Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Основы технической механики
Введение
Основные понятия
Машина – совокупность механизмов, преобразующая энергию, материалы или информацию.
Машины состоят из деталей и сборочных единиц.
Деталь – изделие из одного материала, полученное без сборочных операций (вал, болт и т.д.).
Сборочная единица – изделие, собранное из деталей на предприятии-изготовителе (муфта, подшипник и т.д.).
Узел – это сборочная единица, которую можно собрать отдельно от других частей изделия.
Детали и узлы общего назначения делятся на три основные группы:
- детали соединений (болты, шпильки, винты и т.д.);
- механические передачи (зубчатые, червячные, винт-гайка, цепные, ременные, фрикционные);
- детали и узлы передач (валы, подшипники, муфты и т.д.)
Машинный агрегат - укрупненный узел, обладающий полной взаимозаменяемостью (насос, электродвигатель).
Детали по назначению разделены на две группы:
- детали общего назначения (типовые), общие для машин разных типов независимо от их назначения (например, болты, гайки, оси, валы, подшипники);
- детали специального назначения, характерные только для какой-либо определенной группы или типа машин (например, поршни, шатуны, карданные валы, лопатки турбин).
Детали общего назначения делят на следующие группы:
- соединения и соединительные детали, служащие для соединения частей машины. Соединения можно разделить на неразъемные, исключающие возможность разборки соединенных элементов без их нарушения или повреждения (соединения сваркой, клепкой и т. п.), и разъемные, допускающие разъединение в процессе эксплуатации (соединения винтами, клиньями и т. п.).
- детали передач вращательного движения - зубчатых, червячных, фрикционных, ременных, цепных. Эти детали входят в наиболее распространенные узлы машин, передающие механическую энергию от двигателя к исполнительному механизму технологической машины.
- детали, обслуживающие передачи — валы, оси, муфты, подшипники. Вращающиеся детали передач устанавливают на валах и осях, которые опираются на подшипники, закрепляемые на станинах или иных частях машин. Муфты служат для соединения валов между собой или с деталями передач.
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.
Машина, в которой все преобразования энергии, материалов и информации выполняются без непосредственного участия человека, называется автоматом.
По характеру рабочего процесса и назначению машины можно разделить на три класса:
I класс – машины-двигатели, преобразующие тот или иной вид энергии в механическую работу (ДВС, турбины и т.д.);
II класс – машины-преобразователи (генераторы), преобразующие механическую энергию (полученную от машин-двигателей) в другой вид энергии (электрические машины – генераторы тока);
III класс – машины-орудия (рабочие машины), использующие механическую работу, получаемую от машины двигателя, для выполнения технологического процесса, связанного с изменением свойств, состояния и формы обрабатываемого объекта (металлообрабатывающие станки, сельхозмашины и т.д.).
Основные критерии работоспособности и расчета деталей
Работоспособность – это состояние изделия, при котором оно способно выполнять свои функции, сохранять значения заданных выходных параметров в пределах норм установленных нормативно-техническими документами.
Критерии работоспособности:
- прочность;
- точность;
- жесткость;
- виброустойчивость;
- стойкость к тепловым воздействиям;
- износостойкость;
- надежность.
1. Прочность – деталь не должна разрушаться или получать остаточные деформации под влиянием действующих на неё сил в течение заданного срока службы. При рабочих нагрузках ни для одной точки детали коэффициент запаса прочности не должен быть ниже требуемого.
Расчёты на прочность деталей машин осуществляют по допускаемым напряжениям, коэффициентам запаса прочности или вероятности безотказной работы.
Для пластических материалов допускаемое напряжение статически нагруженных деталей рассчитывают по пределу текучести:
Где nт=1,1…1,4 – коэффициент запаса;
- для хрупких материалов по пределу прочности:
Где nв=3…4 – коэффициент запаса.
Прочность деталей, подвергающихся переменной нагрузке, рассчитывают с учетом факторов, влияющих на усталостную прочность, - концентрации напряжений, размеров деталей, состояния поверхностного слоя. В этом случае допускаемое напряжение определяется в зависимости от предела выносливости
Где n – коэффициент запаса;
- коэффициент, учитывающий масштабный фактор (влияние размеров детали);
β – коэффициент учитывающий состояние поверхностных слоев;
- коэффициент концентрации напряжений.
2. Точность – точность деталей машин включает в себя точность формы и размеров отдельных участков детали, а также точность взаимного положения этих участков.
Точность при обработке характеризуется значениями допущенных при обработке погрешностей. Погрешности обработки должны находится в пределах допусков.
При обработке необходимо получить заданную чистоту поверхности, которая зависит от метода обработки и режимов резания.
3. Жесткость — упругие перемещения, возникающие при работе детали, не должны приводить к нарушению ее (и машины в целом) нормальной эксплуатации.
Жесткость может быть определена как соотношение силы F(Н), приложенной к узлам в заданном направлении, к упругому отжатию этого узла δ (мм):
4. Износостойкость — в течение заданного срока службы детали ее износ не должен нарушать нормальных условий эксплуатации машины. В результате постепенного изменения поверхностей трения при взаимодействии двух сопряженных деталей происходит износ.
Износ – постепенное уменьшение размеров и форм деталей. Для большинства деталей характерен абразивный износ. Выделяют три стадии износа: 1 – период притирки; II – установившийся (или нормальный) износ; III – катастрофически износ.
Скорость изнашивания γ в стадии изнашивания II остается постоянной
Где U – величина износа, t – время изнашивания.
Для абразивного и усталостного износа величину износа определяют по формуле
Где к – коэффициент, зависящий от материала пар трения, смазки, микронеровностей и других факторов;
р – удельное давление;
vотн – скорость относительного скольжения;
Мероприятия по повышению износостойкости:
- смазка трущихся поверхностей;
- применение износостойких материалов;
- защита поверхностей от загрязнений;
- перенос усилий с ответственных механизмов на менее ответственные и т.д.
5. Стойкость к тепловым воздействиям
В результате теплового воздействия возникают температурные деформации, которые отрицательно влияют на работоспособность машины:
- понижают защитную способность масляного слоя в трущихся поверхностях;
- изменяются зазоры в подвижных соединениях;
- понижается точность машины.
Методы борьбы с температурными деформациями:
- вынос механизмов с тепловыделением за пределы технологического оборудования;
- использование смазочно-охлаждающей жидкости;
- принудительное охлаждение узлов;
- создание термоконстантных цехов, в которых поддерживается постоянная температура;
- выравнивание температурного поля путем искусственного подогрева или охлаждения отдельных узлов.
6. Виброустойчивость — способность работать в заданном диапазоне режимов без возникновения недопустимых колебаний. При совпадении собственных колебаний узлов машины совпадает с частотой вынужденных колебаний, наступает резонанс. Это самое опасное состояние и может произойти разрушение. Основное распространение в машинах имеют вынужденные, параметрические колебания и автоколебания.
Вынужденные колебания возникают под действием внешней периодически изменяющейся силы. Причины:
- дисбаланс вращающихся деталей;
- ошибка зубчатых колес;
- наличие внешних источников колебаний.
Параметрические колебания возникают при наличии какого-либо переменного параметра.
Автоколебания, или незатухающие самоподдерживающие колебания. Характеризуются тем, что возмущающиеся силы возникают в самом процессе колебания. При автоколебательном процессе в случае прекращения колебаний системы перестают существовать и переменные силы, поддерживающие эти колебания.
Меры по снижению колебаний – повышение жесткости узлов машины.
Наличие колебаний в машине сопровождается шумом.
7. Надежность – это свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение заданного промежутка времени, обусловленное безотказностью и долговечностью изделия.
Надежность закладывается при проектировании и расчёте машины.
При изготовлении машины обеспечивается надежность (зависит от качества изготавливаемых деталей, сборки узлов, методов контроля и испытания готовой продукции и других показателей технологического процесса).
При эксплуатации машины реализуется её надежность.
Показатели безотказность и долговечность проявляются только при эксплуатации, зависят от условий использования машины, системы её ремонта и технического обслуживания.
Безотказность – это свойство изделия непрерывно сохранять свою работоспособность в течение заданного периода времени. В это понятие включено ТО, Р, подналадка.
Долговечность – это свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение всего периода эксплуатации до предельного состояния.
Отказ - полная или частичная утрата работоспособности изделий.
Отказы бывают полные или частичные, внезапные (поломки) или постепенные (изнашивание, коррозия), устранимые или нет.
Машиностроительные материалы
Различают конструкционные материалы (для изготовления деталей машин) и инструментальные, из которых получают режущий инструмент.
Конструкционные материалы – металлы (алюминий, железо, медь, титан); сплавы металлов (железоуглеродистые – чугун, сталь; магниевые; медноцинковые – латунь; меднооловянные – бронза; сплавы алюминия и др), неметаллы (пластмассы, древесину, текстолиты, стеклотекстолиты) и композиционные материалы.
Композиционные материалы – новые конструкционные материалы. Для их получения в основной материал добавляют наполнители, которые определяют свойства композиционного материала.
Композиционные материалы на основе пластмасс характеризуются высокой химической и коррозийной стойкостью.
Стекло, керамические, древесные и др.неметаллические материалы имеют свои физико-механические и эксплуатационные свойства.
В качестве волокнистых наполнителей используют проволоки из вольфрама, молибдена, волокна оксидов алюминия, бора, карбида кремния, графита.
Различные формы деталей машин из заготовок получают при помощи режущих инструментов.
Материал режущей части инструмента должен иметь большую твердость и высокие допускаемые напряжения на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. Режущий инструмент должен обладать большой вязкостью, сохранять свою твердость, режущие свойства при высоких температурах. Должен обладать высокой износостойкостью. Для повышения износостойкости на режущую часть инструмента наносят специальными методами одно- и многослойные покрытия из карбидов вольфрама или нитридов титана.
К инструментальным сталям относятся:
- углеродистые инструментальные стали с содержанием углерода 1-1,3%; применяют марки У10А, У11А, У12А. (метчики, плашки, ножовочные полотна, сверла);
- легированные инструментальные стали; инструментальные стали с добавлением хрома, вольфрама, ванадия, кремния и др. Легированные стали имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии, высокую прокаливаемость, меньшую склонность к появлению трещин при закаливании. Изготавливают протяжки, сверла, метчики, плашки, развертки.
- быстрорежущие стали; содержат вольфрам до 19%. Используют стали Р9, Р12, Р18 – резцы, фрезы, долбяки. С добавлением кобальта (Р9К5, Р18К10) применяют для обработки труднообрабатываемых коррозионо-стойких и жаропрочных сталей и сплавов.
Т.к. быстрорежущие стали дорогие, то для экономии режущий инструмент изготавливают сборным или сварным.
- твердые сплавы применяют в виде пластинок определенных форм и размеров. Пластинки предварительно прессуют, а затем спекают при температуре 1500-1900С. Тверды сплавы оделяться на три группы: вольфрамовую (КВ), титано-вольфрамовую (ТК),
титанотанталовольфрамовую (ТТК). Недостаток сплава – низкая пластичность.
Твердые сплавы ВК применяют для обработки хрупких металлов, пластмасс и др.неметаллических материалов.
Сплавы ТК – при обработке вязких металлов и сплавов.
ТТК (повышенная износостойкость) – обработка сталей аустенитного класса (труднообрабатываемые).
- синтетические сверхтвердые и керамические инструментальные материалы. Сверхтвердые материалы (СТМ) – на основе модификации нитрида бора: эльбор, гексанит-Р и др. Особенность пластин СТМ – могут обрабатывать твердые сплавы, чугуны любой твердости, но не выдерживают ударную нагрузку.
Инструментальные керамические материалы (ЦМ332, силинит Р и др.) используют для чистовой и получистовой обработки незакаленных сталей и серых чугунов, а «черную» керамику (ВОК-60) применяют для чистовой и получистовой обработки ковких, высокопрочных, отбеленных чугунов и закаленных сталей.
- абразивные материалы – это мелкозернистые порошковые вещества, используемые для изготовления абразивных инструментов: шлифовальных кругов, головок, сегментов, брусков. Естественные абразивные материалы (наждак, кварцевый песок, корунд) – применяются ограниченно (неоднородность свойств). Применяют искусственные абразивные материалы: электрокорунды, карбиды бора, оксид хрома, синтетические алмазы и т.д. Абразивные материалы имеют высокую твердость, износостойкость и теплостойкость. Их используют для финишной обработки.
В промышленности используют природные и синтетические алмазы. Недостаток – повышенная хрупкость. Применяются для оснащения резцов, сверл; для изготовления инструментов (кругов, пил, лент, брусков).
Контрольные вопросы по теме
1. Дать определение детали.
2. Перечислить классы машин, привести примеры этих машин.
3. Перечислить критерии работоспособности.
4. Дать определение прочности.
5. Дать определение износу.
6. Какие детали называются деталями общего назначения.
Кинематические пары и звенья
Кинематической парой называется подвижное соединение двух соприкасающихся тел, например поршень и цилиндр, вал и подшипник и др. тела, составляющие кинематическую пару, называются звеньями.
По характеру соприкосновения элементов кинематические пары делятся на два основных класса: низшие и высшие.
Низшие кинематические пары
Рис.1. Низшие кинематические пары
1) Поступательные (а,б): а - цилиндр 1 и поршень со штоком 2; б – ползун 1 и прямолинейные направляющие 2; 2) вращательные (в,г,д): в – плоский шарнир; г – вал и подшипник; д – шаровой шарнир.
Низшие пары более износостойкие, т.к. сила давления одного звена на другое у них распределяется по поверхности соприкосновения, тогда как у высших пар соприкосновение происходит в точках или по линиям.
Высшие кинематические пары
Рис.2. 1) колесо и рельс – соприкосновение по линии(а); 2) фрикционные катки – соприкосновение по линии (б); 3) кулачковая пара с острым толкателем – соприкосновение в точке (в).
Кинематической цепью называется связанная система звеньев, образующих между собой кинематические пары.
Механизм обязательно имеет неподвижное 1, ведущее 2 и ведомое 3 звенья (рис.3).
Ведущим называется звено, которое передает заданное движение. Ведомым называется звено, воспринимающее движение. Наличие стойки и других наложенных связей в виде кинематических пар дает возможность получения в механизме определенных движений ведомых звеньев при заданном законе движения ведущего.
Рис.3.
Рассмотрим на примере
Рис. 4. Кривошипно-ползунный механизм
Механизм состоит из четырех звеньев (1,2,3,0), образующих четыре кинематических пары (О,А,В,С). Звено 1 совершает вращательное движение вокруг неподвижной оси, совпадающей с осью кинематической пары О1, Это звено называется кривошипом, а пара О1 – вращательной. Звено 3 совершает возвратно-поступательное движение вдаль прямолинейной направляющей, расположенной на неподвижном звене 0. Звено 3 называется ползуном, а звено 0 – стойкой. Звено 3 и звено 0 образуют кинематическую пару С, обеспечивающую возможность поступательного движения, поэтому пара называется поступательной. Звено 2 совершает сложно-плоскостное движение и образует со звеньями 1 и 3 вращательные пары А и В. это звено называется шатуном.
Изображенный механизм позволяет вращательное движение кривошипа преобразовать в поступательное движение ползуна и наоборот.
Кинематическая схема механизма и ее условные обозначения
Для исследования механизма обычно используется его упрощенное изображение. Такого рода изображение механизма называется его кинематической схемой.
На рис.1 показана вращательная кинематическая пара, представляющая собой сочленение двух звеньев при помощи шарнира.
Рис.1.
Если одно из звеньев этой пары неподвижно, то пара изображается так, как показано на рис. 2.
Рис.2
Три различных способа изображения поступательной кинематической пары, состоящей из звеньев 1 и 2, показаны на рис. 3, а, б и в.
Рис.3
При неподвижных направляющих те же кинематические пары изображаются схемами, приведенными на рис.4, а, б, в.
Рис.4
Винтовые пары показаны на рис. 5, а, б, в, где винт 1 охватывается гайкой 2.
Рис.5
Как известно из кинематики, плоское движение твердого тела вполне определяется движением двух любых его точек или, что то же самое, движением отрезка прямой, соединяющего эти две точки. Поэтому звено может быть изображено независимо от действительной его формы отрезком, выражающим в выбранном масштабе расстояние между осями шарниров, в которые это звено входит (рис.6, а).
Если звено имеет три шарнира, оси которых лежат в одной плоскости, то промежуточный шарнир С изображается так, как показано на рис. 6, б. В тех случаях, когда оси шарниров не лежат на одной прямой, звено изображается треугольником АВС (рис.6, в).
Рис. 6
Пусть механизм образован четырьмя звеньями 1, 2, 3 и 4, сочлененными шарнирами А, В, С и D (рис.7). Если звено АD неподвижно (является стойкой), то оно изображается, как показано на чертеже.
Рис.7
Рассмотрим кинематическую схему механизма, показанную на рис.8. Этот механизм имеет шесть звеньев, среди которых два ползуна 4 и 6, одно звено 2, входящее в три вращательные пары, два звена 3 и 5, каждое из которых входит в две вращательные пары, и, наконец, одно неподвижное звено 1, т. е. стойка, на которой расположены направляющие поступательных пар D и G и неподвижный элемент вращательной пары А. Не изображая неподвижного звена 1, условно обозначают штриховкой элементы кинематических пар, в которые оно входит.
Рис.8