Лекции по дисциплине «Технические основы создания машин»

Лекция №1

Введение

Машиностроение – комплекс отраслей тяжелой промышленности изготавливающих орудия труда для промышленного производства, а также предметы потребления и продукцию оборонного значения.

Машиностроение является материальной основой технического перевооружения всего производства. От уровня развития машиностроения, в решающей степени, зависят производительность общественного труда, технический прогресс, материальное благосостояние народа и обороноспособность страны. Главная задача машиностроения – обеспечить все отрасли промышленности высокоэффективными машинами и оборудованием, оно является базой для превращения любой страны в высокоразвитую индустриальную державу.

Машиностроение можно отнести к разряду старой традиционной отрасли промышленности. В основу работы машин положены принципы классической механики. Эти принципы с течением времени мало изменились и сегодня в период научно-технической революции. Однако, машиностроение наших дней вбирает в себя все новейшие достижения других наук и на основе всех этих достижений со старыми принципами механики создает новую технику.

Современное состояние техники было подготовлено длительным ее развитием. Наука полагает, что примерно мл. лет назад в разных регионах Европы, Азии и Африки в результате изменения природных условий и связанной с этим нехваткой пищи человекоподобные обезьяны для добывания пищи стали усиливать действие своих рук камнями и палками. Затем начали их обработку придавая удобную и целесообразную форму. Развитие мозга и его продукта – мышления – привело к тому, что человек сознательно по заранее обдуманному плану начал изготавливать орудия труда. В связи с широко проводившимися строительными и ирригационными работами появились различные вспомогательные средства. Первые технические средства были предназначены для подъема и перемещения грузов. Появились рычаг, наклонная плоскость, клин, каталка, пресс, блок, полиспаст, насос и т.п.

Начальной стадией развития производства, а также первыми предприятиями по изготовлению машин в XVI – XVIII вв. явились мануфактуры. В XVIII в. техника начинает развиваться ускоренными темпами. Появляются машины для текстильной промышленности. Технологические машины промышленных предприятий приводились в действие от центрального парового двигателя через разветвленную сеть передаточных механизмов.

Первыми промышленными автоматическими устройствами были регулятор уровня воды в котле паровой машины (1765 г.) И.И. Ползунова и регулятор скорости вращения вала паровой машины (1784 г.) Д. Уатта. В 1804-1808 гг. была создана система программного управления с помощью перфоленты ткацким станком Ж. Жаккаром. Изобретение копировального и винторезного станка с механизированным суппортом русским механиком и изобретателем А.К. Нартовым в 1718-29 г., а затем усовершенствование токарно-винторезного станка английским механиком Генри Модсли в 1789 г., который добился частичной стандартизации изготовления винтов; другие изобретения большого числа разнообразных машин и широкое их использование в производстве послужило основой возникновения в XVIII в. новой отрасли производства – машиностроения. Образовались такие технические дисциплины, как сопротивление материалов, кинематика механизмов, динамика машин, основы деталей машин и др.

Наиболее эффективное и стремительное развитие машиностроения и автоматизация производственных процессов начались в середине XX в., когда наряду с механическими и электрическими устройствами появились электронные регулирующие приборы и автоматы.

Развитие техники, ее совершенствование вызвало возникновение технических наук и привлечение естественных наук к разрешению противоречий при создании высокоэффективных машин. Так под влиянием практических потребностей формировались научные положения, которые развивали технику и затем более совершенная техника и технологии позволяли глубже познать явления и законы природы. Познанные законы природы вновь способствовали совершенствованию и созданию новых материалов, техники и технологий. Эта взаимосвязь науки и техники и явилась причиной бурного развития их. Бурное развитие науки и техники порождает сегодня уже много социальных проблем: охраны окружающей среды, этики ученных, прогнозирование социальных последствий научной и инженерной деятельности, которые могут оказаться необратимыми. Это требует особого внимания и перестройки традиционного стиля работы и способа мышления современного ученого и инженера.

В великих открытиях и завоеваниях современной науки и техники есть доля труда всех народов мира: русский механик Кулибин и чешский изобретатель И. Божек, теплотехник Ползунов И., создатель паровой машины Д. Уатт, китайский кузнец Би Шэн, ученый Ибн-Сена, итальянский Г. Галилей, поляк Н. Коперник, белорус Ф.Скорина, французкий мыслитель Р. Декарт, русский М. Ломоносов, американцы В. Франклин и Т. Эдисон, немец Р. Мейер, англичанин М. Фарадей, швед И. Берцелиус и многие другие.

Ученые создавшие научно-технические предпосылки для полета человека в космос: Н. Кибальчич, А. Можайский, К. Циолковский, Д. Менделеев, Н. Жуковский.

Родиной машиностроения является Англия. Промышленный переворот в Англии завершен был в первой четверти XIX в., который превратил ее в передовую промышленную державу. Первый этап промышленной революции – появление рабочих машин, которые позволили расширить производство. Второй этап – изобретение универсального теплового двигателя – паровой машины. Третий этап – создание рабочих машин в машиностроение – металлообрабатывающих станков.

Позже всех европейских стран на путь капиталистического развития вступила Россия. Истоки машиностроения и приборостроения в России относятся к началу XVIII в., когда в Москве была организована школа математических навигационных наук (1701 г.). Основы теории и практики машиностроения и приборостроения были заложены М.В. Ломоносовым и механиками-изобретателями И.И. Ползуновым, К.Д. и П.К. Фроловыми, И.П. Кулибиным, Е.А. и М.Е. Черепановыми и др. Ведущую роль в становление отечественного машиностроения и приборостроения в XIX веке сыграло Московское техническое училище, основанное в 1830 г., в котором сформировалась научно-методическая школа подготовки инженеров-механиков. Развитие машиностроения тесно связанно с именами таких ученных, как М.В. Остроградский, П.Л. Чебышев, И.А. Вышеградский, Н.Е. Жуковский, С.А. Чаплыгин, А.С. Ершов, В.Л. Кирпичев, А.П. Гавриленко, Н.П. Петров, И.А. Балашов, Ф.Н. Королев, С.А. Акимов, П.Н. Погорельский и др.

В конце XIX в. и начале XX в. были созданы политехнические институты, в которых специальности машиностроения стали ведущими: Львовский (1844), Киевский (1898), Томский (1890), Петербургский (1902) и Новочеркасский (1907).

В Казахстане в период с 1921 по 1932 годы закладывались основы тяжелой индустрии, стали появляться металлообрабатывающие предприятия обслуживающие горнодобывающую, нефтяную, легкую и пищевую промышленность. В 1935 году был введен в действие Алма-атинский механический завод, выросли производственные мощности Кокчетавского, Петропавловского, Семипалатинского, Джамбульского, Уральского механических заводов. В годы Великой Отечественной войны в Казахстан были эвакуированы из Москвы, Воронежа, Харькова, Мелитополя и введены в действие заводы: прессов-автоматов в Чимкенте, изоляционных материалов в Петропавловске, рентгеновской аппаратуры в Актюбинске, Алма-атинский завод тяжелого машиностроения АЗТМ, насосный в Целинограде, Петропавловский завод малолитражных двигателей, Целиноградский завод Казахсельмаш.

В послевоенные годы были построены Новокарагандинский завод горношахтного оборудования, Восточно-Казахстанский завод по выпуску буровых станков для подземного бурения, породопогрузочных машин, рудоразмельчительных машин, классификаторов, перфораторов, флотомашин, Павлодарский тракторный завод, Кентаусский экскаваторный и трансформаторный заводы, завод исполнительных механизмов в Петропавловске, завод высоковольтной аппаратуры в Чимкенте; совершенствовалось оборудование ранее построенных заводов.

Научно-теоретической базой машиностроения и приборостроения является теория механизмов и машин. Эта важная отрасль науки интенсивно развивается в Казахстане. В 1934 году был образован Казахский Университет одним из факультетов которого был факультет механики и прикладной математики. В 1960 году на базе горно-металлургического института (1934) был образован Казахский политехнический институт в составе которого был машиностроительный факультет. По координационным планам НАН РК ученые республики ведут разработку различных проблем и задач теории механизмов и машин. При Казахском Государственном Университете в 1970 году была создана научно-исследовательская лаборатория механики машин. Ведущим научным направлением кафедры прикладной механики и научно-исследовательской лаборатории механики КазГУ является изучение основных свойств и особенностей плоских рычажных механизмов высоких классов. На основе комплексных исследований учеными КазГУ под научным руководством действительного члена НАН РК президента инженерной академии У.А. Джолдасбекова сделан большой вклад в развитие теории машиностроения, который по достоинству оценен мировой научной общественностью. Теоретическими исследованиями по теории машин и механизмов также занимаются и другие вузы Алматы, Караганды, Шымкента, Усть-Каменогорска, Тараза.

Еще в шестидесятых годах стало ясно, что источники экстенсивного развития отечественной промышленности фактически иссякли, но недостаток чувства нового, инерция мышления не позволили сделать необходимый выбор. Настала пора резко повысить требовательность к кадрам. Без их содержательного и эффективного труда невозможно ускорение научно-технического прогресса – создание новых и модернизация имеющихся машин на уровне современных требований. Сегодня мы говорим о новой технике, подразумевая под этим целый комплекс технических средств. Новая техника наших дней существенно отличается от техники, созданной ранее. В создании нынешней техники большую роль играют научные достижения. К новой технике относятся: впервые реализуемые результаты научных исследований и прикладных разработок, содержащие изобретения; новые или более совершенные технологические процессы, орудия и предметы труда; способы организации производства и труда, обеспечивающие высокие технико-экономические показатели или решения социальных и других задач развития производства.

Для создания новой техники необходимо развитие государственной системы научно-технической информации, создание необходимых условий для скорейшего внедрения изобретений и рационализаторских предложений в производство.

Использование выдающихся открытий и изобретений позволяет государству занять ведущее место в мире по основным отраслям промышленности. По существу все новое, передовое, прогрессивное (оборудование, материалы, технологии) неизбежно связано с изобретениями и открытиями.

Высшая школа является активным проводником решений насущных проблем научно-технического прогресса. Немаловажно и активное участие студентов в вузовской науке, позволяющее не только быстрее решать поставленные задачи, но и надежнее формировать всестороннее развитие специалиста и сократить сроки адаптации его на производстве.

1.1. Машины, механизмы, приборы – их назначение, классификация

Машина – устройство выполняющее механическое движение для преобразования энергии, материалов и информации. В зависимости от основного назначения (какое преобразование преобладает) различают три вида машин: энергетические, рабочие, информационные.

Энергетические машины, предназначены для преобразования любого вида энергии в механическую называются машинами двигателями. К ним относятся электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, турбины, паровые машины, электрические генераторы.

Рабочие машины предназначены для преобразования материалов и подразделяются на технологические и транспортные. В технологических машинах производится преобразование материалов, которое выражается в изменении формы, свойств, состояния и положения. Под материалом подразумевается обрабатываемый предмет, который может находится в твердом, жидком и газообразном состоянии. Транспортные машины предназначены для перемещения материалов. Под материалом понимается перемещаемый предмет, а его преобразование состоит только в изменении положения.

К технологическим машинам относятся металлообрабатывающие станки, прокатные станы, ткацкие станки, вращающиеся печи, прессы по производству кирпича, бетоносмесители и т.п. К транспортным – автомобили, самолеты, подъемники, конвейеры, элеваторы и т.п.

Информационные машины предназначены для преобразования информации. Если информация представлена в форме чисел, то информационная машина называется счетной или вычислительной. Машина, в которой преобразование выполняется без непосредственного участия человека, называется машиной – автоматом. Совокупность машин автоматов образует автоматическую линию.

Машину следует рассматривать как часть системы – рабочая среда – машина – человек (оператор). В то же время, машина – это тоже система, состоящая из следующих компонентов:

механизмов – кинематических цепей элементов (деталей, узлов, агрегатов) предназначенных для совершения определенных движений;

силового оборудования (двигателя, служащего для выработки энергии, необходимой для осуществления движения механизмов машин;

рабочего оборудования, для непосредственного выполнения технологических операций машины;

передаточного механизма, связывающего силовое оборудование с рабочим оборудованием и исполнительными механизмами для передачи необходимой энергии и движения;

ходового оборудования (в подвижных машинах), обеспечивающего передвижение машины в процессе ее работы или транспортировки;

системы управления для включения и выключения механизмов и регулировки рабочих параметров машины;

рамы, станины, корпуса, служащих для монтажа основных частей машины.

Общая классификация машин, определяемая производственными и конструктивными признаками машин и их рабочих органов, осуществляется по следующим основным принципам: виду выполняемой работы, характеру и технологии рабочего процесса, мощности или производительности, режиму работы, виду привода, подвижности, универсальности, виду управления.

По виду выполняемой работы машины делятся на классы, например, машины для измельчения, сортировки, транспортирования и укладки смесей и др.

Классы машин делятся на группы, различающиеся по характеру и технологии рабочего процесса, например, дробилки, мельницы.

Группа машин разделяется на типы, отличающихся конструкцией отдельных узлов, агрегатов, например, дробилки – щековые, конусные, валковые, роторные.

Типы машин имеют типоразмерный ряд, различающихся между собой мощностью привода, массой, производительностью, размерами рабочего органа, но подобных по конструкции.

По режиму работы: машины циклического действия (бетоносмесители, краны); машины непрерывного действия (грохоты, конвейеры).

По виду привода или использования двигателя: с электроприводом, с гидравлическим и пневматическим приводом, с комбинированным приводом (дизель-электрическим, электрогидравлическим и др.), с приводом от двигателя внутреннего сгорания.

По степени подвижности: стационарные, подвижные (самоходные, прицепные, полуприцепные), в которых может использоваться гусеничный, колесный или шагающий движитель.

По универсальности: универсальные, имеющие одну базовую машину и сменное рабочее, ходовое или силовое оборудование, специализированные машины, предназначенные для выполнения лишь определенного вида работы.

По виду и средствам управления; с ручным управлением, механизированными и автоматизированными системами управления. Средства управления: механические, электрические, гидравлические, пневматические, смешанные (электропневматические и др.) средства и системы.

Для автоматизированных систем управления, проведения научных исследований, измерения и анализа специальной отраслью машиностроения (приборостроение) производятся различные приборы для измерения: механических, электрических, магнитных, тепловых, оптических, радиационных и др. величин.

Приборы для измерения электрических и магнитных величин: напряжение, ток, мощность, частота, фаза, сопротивление, емкость, магнитные величины.

Приборы для измерения теплоэнергетических величин: температура, давление, расход, уровень.

Приборы для измерения механических величин: вес, сила, вибрация, твердость, прочность, деформация.

Аналитические приборы – устройства для определения состава и концентрации веществ в различных средах, материалах и продуктах. К ним относятся электрохимические, ультразвуковые, оптические, ядерные и иные сложные многопараметровые аналитические системы. Современные средства физико-химического анализа используют разнообразные явления, вызываемые воздействием электрических полей, электромагнитных волн, или проникающей радиации на исследуемую среду. Отбор и подготовка проб, преобразование, разделение, дозирование вещества, возбуждение их активности, селектирование сигналов и представление информации автоматизируется.

Развитие металлургии, химии, биологии и др. специализаций связано с необходимостью точного анализа руд, сплавов, примесей редких элементов в пищевых продуктах и живых средах. Приборы анализаторы такого класса – рентгеновские квантомеры, полярографы, масс-спектрографы, хроматографы.

Измерительные приборы в сочетании с регулирующими, вычислительными и исполнительными устройствами составляют базу для автоматизированных систем управления производственными процессами.

Значительное место в приборостроении занимают средства передачи информационных сигналов и управляющих импульсов на большие расстояния (телемеханика).

Развитие микроэлектроники, оптикоэлектроники, нелинейной оптики, микромеханики, использование монокристаллов с особыми физическим свойствами, жидких кристаллов, твердотельных интегральных схем, магнитострикционных элементов, способствует созданию компактных, надежных, экономичных, высокочувствительных измерительных аналитических приборов, средств телемеханики и автоматики.

Лекция №2