Контрольные вопросы

Структура механизмов

1. Какова разница между кинематической цепью и кинематической парой?

2. Что называется механизмом, кинематической цепью и группой Ассура?

3. Как осуществляется замена высших кинематических пар низшими?

4. Как происходит замыкание кинематических пар в кинематической цепи?

Динамика механизмов

1. Что понимается под динамической моделью механизма?

2. С какой целью производится привидение сил и моментов в механизме?

3. Напишите формулу кинетической энергии для кривошипно-ползунного механизма.

4. Какое условие положено в основу замены масс и моментов инерции при приведении?

5. Какие факторы вызывают периодические и непериодические колебания скорости ведущего звена машины?

6. Как оценивается неравномерность хода машины? Как ее уменьшить?

7. В чем состоит задача уравновешивания?

8. Что является мерой статической и динамической неуравновешенностей?

9. С какой целью устанавливаются противовесы?

10. В чем состоят причины дисбаланса вращающихся деталей?

11. На каком принципе работают станки для динамической балансировки?

12. В чем состоит вибрационная защита машин?

13. Каковы методы вибрационной защиты?

Рычажные механизмы

1. Каковы задачи кинематического анализа механизмов?

2. Как определить значение и направление угловых скоростей и ускорений звеньев механизма?

3. Сформулируйте задачи силового расчета механизмов.

4. Каков физический смысл силы полезного сопротивления?

5. Из каких этапов состоит силовой расчет?

6. С какой целью определяют уравновешивающую силу или уравновешивающий момент?

7. В чем состоит смысл применения теоремы Н. Е. Жуковского о жестком рычаге в силовом расчете?

8. Как действуют силы взаимодействия в кинематических парах?

9. Сформулируйте общую методику силового расчета.

3.4. Детали машин и основы конструирования

Тема 1. Общие сведения о деталях машин

Основные понятия. Машины состоят из деталей. Детали машин – это составные части машин, каждая из которых изготовлена без применения сборочных операций, например, вал.

Число деталей в сложных машинах может измеряться десятками и сотнями тысяч, например, в автомобиле содержится более 15 тыс. деталей, в автоматизированных комплексах прокатного оборудования – более миллиона.

Совокупности совместно работающих деталей, представляющих собой конструктивно обособленные единицы и обычно объединяемые одним назначением, называются узлами или сборочными единицами. Узлы одной машины можно изготовлять на разных заводах. Характерными примерами узлов являются редукторы, коробки передач, муфты, подшипники в собственных корпусах.

Выполнение машины из деталей, в первую очередь, связано с необходимостью определенных относительных движений ее частей. Как свидетельствует одно из дошедших до нас определений, под термином «машина» понималось «орудие, имеющее внутреннее движение частей».

Неподвижные и взаимно неподвижные скрепленные между собой детали называют звеньями. Выполнение звеньев не из одной, а из нескольких соединенных между собой деталей обеспечивает возможность:

• изготовления деталей из разных материалов, например, вкладышей подшипников из бронзы или другого антифрикционного материала, а корпуса подшипника из чугуна;

• удобной замены быстроизнашивающихся деталей;

• сборки (например, установка коленчатого вала в коренные подшипники двигателя выполнима лишь при съемных крышках) и облегчения сборки машины;

• облегчения изготовления деталей ввиду упрощения их формы и уменьшения размеров;

• большей нормализации, стандартизации и централизованного изготовления деталей.

Различают детали общего и специального назначений.

Детали общего назначения – детали, которые встречаются почти во всех машинах (болты, валы, зубчатые колеса и т.д.). Они составляют подавляющее большинство и изучаются в курсе «Детали машин».

Детали специального назначения – детали, которые встречаются только в специальных типах машин (гребные винты, поршни, коленчатые валы, шпиндели станков, клапаны, шатуны и т.п.); их изучают в специальных курсах («Металлорежущие станки», «Швейное оборудование» и т.п.)

Работоспособность машин. Общие требования к машинам:

• увеличение мощности при тех же габаритных размерах;

• повышение скорости и производительности;

• повышение коэффициента полезного действия;

• автоматизация работы машин;

• использование стандартных деталей и типовых узлов;

• минимальная масса и низкая стоимость изготовления.

Детали машин должны удовлетворять условию работоспособности, т. е. способности, сохраняя свои эксплуатационные показатели, выполнять заданные функции в течение заданного срока службы, и условию экономичности, т. е. иметь минимально необходимую стоимость изготовления и эксплуатации.

Поэтому необходимо применять наиболее подходящие материалы с учетом их стоимости и дефицитности, а также рассчитывать детали с минимальными коэффициентами безопасности.

Работоспособность деталей машин характеризуется определенными условиями или критериями. По одному или по нескольким из этик критериев ведут расчет, цель которого – определение размеров и материалов деталей машин. Часть критериев удовлетворяется заведомо и не требует проверки или вообще относится не ко всем деталям.

Основные критерии работоспособности:

1. Прочность – способность детали выдерживать нагрузки без разрушения.

2. Жесткость – способность деталей, сборочных единиц сопротивляться изменению формы под действием нагрузок.

3. Износостойкость – способность материала рабочих поверхностей деталей сопротивляться изнашиванию.

Изнашивание – процесс разрушения поверхностных слоев при трении, приводящий к постепенному изменению размеров, формы, массы и состояния поверхности деталей. Износ – результат изнашивания.

Износостойкость – важный критерий работоспособности, т.к. около 90 % деталей, имеющих подвижные сопряжения, выходят из строя именно из-за износа.

4. Теплостойкость – способность конструкции работать в пределах заданных температур в течение заданного срока службы.

5. Виброустойчивость – способность машины сопротивляться появлению вредных вынужденных колебаний.

Соблюдение данных критериев обеспечивает надежность конструкции в течение заданного срока службы.

Надежность (общая) – свойство изделий выполнять в течение заданного времени или заданной наработки свои функции, сохраняя в заданных пределах эксплуатационные показатели. Надежность изделий обуславливается их безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.

Безотказность – свойство сохранять работоспособность в течение заданной наработки без вынужденных перерывов. Это свойство особенно важно для машин, отказы которых связаны с опасностью для жизни людей (например, ВС) или с перерывом в работе большого комплекса машин.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для ремонтов и технического обслуживания.

Ремонтопригодность – приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять требуемые эксплуатационные показатели после установленного срока хранения и транспортирования.

Надежность деталей машин сильно зависит от того, насколько близок режим работы деталей но напряжениям, скоростям и температурам к предельным, т. е. от запасов по основным критериям работоспособности.

Надежность в значительной степени определяется качеством изготовления, которое может изменять ресурс в несколько раз.

Надежность статически определимых механизмов при одинаковых номинальных напряжениях выше, чем статически неопределимых, что связано с меньшим влиянием технологических погрешностей, а также температурных и силовых деформаций. Например, самоустанавливающиеся конструкции, как правило, более надежны, чем несамоустанавливающиеся.

Утрата работоспособности изделий (полная или частичная) называется отказом. Отказы по своей природе могут быть связаны с разрушением деталей или их поверхностей (поломки, выкрашивание, износ, коррозия) или не связаны с разрушением (засорение каналов, ослабление соединений). Различают полные и частичные отказы; внезапные (например, поломки) и постепенные (изнашивание, коррозия и др.); опасные для жизни человека, тяжелые и легкие; устранимые и неустранимые. По времени возникновения отказы делятся на приработочные (возникающие в первый период эксплуатации и связанные с отсутствием приработки и с попаданием в сборку дефектных элементов); отказы при нормальной эксплуатации (до проявления износовых отказов) и износовые отказы, к которым в теории надежности относят также отказы по усталости и старению.

Основным показателем безотказности является вероятность безотказной работы в течение заданного времени или заданной наработки Р(t). Экспериментально этот показатель может быть оценен как отношение числа образцов, сохранивших работоспособность, к общему числу испытанных образцов, если последнее достаточно велико.

В связи с тем, что отказ и безотказная работа – взаимно противоположные события,

,

где – вероятность отказа за время t;

f(t) – плотность вероятности отказов.

Основные показатели долговечности деталей: средний ресурс, т. е. средняя наработка до предельного состояния, и ресурс, который обеспечивается у заданного числа процентов (например, 90 %) изделий, так называемый гамма-процентный ресурс.

Вероятность безотказной работы системы равна по теореме умножения вероятностей произведению вероятностей безотказной работы элементов:

.

Поэтому надежность сложных систем получается низкой, например, при числе элементов п = 10 с одинаковой вероятностью безотказной работы 0,9 общая вероятность безотказной работы равна 0,9¹⁰ = 0,35.

В период нормальной эксплуатации машин износовые отказы еще не проявляются и надежность характеризуется внезапными отказами. Эти отказы вызываются неблагоприятным стечением многих обстоятельств и имеют постоянную интенсивность, не зависящую от продолжительности предшествующей эксплуатации изделия.

Вероятность безотказной работы определяется по формуле

,

где – постоянная интенсивность отказов;

t_ср – средняя наработка на отказ.

Если, как обычно, t  0,1, то Р(t)  1 – t.

Для износовых отказов справедлив закон распределения, который дает вначале низкую плотность вероятности отказов, затем максимум и далее падение, связанное с уменьшением числа элементов, оставшихся работоспособными. Наиболее универсальным, удобным и широко применяемым для практических расчетов является нормальное распределение. Плотность вероятности отказов определяется по формуле

.

Распределение имеет два независимых параметра: средняя наработка на отказ ( ) и среднее квадратическое отклонение ( ), где N_Q – общее число объектов испытаний или наблюдений.

Вероятность отказов и безотказной работы определяют по таблицам для нормального распределения, приводимым во всех математических справочниках.

Несколько лучше, чем нормальное, описывает результаты усталостных испытаний логарифмически-нормальное распределение, в котором по нормальному закону распределяется логарифм наработки. Однако оперирование этим распределением сложнее.

Выбор материала. При выборе материала следует учитывать следующие факторы:

1. Габаритные размеры, конфигурацию и массу детали.

2. Соответствие материала основным критериям работоспособности и сроку службы.

3. Условия эксплуатации (пыль, агрессивная среда).

4. Применение ресурсосберегающих технологий.

5. Стоимость и дефицитность материала.

6. Возможность унификации (один и тот же материал использовать в разных узлах машины).