Характеристика критериев работоспособности

Жесткость – способность детали сопротивляться изменению формы и размеров под нагрузкой. Роль этого критерия работоспособности возрастает в связи с тем, что прочностные характеристики материалов (например, сталей) постоянно улучшаются, что позволяет уменьшить размеры деталей, а упругие характеристики (модуль упругости) при этом не изменяются.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию. Под изнашиванием понимают процесс разрушения и отделения вследствие трения материала с поверхности твердого тела, проявляющийся в постепенном изменении размеров или формы.

Износостойкость зависит от физико-механических свойств материала, термообработки и шероховатости поверхностей, от значений давлений или контактных напряжений, скорости скольжения, наличия смазочного материала, режима работы и т.д.

Износ - результат изнашивания. Износ изменяет характер сопряжения, увеличивает зазоры в подвижных соединениях, вызывает шум, уменьшает толщину покрытия, снижает прочность деталей. Износ можно уменьшить, если разделить трущиеся детали смазочным материалом. Масло в зону взаимодействия подают под давлением.

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

Нагрев деталей в процессе работы машины приводит к:

• Снижению механических характеристик материала и к появлению пластических деформаций – ползучести.

• Уменьшению зазоров в подвижных сопряжениях деталей и, как следствие, схватыванию, заеданию, заклиниванию.

• Снижению вязкости масла и несущей способности масляных пленок. С повышением температуры вязкость минеральных нефтяных масел снижается по кубической параболе – очень резко.

• Виброустойчивость – способность конструкции работать в диапазоне режимов, достаточно далеких от области резонанса. Вибрации снижают качество работы машин, увеличивают шум, вызывают дополнительные напряжения в деталях.

Для изготовления деталей применяют металлы и неметаллические материалы.

Все металлы и сплавы делятся на:

• - черные (сталь, чугун);

• - цветные (бронза, латунь, легкие сплавы – «алюминиевые и магниевые»).

К неметаллическим материалам относятся:

• - пластмассы (текстолит, волокнист, древесно-слоистые пластики);

• - минералокерамические материалы – резина, графит.

При выборе материала необходимо учитывать:

• - габаритные размеры;

• - конфигурацию и массу детали;

• - стоимость и дефицитность материала;

• - соответствие свойств материала критерию работоспособности детали;

• - соответствие свойств материала, техническому процессу обработки (сварка, резание и т.д.).

Выбор материалов как при конструировании деталей в различных узлах трения, так и при последующем повышении их долговечности при ремонте представляет собой трудную задачу, несмотря на то, что практика располагает здесь большим опытом. Такой выбор зависит от назначения и конструкции уз- лов, условий работы деталей, технологии производства, условий эксплуата- ции, от требований к долговечности и прочности деталей, сроку их службы и надежности при учете стоимости материала и его дефицитности, затрат на из- готовление и последующий ремонт из данного материала и эксплуатационных расходов.

47. Растяжение, сжатие, сдвиг. Напряжение и деформации. Расчеты на прочность.

Деформация растяжения — вид деформации, при которой нагрузка прикладывается продольно от тела, то есть соосно или параллельно точкам крепления тела.

Деформация растяжения является одним из основных лабораторных исследований физических свойств материалов. В ходе приложения растягивающих напряжений определяются величины, при которых материал способен:

1. воспринимать нагрузки с дальнейшим восстановлением первоначального состояния (упругая деформация)

2. воспринимать нагрузки без восстановления первоначального состояния (пластическая деформация)

3. разрушаться на пределе прочности

Данные испытания являются главными для всех тросов и веревок, которые используются для строповки, крепления грузов, альпинизма. Растяжение имеет значение также при строительстве сложных подвесных систем со свободными рабочими элементами.

Деформация сжатия — вид деформации, аналогичный растяжению, с одним отличием в способе приложения нагрузки, ее прикладывают соосно, но по направлению к телу. Сдавливание объекта с двух сторон приводит к уменьшению его длины и одновременному упрочнению, приложение больших нагрузок образовывает в теле материала утолщения типа «бочка».

Деформация сжатия широко используется в металлургических процессах ковки металла, в ходе процесса металл получает повышенную прочность и заваривает дефекты структуры. Сжатие также важно при строительстве зданий, все элементы конструкции фундамента, свай и стен испытывают давящие нагрузки. Правильный расчет несущих конструкций здания позволяет сократить расход материалов без потери прочности.

Деформация сдвига — вид деформации, при котором нагрузка прикладывается параллельно основанию тела. В ходе деформации сдвига одна плоскость тела смещается в пространстве относительно другой. На предельные нагрузки сдвига испытываются все крепежные элементы — болты, шурупы, гвозди. Простейший пример деформации сдвига – расшатанный стул, где за основание можно принять пол, а за плоскость приложения нагрузки – сидение.

Внешнее механическое воздействие, приложенное к твердому телу, вызывает смещение атомов из равновесных положений и приводит к изменению формы и объема тела, т. е. к его деформации. Абсолютно твердых тел в природе не существует. В то же время часто приходится иметь дело со столь малыми деформациями, что их невозможно обнаружить. Но деформации в крупных конструкциях бывают весьма заметными.

Из повседневного опыта известно, что величина деформации тела зависит от материала, из которого оно изготовлено, величины силы и точки ее приложения.

Среди деформаций, возникающих в твердых телах, различают пять основных видов: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб.

На практике растяжение испытывают тросы подъемных кранов, канатных дорог, буксирные тросы. Сжатию подвергаются колонны, стены и фундаменты зданий.

Деформацию сдвига можно получить, смещая верхнюю пластину параллельно самой себе и удерживая нижнюю неподвижной. При этом все пластины сместятся так, что расстояния между ними останутся неизменными. Деформацию сдвига испытывают соединяющие заклепки и болты.

Деформации кручения возникают при завинчивании гаек, при работе валов машины.

Изгиб испытывают балки перекрытий в зданиях, мостах, опирающиеся на опоры двумя концами.

Прочность- способность конструкций (также материалов, из которых они сделаны) сопротевляться разрушению под действием нагрузок (также температурных, электромагнитных полей и др. внешних факторов).

Жесткость-способность конструкций сопротивляться деформированию(изменению формы и размеров) под действием нагрузок.

Устойчивость- способность конструкций содержать первоначальную форму равновесия.

Задачами на проверку прочности являются:

. задача анализа (проверка прочности и жесткости) при заданных нагрузках

. задача синтеза (проектировочные расчеты): подбор материалов и определение размеров элементов конструкций при заданных нагрузка.

. расчет грузоподъемности: при заданных нагрузках

. определение предельных или разрушительных нагрузок

48. Кручение и изгиб. Напряженность и деформация. Расчеты на прочность и жесткость.

Сочетание деформаций изгиба и кручения испытывает большинство валов, которые обычно представляют собой прямые брусья круглого или кольцевого сечения.

При сочетании изгиба и кручения опасными будут точки опасного поперечного сечения вала, наиболее удаленные от нейтральной оси.

При кручении вала в его сечениях возникает только один внутренний силовой фактор – крутящий момент Мк. Крутящие моменты определяются по внешним закручивающие моментам с помощью метода сечений. Вал делится на участки, границами которых служат сечения, в которых либо приложены внешние закручивающие моменты, либо изменяется жесткость вала на кручение – GJP. Крутящий момент в поперечном сечении вала численно равен алгебраической сумме всех внешних закручивающих моментов расположенных либо с одной, либо с другой стороны от сечения. Внешний закручивающий момент считается положительным, если он вращает участок вала против часовой стрелки вокруг оси вала, если смотреть на него со стороны сечения. В сечениях вала возникают касательные напряжения t, которые неравномерно распределяются по сечению. Наибольшего значения касательные напряжения достигают на поверхности вала. Эти максимальные напряжения входят в условие прочности, из которого определяются размеры поперечного сечения вала.

В конструкциях имеется много элементов типа балок, испытывающих деформацию плоского поперечного изгиба, когда все внешние силы и реакции опор лежат в плоскости симметрии балки, проходящей через ось балки. Действующие на балку нагрузки разделяются на сосредоточенные силы F, H, сосредоточенные моменты m, Нм, распределённые нагрузки интенсивностью q, Н/м. Балки крепятся к опорам, которые бывают шарнирно-подвижными, шарнирно-неподвижными и жестко защемленные .

При действии внешних сил наряду с возникновением напряжений происходит изменение объема тела и его формы, т. е. тело деформируется. При этом различают начальное (недеформированное) и конечное (деформированное) состояния тела.

49.Структура и классификация механизмов- основные понятия и определения, классификация кинематических пар, кинематические цепи-механизмы, кинематическая схема механизма, классификация механизмов, структурный синтез плоских механизмов.

Механизм – искусственно созданная кинематическая цепь, совершающая вполне определенные движения.

В простейшей интерпретации: механизм – это кинематическая цепь + двигатель. Из этого вытекает, что в любом механизме есть одно или несколько ведущих звеньев . Поэтому ясно, что сумма элементарных работ всех внешних сил, приложенных к ведущему звену, положительна, а для ведомого звена – равна нулю.

Так как механизм состоит из кинематических цепей, то также как и кинематические цепи, механизмы делятся на плоские и пространственные, простые и сложные.

Плоские механизмы – такие, все звенья которых движутся в одной или параллельных плоскостях.

Пространственные механизмы – такие, все звенья которых описывают пространственные кривые.

Простой – механизм, состоящий не более чем из четырех звеньев.

Сложный – механизм, состоящий из более чем четырех звеньев.

Также все механизмы классифицируют по конструктивной схожести.

Рычажные(в других источниках – стержневые) – это механизмы, звенья которых при соединении образуют между собой только низшие кинематические пары. Они применяются для преобразования движения или передачи силы в машинах. Простые (типовые, частные) рычажные механизмы состоят из четырех звеньев и подразделяются на коромысловые, кривошипно-ползунные, кулисные. Рычажные механизмы получили широкое применение благодаря их долговечности, надежности и простоте. Кривошипно-ползунные механизмы применяются в двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах и т.д. В этих механизмах вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное и наоборот. Коромысловые механизмы применяются в зерноуборочных комбайнах, в стогометателях, в пресс-подборщиках, качающихся конвейерах и т.д. Кулисные механизмы получили широкое применение в строгальных, зубодолбежных станках. Обычно у них длительный рабочий ход и быстрый, обеспечивающий возврат резца в исходное положение, холостой ход. Большей частью кулисные механизмы применяются в практике с дополнительной структурной группой. Пространственные рычажные механизмы получили более широкое применение в робототехнике, чем плоские. На их основе создаются различные роботы и манипуляторы. Особенностью этих механизмов является то, что они имеют незамкнутую кинематическую цепь, обладают большим числом степеней свободы, а значит, имеют много приводов. Согласованная работа приводов звеньев обеспечивает перемещение руки захвата по рациональной траектории в заданное место.

Коромысловый кривошипно-ползунный кулисный

Ø Зубчатые механизмы. Если в состав механизма входят зубчатые звенья, то такой механизм называется зубчатым. Зубчатые механизмы представляют собой трехзвенный механизмы с высшей кинематической парой и предназначен для сообщения непрерывного вращательного движения с заданным отношением угловых скоростей. Их также называют еще зубчатыми передачами. При помощи зубчатых колес можно осуществить передачу движения между валами как с неподвижными осями, так и с перемещающимися в пространстве.

Разновидностью зубчатых передач являются храповые и цевочные механизмы. Храповые механизмы предназначены для осуществления движения только в одном направлении. Они применяются в станках, грузоподъемных машинах, часовых механизмах, а также в передачах периодического движения. Цевочный механизм служит для передачи вращательного или поступательного движения, в котором одно из звеньев имеет зубья, выполненные в виде круглых цилиндров (цевок), а зубья второго звена имеют сопряженный профиль.

Кулачковые механизмы. Механизмы, в состав которых входит звено, имеющее переменный профиль (кулачок), называют кулачковыми. Они применяются для сообщения ограниченного движения ведомому звену по заданному или выбранному закону. Ведомое звено (толкатель) и ведущее звено (кулачок) могут совершать поступательное, вращательное или сложное движения. Кулачковые механизмы используются как в рабочих машинах, так и в приборных устройствах для реализации необходимых законов движения ведущих звеньев. Например, они применяются в газораспределительных механизмах для открывания и закрывания впускных клапанов

Ø Фрикционные механизмы – такие механизмы, в которых передача движения между соприкасающимися телами осуществляется за счет сил трения. Фрикционные механизмы нашли широкое применение в приборах, станках, транспорте, вариаторах (механизмах с плавной регулировкой числа оборотов).

Ø Механизмы с гибкими звеньями. В таких механизмах в качестве гибких звеньев, передающих движение от одного тела к другому, используются различной формы поперечного сечения ремни, канаты, цепи и др. Они применяются, если необходимо передать на относительно большое расстояние механическую энергию из одной точки пространства в другую. Передачи с гибкими звеньями широко применяются в машиностроении, приборостроении и в других отраслях промышленности. Подробно эти механизмы рассматриваются в курсе деталей машин.

Ø Клиновые механизмы применяются в различного вида зажимных приспособлениях или в устройствах, в которых требуется создать большие усилия на выходной стороне при ограниченных силах, действующих на входной стороне. Клиновые механизмы состоят из поступательных кинематических пар V класса. Они могут быть плоскими и пространственными. Чаще применяются в комбинации с другими механизмами. Отличительной особенностью этих механизмов является простота и надежность конструкции.

Ø Резьбовые (винтовые) механизмы. Механизмы, имеющие в своем составе кинематическую пару «винт-гайка», называют резьбовыми. Резьбовые механизмы применяются для преобразования вращательного движения в поступательное. Они используются в металлорежущих станках, прессах, различных приборах, измерительных устройств, домкратах и др. механизмах.

Ø Гидравлические и пневматические механизмы подробно рассматриваются при изучении других предметов.

Широкое применение нашли комбинированные механизмы, например рычажно-зубчатые, кулачково-зубчатые.

Чтобы разобраться в устройстве механизма, следует обратить внима­ние не на отдельно взятые звенья, а на характер их соединения. Подвиж­ное соединение двух звеньев в механизмах называется кинемати­ческой парой. При этом следует интересоваться лишь кинематиче­скими возможностями пар (то есть возможностью звеньев совершать оп­ределенные движения) и не принимать во внимание конструктивные осо­бенности.

В кинематических парах звенья могут получать относительное, враща­тельное, поступательное или сложное движение. Соответственно и различа­ют вращательные, поступательные и пары сложного движения. Например, зубчатые колеса образуют вращательную пару, ползун и направляющие ус­тройства — поступательную пару, винт и гайка — пару сложного движения или винтовую пару.

Соединения кинематических пар, в свою оче­редь, образуют кинематическую цепь. Для изображения механизмов и их составных ча­стей — звеньев и кинематических пар — пользу­ются стандартными условными обозначениями. Неподвижность звеньев в парах всех видов отмечается на схемах подштриховкой.

В качестве примера приведем последователь­ное изображение кинематической схемы двигате­ля внутреннего сгорания.

Ведущим звеном, конечно, является поршень 1, так как движение ему сообщают внешние силы (давление газа или пара). Поршень совершает возвратно-поступательное движение относитель­но стенок неподвижного цилиндра 2. Ведомое звено — вал с кривошипом 4 — совершает враща­тельное движение. Между ведущим и ведомым звеньями находит­ся промежуточное — шатун 3, со­вершающий плоскопараллельное движение.

Поршень — это ползун, стенки цилиндра — направляющие. Вал с кривоши­пом, совершающий вращательное движение относительно неподвиж­ной опоры. Шатун — это стержень, концы которого связаны: один с ползуном, другой с кривошипом. Связав все звенья воедино, получим схематическое изображе­ние механизма двигателя .

В этом механизме — четыре звена: ползун, шатун, кривошип и одно не­подвижное звено, обозначенное в двух местах подштриховкой. Однако сле­дует обратить внимание на то, что с кинематической точки зрения — это од­но звено, хотя реальных деталей может быть несколько (цилиндр, корпус и т. д.). Кинематических пар также четыре — три вращательных и одна по­ступательная.

По структурно-конструктивным признакам различают механизмы плос­кие, у которых точки звеньев описывают траектории, лежащие в парал­лельных плоскостях, и пространственные, которые осуществляют взаимо­действие между звеньями, расположенными в различных плоскостях.

Структурным синтезом механизма называется проектирование структурной схемы механизма, которая состоит из неподвижного и подвижных звеньев и кинематических пар. Он является начальной стадией составления схемы механизма, удовлетворяющего заданным условиям. Исходными данными обычно являются виды движения ведущего и рабочего звеньев механизма, взаимное расположение осей вращения и направления поступательного движения звеньев, их угловые и линейные перемещения, скорости и ускорения. Наиболее удобным методом нахождения структурной схемы является метод присоединения структурных групп Ассура к ведущему звену или основному механизму.

Под структурным анализом механизма понимается определение количества звеньев и кинематических пар, определение степени подвижности механизма, а также установление класса и порядка механизма.

50. Неразъемные и разъемные соединения- сварные, паяльные, клеевые, заклепочные, резьбовые. Достоинства и недостатки. Область применения. Основные расчетные зависимости.

Соединения по признаку возможности разборки делят на разъемные и неразъемные.

Разъемными называют соединения, которые разъединяются без повреждения деталей. К ним относятся резьбовые, шпоночные, зубчатые и профильные соединения. Основным расчетом соединений является расчет на прочность. Расчет на прочность является основным критерием для расчета всех соединении. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы прочность соединяемых и соединительных деталей была одинаковой.

Неразъемными называют соединения, разъединение которых невозможно без разрушения соединяемых деталей или соединяющего материала. К ним относят заклепочные, сварные клеевые, паяные соединения, а также соединения с натягом.

Сварка позволяет получить неразъемное соединение элементов конструкции из одинаковых или сходных по своим свойствам материалов путем образования прочных связей непосредственно между атомами соединяемых материалов.

Сварные соединения деталей могут быть выполнены двумя способами: сваркой плавлением или сваркой давлением.

При сварке деталей плавлением поверхность их разогревается до температуры плавления, в шов вводится присадочный материал, по химическому составу близкий к материалу деталей, который и заполняет шов.

Пайка представляет собой процесс соединения металлических материалов при помощи расплавленного дополнительного материала - припоя, вводимого в зону соединения деталей. Пайку широко применяют в электро- и радиотехнике. В некоторых случаях пайка экономичнее сварки, т.к. требует меньшего нагрева металла, не изменяет его свойств и не приводит к деформации.

Склеиванием называют процесс получения неразъемных соединений за счет соединения клеем.

Для склеивания используют различные клеи.

Это неразъемные соединения, они получаются при помощи расклепывания или развальцовки отдельных заклепок или цапф, имеющихся на одной из деталей и выполняющих роль заклепки. При склепывании детали сильно сдавливаются, таким путем между ними возникает трение, препятствующее их взаимному сдвигу. Конструкции, рассчитанные на большие силовые нагрузки, выполняются горячим способом, сжатие деталей происходит главным образом за счет сокращения длины заклепки при ее остывании. В конструкциях радиотехнических изделий сжатие соединяемых деталей производится в основном ударами или давлением при образовании головки заклепки.

Резьба представляет собой сложную пространственную поверхность (винтовую поверхность), которая образуется при винтовом перемещении плоского профиля по поверхности вращения (цилиндра, конуса и т.п.).

Резьбы классифицируется:

по форме поверхности, на которой они нарезаны:

-цилиндрические

-конические

по расположению резьбы на поверхности

-наружная

-внутренняя

по форме профиля

-треугольные

-прямоугольные

-трапецеидальные

- круглые

по назначению

-крепежные

- крепежно-уплотнительные

-ходовые

-специальные

-левые или правые

-однозаходные и многозаходные

Профиль - форма плоского контура, перемещением которого образована резьба. В соответствии с этим различают виды резьб: треугольную, прямоугольную, трапецеидальную.

Наружный диаметр d - диаметр воображаемого цилиндра, описанного вокруг вершин наружной резьбы или впадин внутренней резьбы (рис. 3).

Шаг резьбы Р - измеренное вдоль оси расстояние между ближайшими выступами или впадинами винтовой нитки. Шаги резьб стандартизованы и зависят от типа резьбы и ее наружного диаметра.

Ход резьбы Ph - величина, равная перемещению винта вдоль оси при повороте его на один оборот в неподвижной гайке.

Число заходов - равно количеству одинаковых профилей, одновременно перемещающихся по винтовой линии.

Однозаходный винт - образован винтовым перемещением единичного профиля. Шаг резьбы равен ходу.

Двух - или многозаходный винт образован одновременным перемещением двух или многих одинаковых профилей. На рис. 3 изображен двухзаходный винт, образованный двумя треугольными профилями. Если п - число заходов, то ход резьбы Ph равен Ph= Р х п

Неразъёмным соединениям присущи важные положительные качества:

-малая материалоёмкость и, следовательно, относительно малый вес конструкции;

-возможность широкого применения автоматов, например сварочных роботов, при выполнении сборочных операций;

-сравнительно низкие затраты труда (малая себестоимость);

-возможность выполнения плотных и прочных соединений без использования дополнительных уплотняющих средств.

Понятно, что использование неразъёмных соединений допустимо лишь в тех случаях, когда заранее известно, что разборка выполняемой сборочной единицы не потребуется.