Доклад: Эксплуатационные свойства машин и механизмов

5. Принципы построения механизмов, их структура

Механизм (см. выше) состоит из тел, подвижно соединенных между собой. Тела (за исключением особо оговоренных случаев) будем считать абсолютно твердыми. Твердое тело – совокупность материальных точек, находящихся на неизменном расстоянии друг от друга. Материальная точка в отличие от геометрической обладает массой [4].

Звеном (жестким) механизма назовем одно или несколько твердых тел, не имеющих движения друг относительно друга. Неподвижные тела механизма образуют неподвижное звено – стойку. Остальные звенья – подвижные и изменяют в процессе движения положения друг относительно друга и по отношению к стойке.

Звенья механизма соединены между собой подвижно. Соединение двух звеньев, позволяющее совершать то или иное движение по отношению друг к другу, называется кинематической парой.

В местах соединения двух звеньев им придают определенные геометрические формы, чтобы обеспечить требуемый характер относительного движения. Кинематические элементы (элементы кинематической пары) представляют совокупность точек, линий и поверхностей, которыми звенья непрерывно касаются и характер соприкосновения которых определяет вид относительного движения соединяемых звеньев. Совокупность таких кинематических элементов и представляет кинематическую пару.

Свободное твердое тело имеет шесть степеней свободы и может совершать шесть независимых видов (w) движения: три вращательных движения вокруг осей x, y, z и три поступательных вдоль этих осей. Если рассматриваемое тело (звено) образует кинематическую пару с другим, число независимых параметров w, определяющих относительное движение выражается неравенством 6 > w > 0. При w = 0 соединение двух тел является неподвижным, при w = 6 тела не соединены друг с другом. Таким образом, кинематическая пара устанавливает связи (ограничения) в относительном движении.

Если число геометрических связей, накладываемых кинематической парой, обозначить через s, то s = 6 – w.

Кинематические пары делятся на классы. Класс кинематической пары равен числу наложенных связей. При определении класса кинематической пары необходимо учитывать только независимые виды движения. Так, винтовая пара (рис. 2.1) относится к классу V, так как составляющие винтовое движение поступательное и вращательное движения нельзя рассматривать как независимые, поскольку на них наложена связь, определяемая уравнением

s = t ´ j,

где    s – перемещение вдоль оси винта,

t – винтовой параметр, t = p / (2´p), здесь p – шаг винта,

j – угол поворота.

Рис. 2.1. Винтовая пара

По характеру соприкосновения пары делятся на высшие и низшие. В высших парах соприкосновение по линии или точкам, в низших – по поверхностям.

При обращении движения звено кинематической пары, бывшее в относительном движении подвижным, становится неподвижным.

Для того, чтобы звенья кинематической пары непрерывно касались друг друга, нужно предусмотреть так называемое замыкание кинематической пары. Различают: силовое замыкание, осуществляемое за счет веса, пружин; геометрическое замыкание, достигаемое приданием определенных геометрических форм кинематическим элементам.

Классификация кинематических пар и примеры их конструктивного воплощения приведены в таблице 2.4.

Совокупность звеньев, соединенных кинематическими парами, представляет кинематическую цепь. Различают открытые и замкнутые кинематические цепи. В замкнутой кинематической цепи в отличие от открытой последнее звено соединено с первым [4].

Таблица 2.4.

Классификация кинематических пар

Кинематическая цепь становится механизмом, как только одно из звеньев обращается в стойку (неподвижное звено). В кинематической цепи определенными являются только относительные движения звеньев. В механизме, если заданы движения одного или нескольких его звеньев, становятся определенными абсолютные (относительно стойки) движения остальных его звеньев.

Таким образом, механизм представляет кинематическую цепь, в которой одно из звеньев обращено в стойку, а при задании движения одного или нескольких его звеньев, становятся определенными движения остальных его звеньев.

Из одной и той же кинематической цепи можно получить различные механизмы, последовательно обращая в стойку различные звенья цепи. Образуемые таким образом механизмы будут отличаться характером абсолютных движений звеньев. Относительное же движение звеньев в механизмах не изменится, поскольку они образованы из одной и той же кинематической цепи.

На примере (рис. 2.2, а) цифрами обозначены звенья кинематической цепи (стойки нет), буквами – кинематические пары (О и А – вращательные, В и С – поступательные). Обратив в стойку звено 4 (рис. 2.2, б) получим механизм двойного ползуна (синусный механизм). При обращении в стойку звена 3 (рис. 2.2, в) получим механизм  эллипсографа (звено 4 имеет различное графическое изображение, но его кинематические пары одни и те же). Если стойкой сделать звено 1, получим кулачково-дисковую муфту (муфту Ольдгэма), конструктивная схема которой изображена ниже (рис. 2.2, е).

Рис. 2.2. Преобразование кинематической цепи

Различают плоские и пространственные механизмы. В плоских механизмах все точки звеньев движутся в одной или параллельных плоскостях. Наиболее распространенные типы плоских механизмов: четырехшарнирный, кривошипно-ползунный, кулисный (рис. 2.3) [4].

Рис. 2.3. Схемы плоских механизмов

Кривошипом (поз. 1 на рис. 2.3) называется звено, соединенное со стойкой вращательной парой и совершающее относительно стойки полное вращательное движение. Коромысло (поз. 3 на рис. 2.3, а) также соединено со стойкой вращательной парой, но совершает относительно нее неполное вращательное (качательное) движение. Кулисой (поз. 3 на рис. 2.3, в, г) называется звено с подвижными направляющими, соединенное со стойкой вращательной или поступательной парой. Ползун (поз. 3 на рис. 2.3, б) соединен со стойкой поступательной парой и совершает поступательное движение. Звено (поз. 2 на рис. 2.3, а, б), совершающее относительно стойки плоское (совокупность поступательного и вращательного) движение и соединенное с другими звеньями вращательными парами, называется шатуном.

В кулисном механизме (рис. 2.3, в) звенья 2 и 3 могут иметь разное конструктивное оформление. Звено 2 совершает поступательное движение в направляющих кулисы и называется кулисным камнем.

Под степенью подвижности механизма понимается число независимых параметров, которое необходимо задать для определения положения всех подвижных звеньев. Грубо говоря, это число двигателей, необходимое для получения на выходе механизма определенного движения (каждый двигатель – одна координата, параметр). В механизме с одной степенью подвижности достаточно задаться значением одного параметра для определения положения всех подвижных звеньев Преимущественное распространение получили механизмы с одной и двумя (дифференциальный зубчатый механизм) степенями подвижности.

При аналитическом определении степени подвижности составляется система сложных нелинейных уравнений связи между параметрами относительного движения.

Практически степень подвижности механизма определяется из его структурной формулы, связывающей степень подвижности с числом звеньев механизма, числом и видом кинематических пар. Для пространственного механизма структурная формула определяется выражением

w = 6 ´ (n - 1) – 5 ´ p5 – 4 ´ p4 – 3 ´ p3 –2 ´ p2 –1 ´ p1 ,

где    (n - 1) – число подвижных звеньев (n – общее число звеньев, включая и стойку),

pi – число кинематических пар класса i, входящих в состав механизма,

i – число связей, накладываемых парой класса i.

Для плоских механизмов при определении степени подвижности можно использовать структурную формулу Сомова и Чебышева:

w = 6 ´ (n - 1) – 5 ´ p5 – 4 ´ p4.

При проектировании таких механизмов заранее предопределяется, что их звенья не могут совершать трех движений (из коэффициентов вычитается 3): вращений вокруг осей x и y и поступательного движения вдоль оси z, перпендикулярной плоскости xy (т.е. накладываются три общих для всех звеньев связи).

Рис. 2.4. Механизм эллипсографа

При проектировании механизмов нужно исключить возможность появления избыточных связей, при которых может возникнуть заклинивание механизма. Примером  является механизм  эллипсографа:  произвольные точки отрезка BD описывают эллипсы, и только его середина (т. А) движется по окружности (рис. 2.4, а). Из структурной формулы (n =5, p5 = 6) следует, что w = 0. Если точку А сместить от середины отрезка, то действительно w = 0. Поэтому целесообразно изменить структуру механизма, изъяв звено ОА (и кинематические пары О и А) или один из ползунов 3 или 4 (кинематические пары, соединяющие ползун со стойкой и шатуном) (рис. 2.4, б). К избыточным связям могут приводить погрешности изготовления и сборки.

6. Анализ и синтез механизмов

В инженерной практике часто требуется решение аналитическими методами двух основных задач – анализа и синтеза, представляющих собой диалектическое единство противоположностей. Они противоположны, т.к. взаимно обратны. Единство этих задач с математической точки зрения состоит в том, что решают их, как правило, с помощью одних и тех же математических моделей и уравнений [1].

[Крайнев] Анализ механизма – исследование кинематических и динамических свойств механизма по заданной его схеме (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Анализ механизма

; ;

; 

Синтез механизма – проектирование схемы механизма по заданным его свойствам. Включает выбор структурной схемы (структурный синтез) и определение постоянных параметров выбранной схемы механизма по заданным его свойствам (параметрический синтез). Различают также кинематический и динамический синтез (Крайнев). Если предположить, что на рис. 2.6 изображено только расположение входного и выходного валов редуктора и приведены только частоты их вращения, то изображенные внутри корпуса передачи являются одним из вариантов синтеза редуктора.

Рис. 2.6. Синтез механизма

7. Эксплуатационные свойства машин и механизмов

1. Надежность машин и механизмов как важнейшее эксплуатационное свойство.

Под надежностью понимают свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение заданного промежутка времени или требуемой наработки (объем работы изделия, измеряемый в часах, циклах, метрах, штуках и т.д.) [1].

Любая ТС, машина создаются для выполнения определенных функций в течение заданного срока службы. Функциональная пригодность конструкции определяется степенью надежности машины, показателями ее работоспособности. При определении надежности чаще всего исходят из понятия отказа машины, т.е. любой ее вынужденной остановки [3].

Отказ может происходить не только по причине разрушения отдельных узлов или деталей, но и выхода погрешностей выполнения машиной своего функционального назначения за пределы норм. Отказ может наступить и потому, что машина выполняет свою работу с такими ошибками, при которых либо полностью нарушается технологический процесс, либо производимые изделия и операции непригодны (брак). Два фактора – 1) поломка (разрушение) деталей и 2) нарушение точности работы устройства – практически определяют функциональную надежность машины. Они зависят от полноты выполнения функционально-эксплуатационных (эксплуатационных) требований, предусматриваемых ТЗ и реализуемых посредством технических решений, закладываемых в конструкцию машины.

Разрушение деталей (1-й фактор) – следствие их недостаточной объемной и поверхностной прочности. При наличии достаточного ассортимента машиностроительных материалов и методов изготовления, развитой науки о прочности любым деталям и узлам можно придать требуемую (практически неограниченную) долговечность и гарантировать их от разрушения. То, что разрушение деталей все же происходит, объясняется конструктивными и технологическими дефектами, неправильной эксплуатацией или случайностью.

Конструктивные дефекты – неверная оценка степени нагружения детали, местоположения опасных сечений и наиболее нагруженных точек. Обычные в инженерной практике методы анализа (расчета) позволяют определить напряжения с удовлетворительной точностью для сравнительно немногих простейших расчетных случаев. Анализ большинства сложных деталей на прочность основан на упрощениях, которые не всегда выдерживаются в реальных условиях.

Расхождение истинных значений (фактических) напряжений и расчетных обусловлено отклонениями:

- расчетной схемы от действующих условий нагружения;

- фактических значений действующих сил от номинальных.

Эти отклонения объясняются влиянием сопряженных деталей; упругими свойствами системы; неточностями изготовления и монтажа; перегрузками вследствие превышения расчетных режимов эксплуатации; изменением характеристик прочности материала в связи с изменением температуры и в результате действия вибраций, изменением форм и размеров деталей вследствие износа.

Таким образом, для предохранения деталей от разрушения конструктор должен учитывать следующие функционально-эксплуатационные требования:

-объемную и поверхностную прочность при статических и динамических нагрузках;

-жесткость конструкции;

-износостойкость трущихся деталей;

-тепло- и хладостойкость деталей;

-вибростойкость конструкции.

Нарушение функциональной точности (2-й фактор) – следствие отклонений формы, размеров и расположения поверхностей деталей и самих деталей, составляющих конструкцию. Эти отклонения возникают в результате ошибок при изготовлении деталей и узлов, неизбежных деформаций в конструкции под влиянием действующих нагрузок, износа трущихся деталей, неточностей монтажа и регулировки, температурных изменений.

Ошибки изготовления, зазоры в подвижных соединениях узлов машины обычно учитываются конструктором в процессе проектирования на основе теории точности. Влияние деформаций деталей и их износа достаточно трудно учесть, во-первых, потому, что еще недостаточно разработана теоретическая база таких расчетов, а, во-вторых, эти факторы непрерывно меняются в процессе эксплуатации. Поэтому конструкторы всегда предусматривают возможности выполнения необходимых регулировок, наличие автоматических компенсаторов изменения формы, размеров и расположения деталей.

Следовательно, для установления нормальной функциональной точности работы машины конструктору необходимо учитывать такие функционально-эксплуатационные требования:

-статическую и динамическую точность работы устройства;

-жесткость деталей и узлов конструкции;

-износостойкость трущихся поверхностей деталей машин.

Последние два фактора влияют (см. выше) и на прочность деталей машины.

Реализация всех этих функционально-эксплуатационных требований является основой для создания рациональной конструкции машины. Однако не всегда удается найти проектное решение, полностью отвечающее всем этим требованиям. Безупречная во всех отношениях конструкция – редкая удача. И дело здесь, прежде всего, в противоречивости выдвигаемых требований. В подобных случаях принимается компромиссное решение за счет требований, не имеющих первостепенного значения в данных условиях применения машины.

2. Показатели, характеризующие надежность: безотказность, долговечность и сохраняемость, ремонтопригодность машин и механизмов.

Безотказностью  называют свойство изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Долговечностью  называют свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Долговечность характеризуется ресурсами. Техническим ресурсом называют наработку изделия от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта определенного вида (среднего или капитального) до наступления предельного состояния. Назначенным (общетехническим) ресурсом называют суммарную наработку изделия, по достижении которой применение по прямому назначению должно быть прекращено (независимо от состояния изделия). Прекращение эксплуатации связано с требованиями безопасности (возможностью наступления катастрофического отказа) или экономической целесообразностью. В пределах назначенного ресурса предусматривают один или несколько ремонтов. Под предельным состоянием изделия понимается состояние, определяемое невозможностью его дальнейшей эксплуатации, обусловленное либо снижением эффективности, либо требованиями безопасности.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортирования. Характеризуется сроком сохраняемости и гамма-процентным сроком сохраняемости.

Ремонтопригодностью называют приспособленность изделия к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания (ТО) и ремонта (например, возможность замены детали в эксплуатации). Показатели – среднее время восстановления, удельная трудоемкость ТО и ремонта, относительная стоимость ремонта [1].

3. Методы проектирования и конструирования, направленные на повышение надежности: унификация, типизация, агрегирование, взаимозаменяемость.

Унификация  состоит в многократном применении в конструкции одних и тех же элементов, что способствует сокращению номенклатуры деталей и уменьшению стоимости изготовления, упрощению эксплуатации и ремонта машин. Унификация конструкторских элементов (посадок, резьбовых шпоночных и шлицевых соединений, зубчатых зацеплений, фасок и галтелей) позволяет сократить номенклатуру обрабатываемого, мерительного и монтажного инструмента.

Унификация оригинальных деталей и узлов может быть внутренней (в пределах данного изделия) и внешней (заимствование деталей с иных машин данного или смежного завода).

Унификация марок и сортамента материалов, электродов, типоразмеров крепежных деталей, подшипников качения и других стандартных деталей облегчает снабжение завода-изготовителя и ремонтных предприятий материалами, стандартными покупными изделиями.

Типизация  является разновидностью стандартизации. Это разработка типовых конструкций или технологических процессов на основе общих для ряда изделий (процессов) технических характеристик.

Агрегатирование  заключается в создании машин путем сочетания унифицированных агрегатов, представляющих собой автономные узлы, устанавливаемые в различном числе и комбинациях на общей станине (агрегатные металлорежущие станки). Преимущества: сокращение сроков и стоимости проектирования и изготовления машин, упрощение обслуживания и ремонта, возможность переналадки для обработки разнообразных деталей (если это станок).

Частичным агрегатированием является использование стандартизованных узлов и агрегатов из числа серийно выпускаемых промышленностью (редукторы, насосы, компрессоры), а также заимствование с серийно изготовляемых изделий узлов и агрегатов (коробок скоростей, механизмов переключения муфт, фрикционов и т.д.).

Взаимозаменяемость  – свойство конструкции составной части изделия, обеспечивающее возможность ее применения вместо другой без дополнительной обработки с сохранением качества изделия, в состав которого она входит.

Иначе – это способность изготовленных с заданной точностью деталей (и сборочных единиц) занимать свое место в машине без дополнительной обработки их при сборке и выполнять свои функции в соответствии с техническими требованиями к работе данной машины (или ее отдельной сборочной единицы). Детали называются взаимозаменяемыми  

Взаимозаменяемость по геометрическим параметрам обеспечивается стандартными системами допусков и посадок .

4. Связь технических и экономических показателей, характеризующих машины и механизмы.

При приобретении любого изделия нас всегда интересует его качество – совокупность свойств продукции, обуславливающая ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением (ГОСТ 15 467 –79 «Управление качеством продукции. Основные понятия. Требования и определения»). Связь технических и экономических показателей машин и механизмов заключается в том, что они являются (в совокупности) основой для оценки уровня качества изделия.

Уровень качества определяется показателями, которые оценивают на основе стандартов. При этом используют следующие основные виды показателей:

-назначения и экономичности, определяющие экономический эффект изделия и область его применения;

-надежности и долговечности, характеризующие работу изделия в конкретных условиях его использования;

-эргономические, учитывающие комплекс физиологических и психологических свойств человека в системе «человек-изделие-среда»;

-эстетические, оценивающие в изделии оригинальность, гармонич-ть, соотв-е среде и опр-му стилю,

-транспортабельности, характеризующие способность изделия к перемещению [3].

Для изделий машиностроения выделяют три группы показателей назначения (эксплуатационных показателей):

-классификационные показатели, характер принадлежность изделия к опр-й классификационной группе (предел измерения, цена деления, г/п и др.);

-показатели функциональной и технической эффективности, характерен полезный эффект эксплуатации прибора (прочность, точность, потребляемая мощность и др.);

- показатели конструктивные, характерные возможность установки, монтажа, совмещения с другими изделиями (направление питания, усилие перемещения ползуна, способ закрепления и т.п.).

Показатели назначения явлился составляющими качества изделия, но не тождественны ему. Нельзя считать, что микрометр по качеству выше штангенциркуля, потому что его погрешность на порядок меньше {МАЗ хуже БЕЛАЗа}. Качество в данном случае характерезуеся относительным показателем – запасом точности по отношению к норме, установленной стандартом.

При помощи экономических показателей (экономичного эффекта, рентабельности изделия, срока окупаемости,  стоимости) оценивают ряд других требований к качеству продукции: ремонтопригодность, технологичность (совокупность свив, определяющих ее приспособленность к достижению оптимальных затрат при пр-ве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ – ГОСТ 14.205-83 «Технологичность конструкции изделий. Термины и определения»), уровень стандартизации и унификации.

Годовой экономический эффект от применения изделия определяют как разницу между годовой полезной отдачей и суммой годовых эксплуатируемых расходов

Э = От – Р (руб/год).

Полезную отдачу выражают стоимостью продукции или полезной работы, выполняемой изделием (машиной) в единицу времени. Она определяется по существу пр-ностью машины.

Сумма расходов складывается из стоимости расходуемой энергии (Эн), мат-лов (Мт), инструмента (Ин), оплаты труда рабочих (Тр), технического обслуживания (Об), ремонта (Рм), накладных (Нк) и амортизационных расходов (Ам):

Р = Эн + Мт + Ин + Тр + Об + Рм + Нк + Ам.

Рентабельность изделия определяют отношошением полезной отдачи к сумме расходов

Е = От / Р.

эксплуатационный машина механизм

Величина Е д.б. больше 1, иначе изделие убыточно.

Срок окупаемости tок определяют как период службы, при кот-м суммарный экономичный эффект равен стоимости машины. Эту величину можно найти из зависимости

tок = С / hисп (От – Ра – С / Д),

где С – стоимость изделия,

hисп – к-т использования изделия, определяемый как отношение долговечности  изделия ко всему периоду Н его экспл-и, hисп = Д / Н. Среднее значение при круглогодичной непрерывной работе hисп = 0,95 – 0,97.

Ра – сумма эксплуатационных расходов без учета расходов на амортизацию, Ра = Р – Ам,

Д – долговечеость изделия, представляя собой общее время работы на номинальном режиме в условиях нормальной эксплуатации.

Коэффициент стоимости конструкции представит собой процентное отношение стоимости изделия к сумме расходов:

с = (С / Р) ´ 100%.

Показатели надежности – безотказность, ремонтопригодность и сохраняемость – рассмотрены выше.

Эргономические и эстетические показатели отражают потребительскую стоимость изделия.

Эргономические показатели  качества изделия по ГОСТ 15 467-79 подразделяются на:

-гигиенические – уровень шума, вибрации, температура на рабочем месте, наличие излучения, освещенность и т.п.;

-антропометрические – характерезуют соответствие изделия и его элементов форме и параметрам человеческого тела (параметры рабочего места; размеры и расположение и пульта; Расположение органов контроля и упражнениея упатели др.);

-физиологические покупатели отражают соответствие изделия пространственным, силовым и временным возможностям оператора (длины ходов, усилия и скорости органов упражнения);

- психофизиологическое покупатели указывают на соответствие изделия органам чувств человека. Они учитывают задаваемый изделием объем зрительной и слуховой информации, ее интенсивность, скорость выдачи и т.п. (требуемой уровень звукового давления сигнала аварийного устройства не менее 90 дБ при частоте 4000 Гц);

-психологические показатели характеризуют соответствие изделия особенностям и возможностям деятельности высшей нервной системы человека (скорость реакции оператора, наглядность и удобство усвоения процесса упражнения изделием).

Эстетические  показатели характеризуют изделие на основе его восприятия оператором (потребителем) как объекта искусства. Они включают элементы рациональности конструкции, пропорций его составных частей и элементы чувственного восприятия, связанные с эстетическим воспитанием человека, формирующимися у него взглядами на красоту.

Показатели  транспортабельности  – вес, габариты, материалоемкость, транспортные затраты на упаковку и передвижные и т.п.

Список используемой литературы

1. Кореняко А.С. Теория механизмов и машин. Изд. «Вища школа», 1976 г.

2. Кульбачный О.И. и др. Теория механизмов и машин. Проектирование. М., «Высшая школа», 1970 г.

3. Лепихов А.М. (составитель) Академик Артоболевский: Сборник. М.: Знание, 1983 г.

4. Машков А.А. Теория механизмов и машин. Изд. «Вышэйшая школа» Минск 1971 г.

5. Попов С.А., Тимофеев Г.А. Курсовое проектирование по теории проектирования и механике машин. М., «Высшая школа» 2002 г.

6. Юдин В.А., Петрокас Л.В. Теория механизмов и машин. М., «Высшая школа», 1977 г.