книги из ГПНТБ / Кожевников С.Н. Теория механизмов и машин учеб. пособие для студентов вузов

компрессор по отношению к двигателям являются рабочими маши­ нами, однако их основным назначением являются не технологиче­ ские трансформации материала, а получение нового вида энергии, используемого во вторичных двигателях, т. е. преобразование механической работы, производимой двигателями, в иной вид энергии (электрическую, потенциальную энергию сжатого воздуха и пр.).

Машины, в которых происходит преобразование механической работы, развиваемой двигателями, в какой-либо вид энергии, называются преобразователями, или трансформаторами.

Рабочими машинами при помощи инструментов, приводимых в действие исполнительными механизмами, производится обработка материала, т, е. изменение его формы путем резания, прессования, выгибания, дробления, истирания, вытягивания, скручивания, переплетения н т. д., изменение состояния или физических свойств.

Таким образом, назначением рабочей машины является выпол­ нение определенного комплекса механических воздействий на обра­ батываемый материал, в результате которых он получает требуемый вид. Комплекс операций по обработке материала на рабочей машине называется технологическим процессом. В более широком смысле технологический процесс представляют как совокупность всех операций, которым подвергается обрабатываемый материал с мо­ мента поступления на фабрику или завод до момента выхода его

ввиде готового изделия.

Впроцессе обработки материала затрачивается механическая рпбота, развиваемая двигателем, т. е. в процессе обработки про­ исходит преобразование энергии, например, электрической в меха­ ническую работу; однако было бы ошибочно полагать, что основной целью рабочей машины является преобразование энергии. Это явление сопутствующее. На практике стремятся к тому, чтобы в про­ цессе обработки было израсходовано возможно меньше энергии, на производство которой затрачивается человеческий труд. Это стрем­ ление связано также с тем, что естественные источники энергии ограничены, следовательно, нужно изыскивать такой процесс обработки, который привел бы к цели с наименьшими затратами энергии и средств.

Исходя из изложенного, рабочей машине можно дать следующее определение. Рабочей машиной называется приводимый в движение двигателем, силой человека или силой животного комплекс механиз­ мов, с помощью которого производится обработка данного мате­ риала, сопровождаемая преобразованием механической работы в теплоту..

Все многообразие рабочих машин можно разделить на полу­ автоматические и автоматические.

В полуавтоматических рабочих машинах исполнительные меха­ низмы полностью или частично обеспечивают движения инстру­ мента, которые производились рабочим при выполнении техноло-

350

гнческпх операций. Поясним это на примере поперечно-строгаль­ ного станка, предназначенного для обработки плоскостей. Резцу, закрепленному в резцовой головке долбяка, сообщается возвратно-

нию резца, — может производиться рабочим при помощи рукоятки на винте, ввинчивающемся в гайку, закрепленную на столе, или же при помощи специального механизма подачи с прерывистым дви­ жением. Таким образом, в поперечно-строгальном станке автомати­ зированы только операции, совершаемые при резании металла и подаче, но все вспомогательные операции, связанные с установкой изделия на столе, установкой инструмента на заданный размер (вер­ тикальная подача), пуск, остановка станка, наконец, установка инструмента в исходное положение, — выполняются непосредст­ венно рабочим. В ряде машин рабочим выполняется только уста­ новка изделия и инструмента и пуск машины. После выполнения всех технологических и вспомогательных операций рабочая машина автоматически останавливается. Такого типа полуавтоматические машины получили название полуавтоматов.

В автоматических машинах (автоматах) все операции, связан­ ные с установкой изделия или подачей материала, движения инстру­ ментов (рабочие и холостые), и все вспомогательные операции выполняются целевыми механизмами. Автоматы могут образовать автоматическую систему рабочих машин, предназначенную для выполнения всех технологических, вспомогательных, установочных и переместительных операций при обращении обрабатываемого материала в готовое изделие. Автоматическая машина тем более надежна в работе, чем проще исполнительные механизмы и система управления ими.

Заводы и фабрики, оборудованные автоматической системой машин, в которых наряду с механическими системами применяются электрические аппараты и счетно-решающие устройства для кон­ троля и регулирования технологических процессов и управления ими, это — будущее, к которому мы стремимся с целью облегчить

Приведенная здесь классификация машин охватывает лишь общие для данного класса машин признаки, которые могут быть более дифференцированы в пределах каждого класса. Например, рабочие машины могут быть разделены на группы по виду обраба­ тываемых на машинах изделий (текстильные машины, металло-

351

обрабатывающие станки, станы для горячей обработки металлов, полиграфические машины и пр.), которые, в свою очередь, могут быть разделены на известное количество типов и т. д.

Более детальное изучение рабочих машин и технологических операций, выполняемых на них, представляет собой задачу спе­ циальной технологии и, следовательно, выходит за пределы курса теории механизмов и машин. Необходимо указать также на то, что имеются такие машины, которые трудно отнести к тому или другому классу, т. е. трудно отделить, например, двигатель от рабочей машины, настолько они взаимно проникли .одна в другую. В каче­ стве примеров таких машин можно указать хотя бы на пневматиче­ ское сверло, пневматический или электрический отбойный моло­ ток, турбобур и др., в которых двигатель является в то же время и рабочей машиной.

§ 15.2. МЕХАНИЗМ И МАШИНА

Если обратиться к истории развития машины, то можно устано­ вить, что механизм, как таковой, приводимый в движение силами, имеющими потенциал, например силой упругости деформированной пружины пли силой тяжести грузов, оказал большое влияние на развитие машинной промышленности, потребности которой, в свою очередь, будили фантазию изобретателей, придумывающих все новые и новые механизмы. Идея самодвижущегося механизма впер­ вые была реализована в водяной мельнице для размола зерна и в часах — этом первом самодвижущемся механизме, приспособлен­ ном для практических целей, в котором получено равномерное движение ведомого звена при переменной движущей силе. Первые двигатели строились с целью замены силы животных или человека для приведения в движение кузнечных мехов, насосов, выкачиваю­ щих воду из шахт, и др.

Знаменитая паровая машина нашего соотечественника И. И. Ползунова, построенная в 1764—1765 гг. на Алтае, была, например, предназначена для приведения в действие воздуходувных установок металлургических заводов, однако, как это весьма хорошо понимал изобретатель, она могла быть использована и для других целей. Она явилась первой паровой машиной заводского типа. Однако до применения механизмов в рабочих машинах в качестве исполнитель­ ного органа, приводящего в движение инструменты или аппараты, развитие двигателей не имело успеха. Только после изобретения

Таким образом, рассматривая исторически развитие машины, можно констатировать, что исключительно сильный толчок разви­ тию машинного производства ^дала рабочая машина, в которой рабочий инструмент приводится в движение механизмом. Необхо-

352

1

днмость приводить в движение рабочую машину создала предпо­ сылки для развития машин-двигателей.

Отвлекаясь от формального определения механизма, приведен­ ного в § 1.4, в котором механизм рассматривается как система подвижно соединенных между собой звеньев, обладающая числом степеней свободы, совпадающим с количеством начальных звеньев, механизм можно рассматривать так же, как систему подвижно сое­ диненных звеньев, совершающих заданные целесообразные движе­ ния. Эти требования предъявлялись к древнейшему автоматически действующему механизму — часам, автоматическим игрушкам — и предъявляются в настоящее время к очень широкому классу меха­ низмов, основным назначением которых является воспроизведение заданных целесообразных движений. К этой категории механизмов4 в первую очередь необходимо отнести математические приборы: планиметры, гармонические анализаторы, пантографы, счетные машины, машины для решения уравнений, машины для вычисле­ ния определителей, измерительные приборы (весы всяких систем и размеров, динамометры, индикаторы, вибрографы, измерители ускорений, сейсмографы, приборы для измерения длин) и т. д.

Во многих перечисленных выше механизмах движение сооб­ щается электрическим двигателем или же силой деформированной пружины, так что по структурным признакам между механизмом и машиной никакого различия нет.

В механизме ведомое звено совершает целесообразные заданные движения, используемые для практических целей, в то время как в машине механизмом при помощи инструмента производится за­ данная трансформация материала. Различие функций, выполняе­ мых механизмом в приборе и машине, определяет и их возможности. Если в часах стрелка должна иметь единственно практически воз­ можное неопределенно длительное непрерывное движение в виде вращения, то в рабочей машине ведомое звено для выполнения той же функции может иметь отличные одно от другого движения. Если отвлечься от технологических трансформаций материала, выполняемых машиной, то между машиной и механизмом никакой разницы не будет, поэтому всякую машину, работающую вхолостую, можно с полным правом рассматривать как механизм в чистом виде.

Резюмируя все сказанное, можно установить следующее раз­ личие между машиной и механизмом. Между механизмом, применяе­ мым с практической целью, и машиной различие заключается в том, что механизмы применяются для воспроизведения заданных целесообразных движений, в то время как машины — с целью вы­ полнения технологических трансформаций материала (изменения формы, состояния или положения) при помощи инструмента, при­ водимого в движение исполнительным механизмом, или же с целью преобразования энергии из одного вида в другой.

§15.3. ЗАДАЧИ СТАТИКИ И ДИНАМИКИ МАШИН

Вмашине энергия двигателя преобразуется сначала в меха­ ническую работу, а затем в какой-либо другой вид энергии. В ра­ бочей машине выполнение технологических трансформаций требует

затраты некоторого количества механической работы, которая чаще всего обращается в теплоту, а затем рассеивается; в процессе передачи силы от двигателя к месту воздействия инструмента на материал также затрачивается энергия на преодоление добавочных сопротивлений в виде сил трения и других сил, так что вся затра­ ченная двигателем энергия в процессе действия рабочей машины расходуется на преодоление технологических и добавочных механи­ ческих сопротивлений. В механизме технологические сопротивления отсутствуют H вся энергия двигателя идет на преодоление сопутст­ вующих движению звеньев механизма сопротивлений в виде сил трения, сил тяжести звеньев и т. д. Если отвлечься от причины и характера сопротивления, а рассматривать сопротивления, появ­ ляющиеся в процессе работы механизмов и машин, только с коли­ чественной стороны, то методы статического и динамического рас­ четов механизмов, применяемых для воспроизведения заданных движений, и машин, в которых механизмы сообщают инструментам движения с целью получения заданной трансформации материала, могут быть одинаковыми. Поэтому в дальнейшем изложении не бу­ дем отличать механизм от машины, имея в виду, что различие их заключается лишь в применении, а не в структуре. Перейдем теперь к рассмотрению задач статики и динамики машин.

Если в кинематике механизмов, в которой рассматривалась лишь геометрия движения, очертанием звеньев пренебрегали, фиксируя лишь характерные размеры, как, например, расстояние между центрами шарниров и другие размеры, определяющие отно­ сительное движение звеньев, то при расчете на прочность необхо­ димо иметь представление о звене в трехмерном пространстве. Силы, действующие на элементы кинематических пар, появляю­ щиеся в результате технологических и механических сопротивле­ ний, определяют напряжения в звеньях, если размеры последних выбраны, или же определяют размеры звеньев, если заданы напря­ жения материала звеньев. Таким образом, расчету машин на проч­ ность должно предшествовать определение сил. Поэтому одной из основных задач статики и динамики машин является определение тех сил, которые действуют на элементы кинематических пар и вызывают деформации звеньев в процессе работы машин.

Во время работы механизма его звенья могут двигаться неравно­ мерно, в результате чего появляются соответствующие неравномер­ ному движению дополнительные реакции связи, т. е. дополнитель-

354

ные силы, действующие иа элементы кинематических пар. В теории механизмов принято рассматривать вместо этих реакций связи их уравновешивающую силу, перенесенную на звено в виде силы инерции.

Ниже, при рассмотрении закона движения машины, будет по­ казано, что во многих случаях трудно точно определить ускорения звеньев (а в некоторых случаях, при имеющемся в нашем распоря­ жении расчетном аппарате, вообще, не представляется возможным вычислить их точно), по которым могут быть вычислены силы инер­ ции. Поэтому наиболее распространен приближенный способ опре­ деления сил инерции звеньев, при котором ускорения точек звеньев находят из условия равномерного движения начального звена.

Методы расчета сил, действующих на звенья механизма без учета сил инерции, объединены под названием статики механиз­ мов; а методы расчета сил с учетом сил инерции звеньев, опреде­ ленных приближенно, — кинетостатики механизмов. Практически методы статического и кинетостатического расчетов механизмов ничем не отличаются, если считать силы инерции заданными внеш­ ними силами.

Прежде чем производить статический или кинетостатический расчет, нужно установить закон изменения технологических и ме­ ханических сопротивлений. Если технологические сопротивления, законы изменения которых изучаются при специальных технологи­ ческих расчетах, считаются заданными в виде определенных сило­ вых характеристик, то механические сопротивления как сопротив­ ления, законы изменения которых не зависят от функций, выпол­ няемых машиной, подлежат изучению в теории механизмов и машин. В динамике машин особенное внимание уделяется сопротивлению, появляющемуся вследствие трения элементов кинематических пар под действием нормальных составляющих реакций.

Весьма существенное значение имеет расход энергии в про­ цессе работы машины и ее затраты на преодоление технологических

имеханических сопротивлений. Во многих случаях удачный выбор

икачество выполнения механизма могут быть оценены коэффициен­ том полезного действия, указывающим, какая доля энергии, израс­ ходованной двигателем, идет на преодоление технологических соп­ ротивлений.

Совокупность явлений, связанных с передачей сил и работы механизмов при наличии некоторых затрат на преодоление механи­ ческих сопротивлений, может быть выражена так называемыми законами передачи сил и передачи работы в машинах.

Несовпадение силовых характеристик работы машины и двига­ теля лишает возможности без соответствующих исследований ука­ зать, в каком состоянии будет находиться машина, в состоянии ли стационарного или же неустановившегося движения. В боль­ шинстве случаев ответ на этот вопрос можно дать, исследовав

§ 16.1. КЛАССИФИКАЦИЯ с и л

В процессе работы машины к звеньям ее приложены заданные внешние силы, к которым относятся: движущая сила, сила техноло­ гического сопротивления, силы тяжести звеньев, механические или добавочные сопротивления и силы инерции, появляющиеся в ре­ зультате движения звена. Неизвестными силами будут реакции свя­ зей, действующие на элементы кинематических пар.

Движущей силой Р называется сила, производящая положитель­ ную работу, ее следует понимать обобщенно. В двигателе внутрен­ него сгорания, например, движущей силой будет результат воз­

вления движущей силы и скорости ее точки приложения либо совпадают, либо образуют острый угол. Однако в некоторых слу­ чаях сила, приложенная к ведущему звену, может обратиться в силу сопротивления и, следовательно, будет производить отрицательную работу. В качестве примера можно указать на тепловые двигатели, в которых сила, действующая на поршень, при сжатии газовой смеси производит отрицательную работу. Для рабочей машины движущей силой будет сила или момент, приложенные к началь­ ному звену. В дальнейшем под движущей силой будем понимать силу, приложенную к ведущему звену, вне зависимости от харак­ тера совершаемого им движения и знака ее работы.

Силой Q технологического сопротивления будем называть силу, приложенную к ведомому звену, для преодоления которой пост­ роена машина. В рабочих машинах силой технологического сопро­ тивления является, например, сопротивление при прессовании, ре­ зании металла и т. д. В транспортирующих машинах, например в подъемниках, силой технологического сопротивления будет вес под­ нимаемого груза. В трансформирующих машинах силой технологи­ ческого сопротивления нужно считать то сопротивление, которое

357

действует на ведомое звено в процессе преобразования механической работы в энергию какого-либо вида.

рости ее точки приложения либо противоположны, либо образуют тупой угол. Если ведомое звено совершает вращательное движение, то момент силы технологического сопротивления и угловая скорость ведомого звена имеют противоположные знаки.

Силы тяжести G звеньев приложены в центрах тяжести их. Во многих случаях, особенно при расчетах быстроходных машин, силами тяжести звеньев пренебрегают. Работа силы тяжести за цикл работы механизма равна нулю, потому что центры тяжести звеньев движутся 'по замкнутым траекториям, а направление силы G неизменно. Однако внутри цикла движения механизма работа силы тяжести отлична от нуля.

Механические или добавочные сопротивления F в машинах встречаются главным образом в виде сил сопротивления, появля­ ющихся при относительном движении элементов кинематических пар, или, иначе, сил трения, в виде сопротивления среды, например аэродинамических сопротивлений, силы сопротивления, обусловлен­

ций, действующих в кинематических парах, и являются известными силами, если известны реакции. Силы трения, как правило, произво­ дят отрицательную работу, потому что они всегда направлены в сторону, обратную скорости относительного движения элементов кинематических пар. Этот вид добавочного сопротивления, сопро­ вождающего работу машин, наиболее важен, потому что во многих случаях почти вся энергия, затрачиваемая на приведение в движение машины, расходуется на преодоление сил трения. Ввиду этого силы трения будут рассмотрены особо.

Силы инерции /\- появляются тіри неравномерном движении звеньев механизма. При заданном движении начального звена и известных массах и положении центра тяжести их силы инерции можно всегда вычислить. Ниже будут показаны методы вычисления сил инерции.

Реакции Prs связей, действующих в кинематических парах, вводим при рассмотрении какого-либо звена изолированно от ме­ ханизма. Реакции Prs и Psr равны и направлены противоположно. При рассмотрении в равновесии всего механизма в целом реакции связей следует считать внутренними силами, т. е. попарно взаимно уравновешивающимися. Полные реакции в кинематических парах можно разложить на нормальные и тангенциальные составляющие. Последние являются силами трения, работа которых определяет энергию, затрачиваемую на преодоление механических сопротив­ лений.

Работа нормальных составляющих реакций равна нулю.

358

§ 16.2. ВНЕШНИЕ СИЛЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАШИН

Внешние силы могут быть постоянными, как, например, силы тяжести, сопротивлениярезанию металла при постоянном сечении стружки и др., или зависящими только от положения звена, на которое они действуют (силы давления газов, действующих на поршень двигателя внутреннего сгорания или компрессора, сопро­ тивление, встречаемое пуансоном пресса при прошивании отверстий и др.), от скорости звена (момент электродвигателя, силы трения смазанных тел и др.), от времени. Кроме того, в машине могут действовать силы, зависящие от ряда перечисленных выше незави­ симых переменных. Определение конкретной величины внешней силы возможно только в том случае, если задана ее характери­ стика.

Полный цикл работы двигателя заканчивается в течение двух оборотов кри­ вошипа. За первую поло­ вину оборота происходит всасывание горючей смеси

359