Введение.

1. Общие сведения

Механизмом называют систему твердых тел, предназначенную для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое движение других тел (редуктор, коробка передач)

Машиной называют механизм или устройство, выполняющее механические движения, служащие для преобразования энергии, материалов или информации с целью облегчения или замены физического или умственного труда человека и повышения его производительности. В зависимости от основного назначения различают машины - энергетические, преобразующие тот или вид энергии в механическую и наоборот (двигатели, генераторы, динамо машины, компрессоры…)

- рабочие, в том числе:

технологические, изменяющие свойства, форму или размеры обрабатываемого предмета

транспортные, перемещающие тела (конвейеры, краны …)

информационные, преобразующие информацию (шифровальные машины, механические интеграторы, корреляторы …)

электронные вычислительные машины (ЭВМ, компьютеры), обрабатывающие информацию в соответствии с заданным алгоритмом.

Все машины состоят из деталей, которые объединены в узлы (сборочные единицы)

Деталь - такая часть машины, которую изготовляют без сборочных операций

Узел представляет собой законченную сборочную единицу, состоящую из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Механизмом называется устройство, совершающее строго закономерные движения, являясь составной частью машины. К машинам предъявляются требования:

- прочность;

- экономичность (высокий КПД);

- низкая стоимость;

- простота управления и безопасность обслуживания;

- эстетичность.

При проектировании машин возможны два вида задач:

1. По заданной нагрузке и допускаемому напряжению определить размеры детали;

2. По имеющимся размерам детали определить допускаемую нагрузку или проверить деталь на прочность

Совершенство конструкции детали оценивается по ее надежности и экономичности.

Под надежностью понимают свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность, т.е. это свойство изделия сохранять во времени способность к выполнению требуемых функций в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.. Экономичность определяют стоимостью материала, затратами на производство и эксплуатацию.

1.1.Основные критерии работоспособности и расчета деталей машин – прочность, жесткость, износостойкость, коррозионная стойкость, теплостойкость, виброустойчивость.

Прочность является главным критерием работоспособности большинства деталей. Различают разрушение деталей вследствие потери статической прочности или сопротивления усталости. Потеря статической прочности происходит тогда, когда значение рабочих напряжений превышает предел статической прочности материала (перегрузки, скрытые дефекты детали ). Потеря сопротивления усталости происходит в результате длительного действия переменных напряжений.

Жесткость характеризуется изменением размеров и формы детали под нагрузкой. (Е – модуль упругости)

Изнашивание – процесс постепенного изменения размеров детали в результате трения. (При современном уровне техники 85…90% машин выходит из строя в результате изнашивания и только 10…15% по другим причинам).Одно из направлений развития машиностроения – разработка конструкций, в которых осуществляется жидкостное трение, при котором поверхности деталей разделены тонким масляным слоем. Детали непосредственно не соприкасаются, не изнашиваются, коэффициент трения становится очень малым (˜ 0,005).Для образования режима жидкостного трения, например в подшипниках скольжения, необходимо соответствующие сочетание нагрузки, частоты вращения, вязкости масла. Другое направление – применение для узлов трения таких материалов и систем смазки, при которых они будут износостойкими.

Коррозия – процесс постоянного разрушения поверхностных слоев металла в результате окисления. Особенно опасна для поверхностей трения и деталей, работающих при переменных напряжениях. (Потери от коррозии до 10% выплавляемого металла)

Теплостойкость. Нагрев деталей может вызвать вредные последствия – понижение прочности материала и появление ползучести, понижения защищающей способности масляных пленок, а следовательно, увеличение изнашивания деталей, изменения зазоров в сопряженных деталях, понижение точности работы машины. Используют тепловой расчет, при необходимости вносят изменения в конструкцию (искусственное охлаждение)

Виброустойчивость – вызывают дополнительные переменные напряжения, что приводит к усталостному разрушению деталей.

1.2.Особенности расчета деталей машин

Неточности расчетов на прочность компенсируют в основном за счет запасов прочности. Ответственный этап расчета – выбор коэффициентов запасов прочности. Факторы, влияющие на запас прочности – степень ответственности детали, однородность материала и надежность его испытаний, точность расчетных формул и определения расчетных нагрузок, влияние качества технологии, условий эксплуатации.

В инженерной практике два вида расчетов

1)Проектный расчет – предварительный, упрощенный расчет, выполняемый в процессе разработки конструкции в целях определения ее размеров и материала.

2)Проверочный расчет – уточненный расчет известной конструкции, выполняемый в целях проверки ее прочности или определения норм нагрузки.

1.3.Расчетные нагрузки.

1.3.1. При расчетах деталей машин различают расчетную и номинальную нагрузку. Например, расчетная нагрузка – вращающий момент Т, определяют как произведение номинального момента Т_Н на динамический коэффициент режима нагрузки К

Т = К •Т_Н

Номинальный момент соответствует паспортной (проектной) мощности машины. Коэффициент учитывает дополнительные динамические нагрузки, связанные в основном с неравномерностью движения, пуском и торможением. Значение коэффициента зависит от типа двигателя, привода и рабочей машины. Выбирают ориентируясь на рекомендации или по таблицам

1.3.2. Выбор допускаемых напряжений. Оказывают влияние факторы:

- точность формул;

- достоверность механических качеств материала;

- правильная оценка величины и характера действующих нагрузок

Условия работы различных деталей не одинаковы (рессора и болт, вал и заклепка, …), но тем не менее существуют разработанные на основе практики нормы для определения допускаемых напряжений для отдельных видов деталей (вал, болт, зубчатые колеса, …). Существует два способа их определения – аналитический и по таблицам. [σ]=σ /n , где n – коэффициент запаса, который определяется очень сложно (состоит из большого количества коэффициентов, учитывающих все характеристики и условия работы). Поэтому на производстве используют способ определения допускаемых напряжений по таблицам.

1.4.Выбор материала – в значительной мере определяет качество детали и машины в целом. При выборе учитывают факторы – соответствие свойств материала главному критерию работоспособности (прочность, износостойкость и др.), требования к массе и габаритам детали и машины в целом, другие требования, связанные с назначением детали и условиями ее эксплуатации (противокоррозионная стойкость, фрикционные, электроизоляционные свойства и т.д.), соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намечаемому способу обработки детали (свариваемость, литейные свойства, обрабатываемость резанием, штампуемость и пр.), стоимость и дефицитность материала.

Черные металлы (чугуны и стали) – обладают высокой прочностью и жесткостью, сравнительно невысокой стоимостью. Недостатки – большая плотность и слабая коррозионная стойкость.

Цветные металлы – медь, цинк, свинец, олово, алюминий и другие – используют в качестве составных частей сплавов (бронз, латуней, баббитов, дюралюминия и т.д.)

Они значительно дороже черных металлов и используются для выполнения особых требований (легкости, антифрикционности, антикоррозийности и др.)

Неметаллические материалы – дерево, резина, кожа, асбест, металлокерамика и пластмассы.

Пластмассы – технологичны, обладают хорошими литейными свойствами, легко обрабатываются при невысоких температурах и давлениях. Сочетают легкость и высокую прочность. При замене черных металлов пластмассами трудоемкость изготовления деталей уменьшается в среднем в 5…6 раз, а себестоимость в 2…6 раз. При замене пластмассами цветных металлов себестоимость снижается в 4…10 раз

НАДЕЖНОСТЬ МАШИН

Надежность – свойство изделия сохранять во времени способность к выполнению требуемых функций в заданных режимах применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность характеризуется состояниями и событиями:

- работоспособность – состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции.

- отказ – событие заключающееся в полном или частичной утрате работоспособности.

Показатели качества изделия по надежности: безотказность, долговечность и ремонтопригодность.

Безотказность – свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени.

Долговечность – свойство изделия длительно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при соблюдении норм эксплуатации. Под предельным понимают такое состояние изделия, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна.

Ремонтопригодность – свойство изделия, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособности путем технического обслуживания и ремонта.

Временными понятиями надежности являются ресурс и срок службы.

Ресурс – суммарная наработка изделия от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние. Ресурс выражают в единицах времени работы (часах) или длины пути (километрах).

Срок службы – показателями надежности являются предельное состояние. Выражается обычно в годах и включает наработку изделия и время простоев. Основными показателями надежности являются по безотказности – вероятность безотказной работы и интенсивность отказов. Под вероятностью безотказной работы Р(t) понимают вероятность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не возникает отказ изделия. Если за время наработки t из числа N одинаковых изделий были изъяты из-за отказов n изделий, то вероятность безотказной работы изделия Р(t) = (N – n)| N = 1 – n | N

Пример 1.1., если по результатам испытания в одинаковых условиях партия изделий, состоящих из N=1000 шт., после наработки 5000 ч. вышли из строя n=100изделий, то вероятность безотказной работы этих изделий

Р(5000)= 1-n/N = 1 – 100/1000 = 0.9 Вероятность безотказной работы сложного изделия равна произведению вероятностей безотказной работы отдельных его элементов Р(t) = P₁(t) P₂(t)…..P_n(t) Чем больше элементов имеет изделие, тем ниже его надежность.

Пример 1.2.: если изделие состоит из 10 элементов с вероятной безотказной работой каждого элемента 0,9 (как в подшипниках качения), то общая вероятность безотказной работы Р(t) = 0,9¹⁰ =0,35. Эксплуатация изделия с таким низким показателем нецелесообразна. Интенсивность отказов л(t) в разные периоды эксплуатации или испытаний изделия различны. Интенсивность отказов – отношение числа n отказавших в единицу времени t изделий к числу изделий (N – n) , исправно работающих в данный отрезок времени при условии, что отказавшие изделия не восстанавливают и не заменяют новыми:

л(t) = n /[(N – n)t].

Пример 1.3., при испытании 1000 изделий в интервале времени от 0 до 5000 часов из строя вышли 100 изделий. Это значит, что число исправно работающих изделий равно (1000 – 100).Согласно определению интенсивность отказов л(5000) = 100./[(1000 – 100) 5000] = 22 10^-6 1/час Средние значения интенсивностей отказов составляют. Для подшипников качения –л(t) = 15 10^-6 1/час, для ременной передачи – л(t) = 15 10^-6 1/час. Вероятность безотказной работы можно оценить по интенсивности отказов Р(t) = 1 – л(t) t

Пример 1.4. Если назначенный ресурс ременной передачи составляет 2000 часов, а интенсивность отказов л(2000) = 15 10^-6 1/час, то вероятность безотказной работы ременной передачи Р(2000) = 1 – 15 10^-6 2000 = 0,97.

По долговечности – средний и гамма-процентный ресурс.

По ремонтопригодности – вероятность восстановления Различают три периода дт которых зависит надежность –проектирование –закладываются основы надежности. Конструктор должен отразить в расчетах, технических условиях, чертежах и другой технической документации все факторы, обеспечивающие надежность. –производство - обеспечивают все средства повышения надежности, заложенные конструктором. –эксплуатация -реализуется надежность изделия.

Пути повышения надежности:

1.Проектирование по возможности простых изделий с меньшим числом деталей.

2.Уменьшение напряженности деталей (повышение запасов прочности).Следует рационально использовать высокопрочные материалы и упрочняющую технологию (например, путем термообработки можно увеличить нагрузочную способность зубчатых передач в 2 – 4 раза).

3.Хорошая система смазки - правильный выбор сорта масла, рациональная система подвода смазки к трущимся поверхностям, хорошая система защиты трущихся поверхностей от абразивных частиц (пыли, грязи) путем размещения изделий в закрытых корпусах, установки эффективных уплотнений и т.п.

4. Статически определимые системы – меньше проявляется вредное влияние дефектов производства на распределение нагрузки.

5.Если возможны перегрузки, следует предусмотреть предохранительные устройства (предохранительные муфты или реле максимального тока).

6.Широкое использование стандартных узлов и деталей, а также стандартных элементов конструкций. (Стандартные узлы, детали производят на специализированных заводах с автоматизированным производством, а стандарты разрабатывают на основе большого опыта). При этом повышается качество и однородность изделий.

7.В некоторых изделиях применяется не последовательное, а параллельное соединение элементов и так называемое резервирование. Надежность системы значительно повышается, так как функцию отказавшего элемента принимает на себя параллельный ему или резервный элемент. В машиностроении параллельное соединение и резервирование не эффективно, так как приводит к значительному повышению массы, габаритов и стоимости изделий.

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ.

Конструкции многовариантны. Конструктор выбирает оптимальный вариант.

Пример 1.1.Требуется найти рациональную форму поперечного сечения балки, нагруженной изгибающим моментом по условию минимума ее массы. Мерой массы балки является площадь поперечного сечения (А), мерой сопротивления изгибу – момент инерции этой площади Ĵ = ѓ_А у² d А (рис. 1).Для прямоугольной формы сечения:

А = h b , а J = b h³/12

Функции А и J- двухпараметрические – параметры b и h .Для уменьшения массы при J = const выгодно увеличить h при уменьшенном b. Приближаясь к пределу, получим тонкий лист, применение которого в качестве балки нецелесообразно. Во первых, обладая хорошим сопротивлением изгибу в одной плоскости, он не устойчив и не способен воспринимать случайные или второстепенные нагрузки в другой плоскости. Во вторых, не всегда приемлемо увеличение габаритов конструкции в плоскости h. Из интегральной формулы для J следует, что выгодно удалить массу материала от нейтральной оси x , где она малоэффективна. Таким путем были разработаны формы швеллера и двутавра (рис .1).Оптимизация массы балки зависит не только от геометрических параметров, но и от материала балки. От характеристики материала зависит допускаемое напряжение, а, следовательно, и размеры поперечного сечения балки.

Применение высокопрочных легированных сталей с упрочняющей термообработкой снижает массу. Корректирует принятие решения – параметр стоимость или экономичность и даже дефицитность материала. Вопросы экономики решаются с учетом типа машины. Таким образом обобщенным критерием в одном случае является масса, а в другом – цена. С переходом от детали к узлу к машине число параметров возрастает, а оптимизация конструкции многократно усложняется. Для каждого изделия разрабатывают математическую модель

Она включает

1.Система уравнений, описывающих взаимосвязь параметров

(например J и А )

2.Система ограничений некоторых параметров, например [Х], габаритов, стандартных значений и т.д.

3.Система условий, например минимум массы, габаритов, стоимости, минимум к п д.

Параметры разделяют на две группы:

1)Заданные – не подлежащие изменению и достаточные для выполнения расчета. Например, для расчета зубчатой передачи необходимо и достаточно задать крутящий момент, частоту вращения, ресурс наработки и режим нагрузки.

2)Управляемые – подлежащие определению при проектировании. Для зубчатой передачи это диаметры и ширина колес, модуль зубьев, угол наклона зубьев, материал, термообработка и …….

2. СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТИРОВАНИИ МАШИН

Проектированием называется процесс разработки комплексной технической документации, содержащей технико–экономические обоснования, расчеты, чертежи, макеты, сметы, пояснительные записки и другие материалы, необходимые для производства машины. Совокупность конструкторских документов, полученных в результате проектирования, называется проектом. ЕСКД (единая система конструкторской документации) устанавливает стадии разработки -техническое задание устанавливает основное назначение и технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию -техническое предложение – совокупность конструкторских документов, содержащих технические и технико-экономические обоснования целесообразности разработки (анализ технического задания, сравнительная оценка возможных решений, патентные материалы) -эскизный проект – совокупность конструкторских документов дающих общее представление об устройстве и принципе работы изделия, а так же данные, определяющие его основные параметры и габаритные размеры

– технический проект

– совокупность конструкторских документов, содержащих окончательное техническое решение

–разработка технической документации включает чертежи узлов и деталей, спецификации, технические условия на изготовление, сборку, испытания изделия и др.