Фгбоу во новосибирский гау инженерный институт кафедра механизации животноводства и переработки сельскохозяйственной продукции
 Скачать 1.2 Mb.
|
|
ФГБОУ ВО Новосибирский ГАУ ИНЖЕНЕРНЫЙ ИНСТИТУТ Кафедра механизации животноводства и переработки сельскохозяйственной продукции М.Н. Мефодьев, Е.А. Пшенов, А.А. Мезенов ОСНОВЫ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ МАШИН И АППАРАТОВ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРОИЗВОДСТВ Курс лекций Новосибирск 2015 2 УДК 664 ББК 36.81 Кафедра механизации животноводства и переработки сельскохозяйственной продукции Рецензент др техн. наук, ст. научн. сотр. НА. Петухов ГНУ СибИМЭ СО Россельхозакадемии) Мефодьев МН Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств курс лекций / МН. Мефодьев, Е.А. Пшенов, А.А. Мезенов; Новосиб. гос. аграр. унт. Инженер. ин-т. – Новосибирск, 2015. – 108 с. В курсе лекций изложены общие принципы расчета и конструирования нового и модернизации существующего оборудования пищевых производств. Предназначен для студентов направления подготовки «Агроин- женерия» профиль Технологическое оборудование для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. Утвержден и рекомендован к изданию методическим советом Инженерного института НГАУ (протокол № 5 от 22 декабря 2015 г. Новосибирский государственный аграрный университет, 2015 ВВЕДЕНИЕ Реализация прогрессивных технологий переработки сельскохозяйственного сырья требует постоянного совершенствования оборудования поточно-технологических линий. Основными путями совершенствования машин и аппаратов перерабатывающих производств являются модернизация используемого оборудования на основе новых патентов, а также изобретение оригинальных конструкций. Основы методологии в области конструирования закладываются в период изучения общеин- женерных дисциплин. Студентам инженерных специальностей необходимо знать методы прогнозирования конструкций, общие законы развития техники, которые заключаются в том, что технические системы возникают, переживают периоды становления, расцвета, упадка, сменяются другими устройствами и системами с более благоприятными характеристиками. Важнейшими условиями создания прогрессивного оборудования, позволяющего эффективно решать проблему комплексной переработки сельскохозяйственного сырья и производства продуктов питания, являются всемерное снижение стоимости новых конструкций машин на единицу производительности (мощности – повышение в оптимальных пределах единичной мощности машин при одновременном уменьшении их габаритов – снижение энергопотребления, удельной металлоемкости – обеспечение экономичности в эксплуатации, надежности и безопасности конструкций машин. Задачи дисциплины Основы расчета и конструирования машин и аппаратов перерабатывающих производств заключаются в формировании системы знаний и умений, необходимых для профессиональной деятельности, навыков проектирования на стадиях разработки технического предложения, эскизного проектирования машин, технически грамотного оформления графической части и текстовых документов в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации Лекция 1 ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 1. Структура машин и назначение их элементов Основой изучения и конструирования машин является знание их структуры и функционального назначения элементов, из которых они состоят. Машиной называется сочетание нескольких механизмов, выполняющих определенные целенаправленные движения для преобразования энергии, материалов или информации. В зависимости от назначения различают три вида машин энергетические, рабочие, информационные. В свою очередь, рабочие машины подразделяются на технологические и транспортные. В технологических машинах под материалом подразумевается обрабатываемый предмет (объект труда, который может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Преобразование материалов в этих машинах заключается в изменении их свойств, состояния или формы. К технологическим машинам в перерабатывающей промышленности относятся, например, обоечные машины, вальцовые станки, волчки, куттеры, сепараторы, маслообразователи и т. д. В транспортных машинах под материалом понимается перемещаемый предмета его преобразование состоит только в изменении положения. В общем случае технологическая машина состоит из следующих механизмов двигательного (двигателя, передаточного и исполнительного. Кроме перечисленного, большинство технологических машин перерабатывающих производств дополнительно оснащаются питающим механизмом и выпускным устройством, а также механизмами для управления, регулирования, защиты и блокировки машины. Двигатель служит для преобразования любого вида энергии в механическую. Современные машины перерабатывающих производств приводятся в движение, главным образом, отдельным электродвигателем, и поэтому в данном случае имеет место преобразование электрической энергии в механическую. Процесс развития двигательного механизма происходил последующим этапам а) развитый трансмиссионный привод всех машин от одного центрального двигателя б) групповой электропривод однородных машин с развитой передаточной трансмиссией в) индивидуальный электропривод машины с передаточным механизмом ко всем исполнительным механизмам г) индивидуальный встроенный электропривод для каждого исполнительного механизма машины. Последний этап является наиболее совершенным сточки зрения возможности автоматического управления работой машины и обеспечения для каждого исполнительного механизма индивидуального режима работы, присущего его динамике. Динамика двигательного и передаточного механизмов определяется усилиями, необходимыми для воздействия рабочих органов на обрабатываемый объект. Эти усилия обусловливают размеры узлов и деталей механизмов в зависимости от прочности, жесткости и износоустойчивости. Передаточный механизм служит для передачи энергии (движения) от двигателя к исполнительному механизму. Кинематическая система передаточного и исполнительного механизмов определяет законы движения рабочих органов, скорости и ускорения отдельных звеньев системы. Передаточные механизмы можно разделить натри вида не изменяющие, изменяющие и регулирующие скорость движения (частоту вращения) исполнительного механизма. К первому виду относятся всевозможные муфты. Для изменения скорости движения используются ременные, цепные, зубчатые, червячные, фрикционные передачи и редукторы, адля регулирования – вариаторы. Исполнительный механизм предназначен для приведения в действие рабочих органов машины. Он включает ведомое звено, с которым соединяются рабочие органы, и ведущее, которое связано с приводным механизмом. В качестве исполнительного механизма чаще всего используется вал. Рабочие органы исполнительных механизмов непосредственно воздействуют на обрабатываемый продукт илиматериал согласно заданному технологическому процессу. Во многих случаях процесс в машине осуществляется несколькими рабочими органами, каждый из которых выполняет определенную операцию. Такие машины называются сложными в отличие от простых машин с одним рабочим органом. Рабочие органы делятся на обрабатывающие и удерживающие (захваты, зажимы и др. Удерживающие рабочие органы могут фиксировать обрабатываемое изделие в неподвижном состоянии при относительном перемещении обрабатывающего рабочего органа. В других случаях обрабатывающий орган неподвижен, а перемещается обрабатываемый объект вместе с удерживающим органом. В общем случае рабочими органами могут быть не только механические устройства, но и воздушные и водяные потоки, поля (магнитные, электрические, температурные и т. да также реакционные пространства (камеры, в которых создаются необходимые условия для воздействия на обрабатываемое сырье. Исполнительные механизмы характеризуются условиями работы рабочих органов. Так, в механизмах непрерывной работы их рабочие органы находятся в непосредственном контакте с обрабатываемым объектом в течение всего цикла движения механизма, а в периодически работающих механизмах рабочие органы находятся в контакте с обрабатываемым объектом лишь в течение части цикла движения механизма (рабочее перемещение остальное время рабочие органы находятся в нерабочем положении (холостое перемещение. При рабочем перемещении требуется соблюдать определенные закономерности движения, обусловленные технологическими требованиями. При конструировании рабочих органов исполнительных механизмов необходимо учитывать различные режимы их работы при рабочем и холостом ходах. Питающий механизм предназначен для непрерывной или периодической подачи сырья или исходного продукта в машину. Механизм может обеспечивать количественное дозирование (весовое или объемное) подаваемого сырья в зависимости от изменения его физико- механических свойства также требуемых свойств готового продукта и требований технологического процесса. Выпускное устройство предназначено для вывода продукта, полученного в результате технологического процесса машины. Помимо главных механизмов современные машины снабжают рядом дополнительных устройства) установочными и регулирующими механизмами (для настройки работы машины б) механизмами управления (для пуска, остановки, контроля в) механизмами защиты и блокировки, предотвращающими неправильные или несвоевременные включения или отключения отдельных механизмов. Они также предназначены для предохранения механизмов машины при аварии. Движущиеся элементы машин соединяются с неподвижными с помощью опор и подвесок. Для крепления и соединения отдельных элементов и механизмов машин служат корпус, станина или рама. Структурный анализ каждой машины позволяет построить ее технологическую и кинематическую схемы, определить динамические условия работы всех механизмов, узлов и деталей, что необходимо при расчете и конструировании машин. Классификация машин и аппаратов перерабатывающих производств При современном многообразии перерабатывающих производств применяемое в них технологическое оборудование также весьма разнообразно. Это оборудование можно классифицировать по ряду следующих обобщающих признаков а) характеру воздействия на обрабатываемый продукт б) структуре рабочего цикла в) степени механизации и автоматизации г) функциональному признаку. Помимо этих признаков каждому виду оборудования присущи свойства и особенности частного порядка. Они рассматриваются в соответствующих главах, посвященных расчету и конструированию различных машин и аппаратов. В зависимости от характера воздействия на обрабатываемый продукт технологические машины делятся на аппараты и машины. В аппаратах осуществляются тепломассообменные, физико- химические, биохимические и другие процессы, в результате которых происходит изменение физических и химических свойств обрабатываемого продукта или изменение его агрегатного состояния. Характерным признаком аппарата является наличие реакционного пространства или камеры. Для интенсификации процессов аппараты могут быть снабжены дополнительными механизмами. Кроме того, для работы аппаратов обычно обязательно наличие различных рабочих жидкостей холодной и (или) горячей воды, газа, пара, дыма и т. п, которые называются теплоносителями или хладагентами. Взаимодействие последних с обрабатываемым продуктом в аппарате может происходить напрямую или через разделяющую поверхность (стенку. В машинах осуществляется механическое воздействие на продукт, в результате чего изменяются его форма, размеры и другие физико- механические показатели. Конструктивной особенностью машин является наличие движущихся исполнительных (рабочих) органов. Форма, размеры, материал и характер перемещения этих органов зависят от их назначения. В некоторых случаях технологическое оборудование является комбинацией машины и аппарата, поскольку в нем одновременно осуществляется механическое, физико-химическое и тепловое воздействие. По виду цикла работы машины и аппараты могут быть периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. В процессе работы технологическое оборудование выполняет не только основные (измельчение, перемешивание, варка и т. п, но и вспомогательные (загрузка, перемещение, контроль, выгрузка и т. п) операции. В зависимости от соотношения этих операций, а также участия человека в их выполнении различают оборудование неавтоматиче- ского, полуавтоматического и автоматического действия и кибернетические машины (роботы. В автоматах все основные и вспомогательные операции выполняются оборудованием безучастия человека. Если автомат способен производить логические операции, вырабатывать и осуществлять в соответствии со своим целевым назначением программу действия с учетом переменных условий протекания технологического процесса, то он называется самонастраивающимся или кибернетическим. В полуавтоматическом оборудовании вспомогательные операции не механизированы. В неавтоматическом (простом) оборудовании вспомогательные, а также часть основных операций выполняются вручную. В зависимости от сочетания технологического оборудования в производственном потоке различают отдельные единицы (выполняют одну операцию, агрегаты (последовательно различные операции, комбинированное оборудование (законченный цикл операций) и поточные автоматические линии (выполняют все технологические операции вне- прерывном потоке. Наконец, по функциональному признаку все оборудование перерабатывающей промышленности можно разделить на группы, в которые входят машины и аппараты, отличающиеся воздействием на продукт и конструктивным оформлением. Детальная классификация оборудования по функциональному назначению подробно изучается в курсах Технологическое оборудование для переработки продукции животноводства и Технологическое оборудование для переработки продукции растениеводства. 3. Этапы конструирования машин При проектировании машин выделяют следующие, наиболее характерные, типовые действия инженеров – использование известного технического объекта с известными характеристиками – выбор технического объекта с характеристиками, обеспечивающими осуществление заданного процесса – создание нового технического объекта или его частей – конструкции нового технического средства. Действия с замыслами можно ограничить проектированием, когда его цель состоит в использовании технического средства известной конструкции. При отсутствии желаемой конструкции проектирование должно быть дополнено конструированием нового технического средства. Под конструированием понимается разработка конструкторской документации, объем и качество которой позволяют изготовить новое техническое средство или систему с соблюдением всех требований машиностроительной технологии. Конструкторская документация является результатом творчества инженера-конструктора, средством, с помощью которого он выражает свои мысли и доводит их до изготовителей оборудования. Разработка, создание и постановка на производство новой модели машины независимо от ее функционального назначения и конструктивных особенностей осуществляются согласно ГОСТ 15.001-88 по единой общепринятой схеме, состоящей из следующих основных стадий разработка технического задания – разработка технической и нормативно-технической документации – изготовление и испытания опытных образцов – приемка результатов разработки – подготовка и освоение производства. Техническое задание является основным исходным документом для разработки нового изделия. Оно содержит основные технико- экономические требования к изделию, определяющие его потребительские и эксплуатационные характеристики, а также сроки выполнения необходимых стадий разработки конструкторской документации и ее состав. Техническое задание разрабатывается как организацией, которой необходимо данное изделие, таки организацией, занимающейся конструированием и, возможно, изготовлением данного изделия. В последнем случае техническое задание согласовывается с организацией, которая заказывает это изделие, и утверждается в установленном порядке. В техническом задании обязательно должны быть указаны следующие данные – назначение изделия и его место в технологическом процессе выработки продукции – технико-экономическое обоснование введения данного изделия в производство (увеличение выхода продукции улучшение ее качества освоение нового технологического процесса облегчение труда обслуживающего персонала повышение КПД машины уменьшение расхода электроэнергии, массы, дефицитных материалов, габаритов, трудоемкости изготовления и т. д При создании технологического оборудования следует придерживаться следующих правил – подчинять конструирование задаче увеличения экономического эффекта, определяемого полезной отдачей машины, ее долговечностью и эксплуатационными расходами завесь период использования машины – добиваться максимального повышения полезной отдачи за счет увеличения производительности машин и объема выполняемых ими операций – добиваться всемерного снижения расходов на эксплуатацию машин уменьшением энергопотребления, стоимости обслуживания и ремонта максимально увеличивать степень автоматизации машин с целью увеличения производительности, повышения качества продукции и сокращения расходов на труд 10 Основные требования, предъявляемые к конструированию машин и аппаратов пищевых производств Технологичность конструкции – это совокупность свойств изделия, проявляемых в возможности оптимальных затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте. Технологичная конструкция – удобная, стремящаяся к идеальной. Технологичность конструкции оценивается уровнем технологичности конструкции К У = К/К 6 ≥ 1, где К – показатель технологичности разрабатываемой конструкции, характеризующий один или несколько ее признаков на стадии разработки конструкторской документации К б – базовый показатель, принятый за исходный при сравнительной оценке технологичности конструкции изделия. Основные показатели технологичности конструкции – трудоемкость изготовления изделий – технологическая себестоимость изделия. Дополнительные показатели технологичности подразделяются на две группы 1) технико-экономические – характеризуют затраты труда или стоимостных средств на изготовление, эксплуатацию или ремонт изделия 2) технические – определяют расход и рациональное использование материалов, точность и качество изготовления, унификацию конструкций и технологических процессов. Для анализа и оценки технологичность классифицируют по видами другим признакам (стадиям разработки и производства изделий, видам изделий при разработке конструкторской и технологической документации, видам процессов изготовления, конструктивным характеристикам изделия. Например, в соответствии с первым признаком рассматривают 1) производственную 2) эксплуатационную технологичность конструкции а) технологичность конструкции при техническом обслуживании б) ремонтную технологичность конструкции. Различают понятия технологичности конструкции детали, сборочной единицы и изделия в целом. Оценка технологичности конструкции детали может производиться по основным конструктивным характеристикам форма поверхности, размеры, материал и др. При конструировании МАПП исходят из принципов технологической и конструктивной преемственности. Технологическая преемственность для разрабатываемой машины заключается в выборе таких деталей и сборочных единиц, которые уже применялись в других машинах и технология изготовления которых 11 уже освоена промышленностью. Конструктивная преемственность при конструировании новой машины заключается в использовании предшествующего опыта машиностроения, во введении в разрабатываемый образец всего полезного, что есть в существующих конструкциях машин. Иногда полезно использовать метод инверсии обращение функций, форм и расположения деталей) – те. бывает выгодно поменять детали ролями ведущую деталь сделать ведомой, направляющую – направляемой, неподвижную – подвижной, наружный конус заменить внутренним, что дает определенную эффективность конструкции изделия. Стандартизация – это установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации и требований безопасности. Стандарт может быть 1) в виде документа, содержащего ряд требований (норм, подлежащих обязательному выполнению 2) в виде основной единицы или физической константы ампервольтметр мс, π = 3,14...); 3) в виде какого-либо предмета для физического сравнения (эталон метра. Степень стандартизации оценивается коэффициентом с, где с, N – число стандартных деталей и общее число деталей. Составными частями стандартизации являются унификация и типизация. Унификация – рациональное сокращение числа видов, типов, марок и типоразмеров изделий одинакового функционального назначения составных элементов этих изделий основных и второстепенных размеров допусков и посадок марок материалов способов изготовления технологических указаний технической документации и т. п. Виды унификации – межтиповая; – отраслевая и межотраслевая – унификация деталей, сборочных единиц и машин – унификация конструктивных элементов машин и аппаратов – унификация марок и сортамента материалов, электродов, типоразмеров крепежных и других стандартных изделий – унификация технической документации. Для оценки достигнутого уровня стандартизации и унификации используют систему показателей 1) коэффициент применяемости является обязательным К пр = (n-n 0 )/n, где п – общее количество изделий п – количество оригинальных изделий (оригинальные – разработанные впервые для этого изделия 12 2) коэффициент повторяемости К п =N/n , где N – общее количество составных частей изделия 3) коэффициент межпроектной (взаимной) унификации , H 1 max H 1 м.у. i i i i n n Q n K где Н – общее количество рассматриваемых изделий n i – количество типоразмеров составных частей в м изделии Q – количество типоразмеров составных частей, из которых состоит группа из n изделий ах – максимальное количество типоразмеров составных частей одного из изделий, входящих в эту группу 4) коэффициент унификации группы изделий , m 1 m 1 пр i i i i i i i г Ц П Ц П K K где т – количество изделий в группе i – порядковый номер изделия в группе K npi – коэффициент применяемости го изделия П – годовой выпуск го изделия Ц – оптовая цена го изделия. Типизация – это разработка и установление типовых конструктивных или технологических решений с общими техническими характеристиками. Образование производных машин на базе унификации производится следующими методами 1. Секционирование – разделение машины на одинаковые секции и образование производных машин набором унифицированных секций. Секционированию хорошо поддаются транспортеры – ленточные, скребковые, цепные, ковшовые элеваторы и т. д, дисковые фильтры, пластинчатые теплообменники, центробежные насосы. 2. Метод изменения линейных размеров – изменение длины машины или агрегата с сохранением формы поперечного сечения. Метод применим главным образом к роторным машинам (шестеренные и центробежные насосы, компрессоры, валковые машины, мешалки и т. п. 3. Метод базового агрегата – применение базового агрегата, превращаемого в машины различного назначения присоединением к нему специального оборудования (дорожные машины, самоходные краны, погрузчики, сельскохозяйственные машины, кухонные комбайны. 4. Конвертирование – использование базовой машины или основных ее элементов для создания агрегатов различного назначения. Пример – перевод поршневых двигателей внутреннего сгорания с одного вида топлива на другой – бензиновых в газовые компрессоров воздушных – на фреон, аммиак (NH 3 ). 5. Компаундирование – метод параллельного соединения машин, применяемых с целью увеличения общей мощности или производительности установки. Установка двух и более двигателей на крыле самолета. Модифицирование – переделка машины с целью приспособить ее к иным условиям работы, операциями видам продукции без изменения основной конструкции. 7. Агрегатирование – создание машин путем сочетания унифицированных агрегатов, представляющих собой автономные узлы, устанавливаемые в различном числе и комбинациях на общей станине. 8. Комплексная стандартизация – метод, близкий к агрегатированию. Используется для агрегатов простого типа отстойники, выпарные установки (днища, трубные решетки, трубы, фланцы и др. Материалоемкость и облегчение деталей и узлов Различают материалоемкость структурную и удельную. Структурная материалоемкость позволяет исследовать рациональность выбранной номенклатуры материалов, возможность исключения дорогостоящих и дефицитных материалов, использования стандартных профилей проката и т. д. Удельная материалоемкость – отношение объема к основному параметру машины (мощность, производительность и т. д 2 2 1 Удельная материалоемкость те. на единицу технико- экономических характеристик) необходима для сравнения машин одинакового эксплуатационного назначения, но различной мощности, разной производительности и др. Основные направления снижения материалоемкости 1. Снижение массы. 2. Повышение коэффициента использования материала (отношение основного параметра машины к массе. 3. Выбор рационального материала. 4. Унификация узлов и деталей. 5. Рационализация конструктивных схем путем устранения излишних запасов прочности, замены металлических материалов неметаллическими, применения прочных материалов. Снижение массы. Один из способов – рациональное нагружение деталей, когда напряжения будут одинаковы в каждом сечении детали по ее продольной оси ив каждой точке этого сечения. Это возможно, когда нагрузку воспринимает все сечение детали (сжатие-растяжение). Таким образом достигается равнопрочность. При изгибе, кручении и сложных состояниях напряжения распределяются по сечению неравномерно (те. нужно стараться по возможности осуществить замену изгиба и кручения 14 растяжением-сжатием). Удаление слабонагруженного центра сечения обеспечивает более равномерное распределение напряжений. Рис 1. Схема удаления слабонагруженного центра сечения Увеличение наружного диаметра (рис. в) позволяет привести напряжения к прежнему уровню и при дальнейшем увеличении даже снизить их. На рис. 2 приведено изменение схемы нагружения шатуна аи б – шатун работает на изгиб в – шатун работает на сжатие, масса его будет меньше. Для материалов с асимметрией прочностных свойств, сопротивляющихся сжатию лучше, чем растяжению (серый чугун, пластики, соотношение между максимальным напряжением сжатия и растяжения Рис. 2. Схема разгрузки шатуна от изгиба Рис. 3. Влияние вида нагружения растяжение болтов (а) заменено на их сжатие (б 15 целесообразно увеличивать в отношении пределов прочности при сжатии и растяжении. На рис. 3 приведены нецелесообразная аи рациональная б) конструкции литого кронштейна из серого чугуна, подвергающегося изгибу. Одним из направлений облегчения деталей является удаление металла из явно мало напряженных участков, находящихся в стороне от силового потока (рис. 4). Шестерни 1 типа дисков (см. риса) целесообразно облегчать удалением металла из мало нагруженных участков 2. На рис. б приведен пример утончения фланца по направлению к периферии. В конструкциях пазового поводка (см. рис. в) облегчение достигнуто изменением наружной конфигурации диска поводка и уменьшением толщины диска. Ширина рабочих граней пазов, определяющая несущую способность поводка, сохранена прежней путем окантовки пазов. На рис. 5 приведено изменение конструкции вала для достижения равнопрочности. Рис. 4. Конструктивные способы облегчения деталей а – шестерни б – фланцев в – пазового поводка Рис. 5. Изменение конструкции вала для достижения равнопрочности 16 Повышение коэффициента использования материала – замена поковок литыми деталями – получение заготовок с помощью горячей или холодной штамповки (рис. 6); – применение стандартных и специально облегченных профилей. Наибольшие возможности уменьшения массы заложены в применении рациональных конструктивных схем с наименьшим числом деталей и наиболее выгодным течением силового потока. Сокращение звеньев механизма и устранение излишних звеньев способствуют значительному снижению массы машины. Примером рационального размещения деталей с целью уменьшения объема и габаритных размеров может служить двухступенчатый редуктор. Исходную конструкцию (риса, выполненную по обычной трехвальной схеме, можно сделать более компактной и легкой, если конечное зубчатое колесо 4 перебора установить соосно с начальным колесом 1 (см. рис. б, двухвальная схема. Рис. 7. Совершенство конструктивной схемы редуктора При таком расположении колеси значительно снижаются силы, действующие на промежуточные колеса 2 и 3 и определяющие нагрузку на подшипники. На риса силы Р 1 и Рот начального и конечного колес направлены в одну сторону их результирующая R' значительна. На рис. б силы Р и Р 2 направлены в разные стороны, благодаря чему результирующая' уменьшается почтив раза. Рис. 6. Листовые штампованные конструкции 17 Масса конструкции во многом зависит от силовой схемы. Силовая схема рациональна, если силы замыкаются на коротком участке элементами, работающими на растяжение или сжатие. Привод роторной машины через редуктор 2 и коническую шестеренную передачу 3 риса) нерационален. Рис. 8. Улучшение силовой схемы Возникающие на шестернях радиальные и осевые силы нагружают валы и корпуса машины и редуктора. Целесообразен привод от фланцевого электродвигателя через соосный редуктор 4, смонтированный непосредственно на корпусе машины (см. рис. б. В этом случае реактивные силы привода уравновешиваются наикратчайшим путем в корпусе редуктора, не вызывая дополнительных нагрузок на элементы системы. Габариты установки резко сокращаются. Способы упрочнения материалов 1. Горячая обработка давлением – упрочнение происходит в результате превращения рыхлой структуры слитка в уплотненную структуру сориентированным направлением кристаллитов. Пустоты между кристаллитами уковываются и завариваются, прослойки примесей по стыкам кристаллитов дробятся и под действием высокой температуры и давления растворяются в металле (рекристаллизация – из обломков кристаллитов возникают новые мелкие зерна. Направление волокон должно быть согласовано с конфигурацией деталей и направлением действия рабочих нагрузок. 2. Легирование – повышение прочности с дифференциальным улучшением частных характеристик вязкости, пластичности, упругости, жаропрочности, хладостойкости, сопротивления износу, коррозионной стойкости и др. за счет присадки некоторых элементов (М. 3. Упрочняющая термическая обработка закалка с высоким, средними низким отпуском, изотермическая закалка) вызывает образование неравновесных структур с повышенной плотностью дислокаций 18 и сильно деформированной атомно-кристаллической структурой (сорбит, троостит, мартенсит, бейнит. Для конструкционных сталей чаще используют улучшение закалка с высоким отпуском на сорбит, при котором достигается наиболее удачное сочетание прочности, вязкости, пластичности. 4. Упрочняющая химико-термическая обработка – насыщение поверхностного слоя углеродом (цементация) или азотом (азотирование, разновидность термодиффузионного поверхностного легирования – насыщение поверхностного слоя атомами легирующих элементов хрома- литирование – насыщение хромом (Си алюминием (А сульфоциа- нирование – насыщение серой (S), углеродом (Си азотом (N 2 ); боро- цианирование – насыщение бором (В, углеродом (Си азотом (N 2 ); ти- танирование, бериллизация, борирование, силицирование (Si и Fe 2 Si) и т. д. 5. Обработка методами холодной пластической деформации – штамповка. Жесткость конструкции Жесткость – это способность системы сопротивляться действию внешних нагрузок с деформациями, допустимыми без нарушения работоспособности системы (с наименьшими деформациями. Податливость – понятие, обратное жесткости – свойство системы приобретать относительно большие деформации под действием внешних нагрузок. Жесткость оценивается коэффициентом жесткости, представляющим отношение силы Р, приложенной к системе, к максимальной деформации f, вызываемой этой силой. Для сжатия-растяжения согласно закону Гука где F– сечение бруса, мм l – длина бруса в направлении действия силы. Коэффициент податливости Для кручения , l GI М p кр кр где I p – полярный момент инерции сечения бруса. Для изгиба , 3 a l J f P изг где а – коэффициент, зависящий от условий нагружения. Жесткость конструкции определяют следующие факторы – модуль упругости материала (Е – модуль нормальной упругости 19 при растяжении–сжатии, модуль сдвига G – при сдвиге, кручении – геометрические характеристики сечения (сечение F – при сдвиге, растяжении-сжатии; I – момент инерции при изгибе, полярный момент инерции р при кручении – линейные размеры деформируемого тела (l); – вид нагрузки и тип опор (коэффициента Конструктивные способы повышения жесткости 1. Всемерное устранение изгиба, замена его растяжением или сжатием. Для деталей, работающих на изгиб, – целесообразная расстановка опор, исключение невыгодных по жесткости видов нагружения. 3. Рациональное, не сопровождающееся возрастанием массы, увеличение моментов инерции сечений. 4. Рациональное усиление ребрами, работающими предпочтительно на сжатие. 5. Усиление заделочных участков и участков перехода от одного сечения к другому. 6. Блокирование деформаций введением поперечных и диагональных связей. 7. Привлечение жесткости смежных деталей. 8. Для деталей коробчатого типа – применение скорлупчатых, сводчатых, сферических, яйцевидных и тому подобных форм. 9. Для деталей типа дисков – применение конических, чашечных, сферических форм рациональное оребрение, гофрирование. 10. Для деталей типа плит – применение прочных, коробчатых, двутельных, ячеистых и сотовых конструкций. Замена изгиба растяжением-сжатием. При изгибе и кручении нагружены преимущественно крайние волокна сечения, при растяже- нии-сжатии напряжения одинаковы по всему сечению материал используется полностью. Жесткость стержней в раскосном кронштейне (рис. 9) видоизменяет условия их работы. Балочный кронштейн (см. риса) подвергается изгибу. Стержни в раскосном кронштейне (см рис. б) работают преимущественно на растяжение-сжатие. Конструкция становится еще более прочной и жесткой, если стержни кронштейна соединить сплошной перемычкой (см. рис. в. Кронштейн ферменного типа с вертикальным стержнем (см. рис. г) значительно менее жесткий, чем кронштейн на рис. б, так как конец вертикального стержня под нагрузкой перемещается приблизительно по направлению действия силы и для ограничения деформаций его жесткость не используется. 20 Рис. 9. Схема изменения конструкции балочного кронштейна а – балочный кронштейн подвергается изгибу б – стержни раскосного кронштейна работают преимущественно на растяжение-сжатие; в – кронштейн со сплошной перемычкой работает на растяжение- сжатие; г – кронштейн с вертикальным участком работает на изгиб На риса показан случай нагружения цилиндра осевой силой. Нагрузка вызывает прогиб днища цилиндра, передающийся обечайке через пояс сопряжения обечайки с днищем (деформации показаны штриховой линией. Система является нежесткой. При замене цилиндра конусом (см. рис. б) система по основной схеме восприятия сил приближается к стержневой ферме стенки. Рис. 10. Конструкции, работающие на сжатие Таким образом, основными принципами конструирования машин являются оптимальность, технологичность, системный подход к вопросам их изготовления, монтажа, эксплуатации и ремонта. 1. Оптимальность принимаемые решения должны быть наилучшими для конкретных условий изготовления и эксплуатации изделий, те. обеспечивать высокую производительность при минимальных энергозатратах. Системность необходимо учитывать большинство факторов, определяющих надежность изделия (безотказность, жесткость, долговечность, а также эксплуатационные расходы в период эксплуатации. 3. Технологичность выбор материалов, способов нагружения, технологии изготовления деталей и сборочных единиц. 21 Лекция 2 ВЫБОР КОНСТРУКТОРСКИХ РЕШЕНИЙ |