Сущность машин, применяемых в различных сферах производства

Из теоретической механики: Системы материальных тел (точек), положения  и движения которых подчинены  некоторым геометрическим или кинематическим ограничениям, заданным наперед и  не зависящим от начальных условий  и заданных сил, называется несвободной. Эти ограничения, наложенные на систему  и делающие ее несвободной называются связями. Положения точек системы, допускаемые наложенными на нее  связями называются возможными. Независимые  друг от друга величины однозначно определяющие возможные положения  системы в произвольный момент времени  называются обобщенными координатами системы.

Входные звенья - звенья, которым  сообщается заданное движение или соответствующие  силовые факторы (силы или моменты); выходные звенья - те, на которых получают требуемое движение и силы.

Начальное звено - звено, координата которого принята за обобщенную. Начальная  кинематическая пара - пара, относительное  положение звеньев в которой  принято за обобщенную координату.

 

 

 

2. Конструкционная состовляющая

2.1 Строение механизмов

 

Как отмечалось выше, структура  любой технической системы определяется функционально связанной совокупностью  элементов и отношений между  ними. При этом для механизмов под  элементами понимаются звенья, группы звеньев или типовые механизмы, а под отношениями подвижные (кинематические пары) или неподвижные соединения. Поэтому под структурой механизма  понимается совокупность его элементов  и отношений между ними, т.е. совокупность звеньев, групп или типовых механизмов и подвижных или неподвижных  соединений. Геометрическая структура  механизма полностью описывается  заданием геометрической формы его  элементов, их расположения, указания вида связей между ними. Структурная  схема - графическое изображение  механизма, выполненное с использованием условных обозначений рекомендованных  ГОСТ (см. например ГОСТ 2.703-68) или принятых в специальной литературе, содержащее информацию о числе и расположении элементов (звеньев, групп), а также  о виде и классе кинематических пар, соединяющих эти элементы. В отличие  от кинематической схемы механизма, структурная схема не содержит информации о размерах звеньев и вычерчивается  без соблюдения масштабов. (Примечание: кинематическая схема - графическая  модель механизма, предназначенная  для исследования его кинематики).

Задачей структурного анализа  является определение параметров структуры  заданного механизма - числа звеньев  и структурных групп, числа и  вида кинематических пар, числа подвижностей (основных и местных), числа контуров и числа избыточных связей.

Задачей структурного синтеза  является синтез структуры нового механизма, обладающего заданными свойствами: числом подвижностей, отсутствием местных  подвижностей и избыточных  связей, минимумом числа звеньев, с парами определенного вида (например, только вращательными, как  наиболее технологичными) и т.п.

Степень подвижности механизма - число независимых обобщенных координат  однозначно определяющее положение  звеньев механизма на плоскости  или в пространстве.

Связь - ограничение, наложенное на перемещение тела по данной координате.

Избыточные (пассивные) - такие  связи в механизме, которые повторяют  или дублируют связи, уже имеющиеся  по данной координате, и поэтому  не изменяющие реальной подвижности  механизма. При этом расчетная подвижность  механизма уменьшается, а степень  его статической неопределимости  увеличивается. Иногда используется иное определение: Избыточные связи - это  связи, число которых в механизме  определяется разностью между суммарным  числом связей, наложенных  кинематическими  парами, и суммой степеней подвижности  всех звеньев, местных подвижностей и заданной (требуемой) подвижностью механизма в целом.

Местные подвижности - подвижности  механизма, которые не оказывают  влияния на его функцию положения (и передаточные функции), а введены  в механизм с другими целями (например, подвижность ролика в кулачковом механизме обеспечивает замену в  высшей паре трения скольжения трением  качения).

 

 

2.2 Классификация кинематических пар

 

Кинематические пары определяют характер относительного движения звеньев  и налагают условия связи, т.е. ограничивают движения соединяемых звеньев.

Кинематические пары классифицируются по следующим признакам:

1. по числу условий связей (согласно этой классификации класс пары равен числу условий связей, или числу ограничений накладываемых на относительные движения звеньев). Классификация кинематических пар по числу подвижностей и по числу связей приведена в таблице 1.1.

 

Классификация кинематических по числу  условий связей            Таблица 1.1

 

класс пары	Число	Подвиж-ность	Пространственная  схема	Условные обозначения
I	1	5	z       i            K5вп             y                                x                                 j	i             K5вп                    j
II	2	4	z           i                B4вп            y                                 j        x	i                            B4вп                                  j
Ш	3	3	z                                                     i                                         C3сф                         C         y                                   x            j	i                    C3сф                       j
IV	4	2	z           j                                   i                                                x                              D2ц         y	i                   D2ц                j
V	5	1	z           j                                   i                                                x           y                   E1п                    Поступательная КП	Вращательная КП         i                 E1в             j Поступательная КП              i                   E1п                j

 

Примечание: Стрелки у  координатных осей показывают возможные  угловые и линейные относительные  перемещения звеньев. Если стрелка  перечеркнута, то данное движение в  кинематической паре запрещено (т.е. на данное относительное движение наложена связь).

2. по виду места контакта (места связи) поверхностей звеньев:

• низшие, в которых контакт звеньев осуществляется по плоскости

или поверхности (пары скольжения);

• высшие, в которых контакт звеньев осуществляется по линиям или точкам (пары, допускающие скольжение с перекатыванием).

Два твердых тела (звена), соприкасающиеся своими поверхностями  и имеющие возможность двигаться  относительно друг друга, образуют кинематическую пару. Кинематическая пара допускает  не любое движение звеньев относительно друг друга, а только такое движение, которое согласуется с характером соприкосновения и с формой соприкасающихся  поверхностей.

Если звенья, образующие КП, в силу характера их соприкосновения, могут совершать только простейшие движения относительно друг друга (вращательное, прямолинейное поступательное или, в общем случае, винтовое), то пара является низшей. Низшая пара - пара, в которой требуемое относительное движение звеньев обеспечивается соприкасанием ее элементов по плоскости или поверхности. В таких парах движение одного звена относительно другого представляет собой чистое скольжение.

Более сложные относительные  движения можно реализовать в  парах, характер соприкасания звеньев  в которых допускает не только относительное скольжение, но и перекатывание. Такие пары называются высшими. Высшая пара - пара, в которой требуемое  относительное движение звеньев  может быть получено только соприкасанием  звеньев по линиям или в точках.

3. по относительному движению звеньев, образующих пару:

• вращательные;

• поступательные;
• винтовые;
• плоские;
• сферические.

4. по способу замыкания (обеспечения контакта звеньев пары):

• силовоегеометрическое .

Кинематические пары в плоских

механизмах

Плоскими называют механизмы, точки звеньев которых движутся в одной плоскости либо в параллельных плоскостях.

В плоских механизмах могут  существовать только кинематические пары 4 и 5 классов (т.е. двух и одно подвижные), причём кинематические пары 4 класса будут  высшими, а 5 низшими.

 

 

2.3. Обеспечение надёжности конструкции при воздействии на неё

 

Для правильного  и безопасного функционирования деталий различных машин необходимо знать такие параметры надёжности как прочность и жесткость. В случае если звено в механической цепочке не обладает должной прочностью, те звенья которые оказывают непосредственное воздействие на деталь могут просто напросто разрушить или  повредить её в лучшем случае , в худшем придётся наблюдать вывода из строя всего механизма в целом.

Прочность — свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих под воздействием внешних сил.

Свойство конструкции  выполнять назначение, не разрушаясь в течение заданного времени.

Прочность подразделяют на статическую, под действием постоянных нагрузок, динамическую и усталостную (выносливость), имеющую место при  действии циклических переменных нагрузок.

Для конструкций различают  общую прочность — способность  всей конструкции выдерживать нагрузки без разрушения, и местную —  та же способность отдельных узлов, деталей, соединений.

Обеспечение прочности  машин и аппаратов осуществляется следующим образом. На стадии их проектирования производится расчётная или экспериментальная  оценка возможности развития в несущих  элементах проектируемых конструкций  процессов разрушений различных  типов: усталостного, хрупкого, квазистатического, разрушения вследствие ползучести материала, коррозии, износа в процессе эксплуатации и т. п. При этом должны быть рассмотрены  все возможные в условиях эксплуатации конструкции известные на данный момент механизмы разрушения материала, из которого выполнены её несущие  элементы. Для вновь создаваемого класса машин или аппаратов указанные  механизмы разрушения выявляются на стадии научно-исследовательского цикла  проектирования. С каждым из таких  механизмов разрушения связывается  определённый критерий прочности —  та или иная характеристика физического  состояния материала элементов  машин и аппаратов, определяемая расчётным или экспериментальным  путём. Для каждого из критериев  прочности материала конструкции экспериментально устанавливаются его предельные значения. По предельным значениям далее определяются допускаемые значения этих критериев. Последние определяются, как правило, путём деления предельных значений критерия прочности на соответствующий коэффициент запаса прочности. Значения коэффициентов запаса прочности назначаются на основе опыта эксплуатации с учётом степени ответственности проектируемой конструкции, расчётного срока её эксплуатации и возможных последствий её разрушения.

Значения коэффициентов  запаса прочности для различных  механизмов разрушения различны. При  расчёте по допускаемым напряжениям  они изменяются, как правило, в  диапазоне значений от 1,05 (при обеспечении  прочности элементов летательных  аппаратов, имеющих краткий жизненный  цикл и не предназначенных для  транспортировки людей) до 6 (при  обеспечении прочности тросов, используемых в конструкциях пассажирских лифтов). При расчёте по допускаемому числу  циклов нагружения могут использоваться существенно большие значения этих коэффициентов. Расчёт наиболее ответственных  и энергонасыщенных конструкций  машин и аппаратов регламентируется отраслевыми нормами и стандартами. По мере накопления опыта эксплуатации, развития методов исследования физического  состояния конструкций и совершенствования  методов обеспечения прочности  эти нормы и стандарты периодически пересматриваются.

Жёсткость — способность  конструктивных элементов деформироваться  при внешнем воздействии без  существенного изменения геометрических размеров.

Основной характеристикой  жёсткости является коэффициент  жёсткости, равный силе, вызывающей единичное  перемещение в характерной точке (чаще всего в точке приложения силы).

В случаях малых одномерных деформаций (в пределах зоны упругости, где справедлив Закон Гука) жёсткость  можно определить как произведение модуля упругости  (при растяжении, сжатии и изгибе) или модуля сдвига  (при сдвиге и кручении) на соответствующую геометрическую характеристику сечения элемента, например, площадь поперечного сечения или осевой момент инерции. Понятие жёсткости широко используется при решении задач сопротивления материалов. Также данная величина имеет основополагающее значение в сопротивлении материалов.

В приложении приведены  примеры расчёта прочности и  жёсткости [прил.1], расчёты определения  опорной реакции [прил. 2] и расчёты  распределения нагрузки [прил.3].

 

 

 

3. Подъёмно транспортные машины

3.1. Выбор крюковой подвески

 

Наиболее широко применяемыми универсальными грузозахватными приспособлениями являются грузовые крюки и петли, к которым груз прикрепляют с  помощью канатных или цепных строп.  По форме крюки подразделяют на однорогие  и двурогие. Размеры крюков стандартизованы: для механизмов с ручным и машинным приводом - однорогие крюки по ГОСТ 6627-74, для механизмов с машинным приводом - двурогие по ГОСТ 6628-73. Форма крюков выбрана такой, чтобы обеспечить их минимальные размеры и массу  при достаточной прочности, одинаковой во всех сечениях.