Некоторые сведения о машинах и механизмах

Окружающие нас машины в зависимости от назначения принято делить на три основных вида: машины-двигатели, машины-орудия и машины-трансформаторы. К машинам-двигателям относятся: паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины, электромоторы, водяные, ветряные, реактивные двигатели и т. д. Машины-двигатели служат для получения механической энергии, которая обычно выражается в форме вращательного движения рабочего вала двигателя. Вращение вала двигателя при помощи тех или иных средств (ремня, шестерни, муфты и т. д.) передается другим машинам. Двигатель является как бы источником вращения — приводом. Вторая группа — это машины-орудия, или машины-исполнители. К этому виду машин относятся самые разнообразные машины, выполняющие непосредственно работу. Сюда входят все виды станков: металлорежущие, деревообрабатывающие, ткацкие, типографские, грузоподъемные, землеройные, сельскохозяйственные и другие. Машины-орудия могут быть простыми и очень сложными, например машины-автоматы. Третий вид машин — машины-трансформаторы, преобразующие один вид энергии в другой. К таким машинам относятся: компрессоры, преобразующие механическую энергию в энергию сжатого воздуха, динамо-машины, где механическая энергия переходит в электрическую, и т. д. Рассматривая ту или иную машину, мы замечаем, что она состоит из разного рода деталей, причем все детали машины расположены в определенном порядке и взаимно связаны между собой. Одни из деталей являются подвижными, другие — неподвижными, служащими для укрепления подвижных деталей. Рассматривая, например, приводной узел кожной швейной машины, показанной на рисунке 2, мы видим, что ее станина с подшипниками неподвижна, а вал, шатун и педаль являются подвижными частями, передающими друг другу определенные движения. Так, от педали движение передается шатуну, от шатуна к кривошипу вала, а от него через колесо и ремень движение сообщается малому шкиву. Эти связанные между собой звенья образуют механизмы машины. В машине может быть один или несколько механизмов. В нашем примере швейной машины кривошипный вал и шатун образуют кривошипно-шатунный механизм, шкивы и ремень — передаточный механизм, для намотки челночной шпульки существует кулачковый механизм и т. д. Все механизмы образуют общий механизм машины. Для лучшего изучения механизмов обычно делают схематический чертеж механизмов машины, так называемую кинематическую схему. На схеме показывают все движущие звенья машины и их взаимную связь. Стационарные части — станину, раму и другие детали, не составляющие сущность механизма, на схемах обычно не изображают. На схеме (рис. 3) отдельные звенья механизма рисуют в виде условных обозначений. Схема не дает точного представления о форме деталей, но она наглядно показывает, какими механизмами обладает данная машина. Рассматривая кинематическую схему какого-либо механизма, мы определяем, из каких звеньев он состоит и в какой зависимости эти звенья находятся между собой. Два звена механизма, связанных друг с другом, принято называть кинематической парой. Так, в разбираемой нами швейной машине педаль и шатун представляют одну кинематическую пару, шатун и коленчатый вал — другую. Коленчатый вал и его подшипник, в свою очередь, тоже составляют кинематическую пару. На рисунке 4 даны примеры кинематических пар, которые часто встречаются в механизмах. От числа кинематических пар будет зависеть сложность механизма. Простейший механизм может состоять из двух деталей, например втулки и двигающегося в ней валика, винта и гайки и пр. Рассматривая механизмы разных машин, нетрудно заметить, что во многих машинах повторяются одни и те же характерные механизмы. Так, кривошипно-шатунный механизм мы можем видеть и в двигателях внутреннего сгорания, и в паровой машине, и в прессах, и в насосах, и в жатвенных машинах и т. д. Основными материалами для постройки машин служат сталь, чугун, дерево и некоторые другие. Всякая машина должна быть надежной и прочной в работе. Поломка какой-либо части машины приводит ее в негодность и может быть опасна для человека. Поэтому детали машин должны быть достаточно прочными. Как же определить прочность детали? Какой, например, толщины надо взять ножки у станка, чтобы они надежно несли всю нагрузку? Толстые ножки слишком тяжелы, массивны, на них пойдет много материала, а тонкие — разрушатся. Необходимую прочность конструкции машины определяют расчетным путем. Исходными данными при расчете обычно являются нагрузка, которую должна выдерживать деталь, и прочность материала, из которого она будет сделана. Разберем вначале, как влияет нагрузка (сила) на какую-либо деталь. Всякая нагрузка, как бы она ни была мала, производит ту или иную деформацию детали, то-есть деталь теряет свою первоначальную форму. При малой нагрузке изменение формы детали может быть почти неощутимо, при чрезмерной — деталь может сильно деформироваться и стать непригодной для работы. Если мы будем сжимать кусочек резины или изгибать линейку, то вызовем деформацию этих тел. Удалив силы, вызвавшие деформацию, мы заметим, что эти тела принимают первоначальную форму. Подобное явление можно заметить и на других телах. Такая деформация, когда тело после удаления силы. принимает первоначальное положение, называется упругой деформацией. Но может случиться так, что силы, действующие на деталь, будут слишком велики и деталь после удаления этих сил не примет прежнюю форму, а останется деформированной (раздавленной, скрученной или согнутой). Такая деформация называется остаточной. Подобные остаточные деформации недопустимы в конструкциях, так как приводят машины в негодность. Поэтому, как правило, детали рассчитываются с учетом упругой деформации. Какие же виды деформаций могут встретиться в деталях под действием нагрузки? Их можно свести к нескольким основным (рис. 5): растяжению, сжатию или смятию, сдвигу или срезу, кручению и изгибу. Каждая из этих деформаций при конструировании машины должна строго учитываться. Для того чтобы деталь не деформировалась и не разрушалась, необходимо учитывать также прочность материала, из которого она сделана. Опытным путем установлено, что каждый материал имеет свою прочность, которая выражается определенным числом. Эта величина прочности иначе называется «допускаемое напряжение» (нагрузка в кг, приходящаяся на 1 см2 площади сечения). Величина прочности материалов дается в специальной таблице (см. приложения). Решим такую задачу: какого сечения нужно взять стальной стержень, чтобы на него можно было подвесить груз - (Р) в 2 000 кг. Допускаемое напряжение при растяжении для стали принимаем за 1000 кг/см'1. где Р — нагрузка в килограммах, Rz - допускаемое напряжение на растяжение, которое по таблице равно 1000 кг 1см2, S— площадь сечения стержня в квадратных сантиметрах. Будет ли наш стержень круглым, прямоугольным или какого-либо другого профиля, все равно его площадь сечения должна составлять 2 см2. Таким же образом можно произвести расчет на сжатие и сдвиг. При этом вместо допускаемого напряжения на растяжение берут из таблицы напряжение на сжатие (RJ или на сдвиг (RJ. Расчеты на изгиб и кручение более сложны и здесь не приводятся. Но следует учесть, что при изгибе лучше будет сопротивляться та деталь или та часть детали, которая имеет большую высоту. Этим и объясняется, что в различных сооружениях балки, например, кладутся на ребро, а не плашмя. С этой же целью в машинах нашли широкое применение профилированные материалы (двутавр, швеллер, уголок). При кручении наиболее выгодным сечением будет кольцевое (в виде трубы), так как середина стержня при кручении почти не работает и, следовательно, только утяжеляет конструкцию.