие элементами искусственного интеллекта).
Машины состоят из большого количества отдельных частей. Простейшие части машин, изготовленные без применения сборочных операций, называются деталями.
Группа деталей, работающих в комплексе и объединенных общим назначением, называется механизмом или узлом (например, редуктор, коробка передач).
Различают детали общего и специального назначения.
Детали общего назначения — винты, гайки, валы, муфты, подшипники и т.д. применяются почти во всех машинах.
Детали общего назначения могут быть условно подразделены на четыре категории:
1. Детали неразъемных (заклепки) и разъемных (болты, винты, шпонки, штифты и др.) соединений.
2. Детали для поддержания и соединения вращающихся частей машин (оси, валы, подшипники и муфты).
3. Детали передач (зубчатых, фрикционных, винтовых, цепных, ременных и др.).
4. Детали смазочных устройств, трубопроводов и аппаратуры.
Детали специального назначения встречаются только в некоторых машинах. Например, в строительных машинах это — крюк подъемного крана, зуб ковша экскаватора и т.д.
Детали и сборочные единицы общего назначения являются изделиями массового производства. Поэтому даже незначительное усовершенствование их конструкции, повышение качества изготовления дают большой экономический эффект.
Обеспечение эффективности работы машины при длительном сроке службы в значительной степени определяется характеристиками деталей прочностью, надежностью, долговечностью, износостойкостью и жесткостью деталей и узлов.
В зависимости от назначения и условий производства детали машин изготавливаются из чугунных и стальных прокатов, штампованных заготовок, из сплавов, а также из пластмасс.
Наиболее распространенными являются чугун и сталь, называемые черными металлами. Широкое применение при изготовлении многих деталей машин получил чугун, обладающий хорошими литейными свойствами, низкой стоимостью и достаточной прочностью. Сложные по конфигурации корпусные и другие детали отливаются из так называемого серого чугуна, представляющего собой железоуглеродистый сплав. Детали, изготовленные из серого чугуна, имеют ограниченную прочность при возникновении в них касательных напряжений (изгиб, кручение) или при воздействии на них ударных нагрузок.
Сталь (литейная или прокатная) применяется для изготовления более нагружаемых деталей. Из стали отливаются в основном крупные динамически нагружаемые и сложные по форме детали строительно-дорожных машин. Это ходовые рамы, станины, ковши больших экскаваторов, корпуса камнедробилок, а из специальных износостойких высокомарганцовистых сталей (зубья ковшей экскаваторов, рабочие органы камнедробильных машин и т.д.)
Для повышения прочности и твердости изготовленных из стали деталей их обычно подвергают термической обработке (закалке, отпуску или нормализации).
Из цветных металлов наибольшее применение при изготовлении деталей строительных и дорожных машин находят медь, алюминий, олово, свинец, цинк. Применяются они в виде сплавов (алюминиевые сплавы, латунь, бронза, баббит и др.).
В строительном машиностроении кроме металлов применяются и другие материалы, например, пластмасса, резина, стекло, асбест и др.
Наиболее широко распространены пластмассы на основе синтетических смол. Они разделяются на слоистые (текстолит, гетинакс, асботекстолит) и термопластические материалы (плексиглас, винипласт, фторопласт). Пластмассы используют для изготовления вкладышей подшипников, зубчатых колес, сепараторов подшипников качения, ремней, крепежных деталей, рукояток и др.).
Критериями работоспособности деталей является их прочность, жесткость, износостойкость, виброустойчивость, теплостойкость. Под надежностью деталей и сборочных единиц понимают их свойство сохранять работоспособность в течение заданного срока эксплуатации.
В зависимости от назначения детали ее расчет ведут по одному или нескольким критериям.
Прочность – важнейший критерий работоспособности детали, характеризует ее способность сопротивляться действию нагрузок без разрушения или пластических деформаций. Непрочные детали не могут работать.
Жесткость - характеризуется изменением размеров и формы детали под нагрузкой. Упругие перемещения деталей не должны превышать допустимых перемещений, устанавливаемых на основании опытов и расчетов. Например, при больших прогибах валов в редукторе резко ухудшается работа зубчатых колес и подшипников. Нормы жесткости деталей устанавливают на основе практики эксплуатации и расчетов.
Износостойкость. В результате изнашивания выходят из строя большинство подвижно соединенных деталей. При этом происходит увеличение зазоров в соединении, что приводит к потере точности работы механизма, возрастанию динамических нагрузок и даже поломке деталей. Изнашивание увеличивает стоимость эксплуатации, вызывая необходимость проведения дорогих ремонтных работ.
Виброустойчивость. При высоких скоростях звеньев механизмов могут возникнуть вибрации, которые вызывают дополнительные переменные напряжения и, как правило, приводят к усталостному разрушению деталей. При вибрациях особенно опасно явление резонанса, которое наступает в случае, когда частота собственных колебаний детали совпадает с частотой изменения периодических сил, вызывающих вибрации, так как при этом резко возрастает амплитуда колебаний и может произойти разрушение детали.
Причинами появления вибрации являются: неуравновешенность движущихся деталей механизма, большие зазоры между сопряженными деталями, неточность изготовления зубьев колес, недостаточная жесткость деталей и корпусов механизмов, периодическое изменение сил и другие причины. Для предотвращения вибраций необходимо устранить причины, способствующие их возникновению.
Теплостойкость. Тепловые расчеты при проектировании механизмов обычно производятся для решения двух задач:
1) определения температуры нагрева деталей и изыскания способов ограничения ее величины допустимыми пределами;
2) определения величины тепловых деформаций деталей для учета их влияния на точность и надежность механизма.
Пренебрежение к учету влияния тепловых факторов может привести к чрезмерному и неравномерному нагреву деталей механизма и нарушению нормального их взаимодействия. Чтобы не допустить вредных последствий перегрева на работу машины, если необходимо, вносят соответствующие конструктивные изменения (например, искусственное охлаждение).